Éléments08 : science, stratégie et partenariats au service des MCS

Les pegmatites lithinifères constituent une source essentielle de lithium pour la production de matières premières destinées aux batteries. Cependant, la complexité minéralogique et la variabilité texturale des minéraux lithinifères et de gangue dans les différentes lithologies composant un gisement peuvent poser des défis importants pour l’exploitation et le traitement optimal des ressources. L’objectif de ce projet de recherche était d’améliorer les connaissances des gisements de pegmatites lithinifères au Québec grâce à une approche géométallurgique, en mettant l’accent sur la compréhension minéralogique de ces minéralisations. La géométallurgie, qui combine des informations géologiques, minéralogiques, chimiques et métallurgiques afin d’améliorer la connaissance des gisements, d’optimiser l’extraction et de réduire les risques techniques, est une approche multidisciplinaire essentielle pour relever ce défi. L’étude a combiné une caractérisation minéralogique quantitative, une analyse géochimique et des essais de broyage pour une gamme de lithologies provenant de deux gisements afin d’établir des relations entre les assemblages minéraux, leurs textures, les caractéristiques des minéraux porteurs de lithium et la dureté du minerai. Des techniques d’analyse à haute résolution, notamment la minéralogie automatisée (TIMA), la diffraction des rayons X (XRD) et les analyses chimiques, ont été utilisées. L’objectif de ce projet de recherche collaboratif était d’améliorer la compréhension minéralogique globale de ces minerais dans un contexte géométallurgique afin d’appuyer les stratégies de valorisation des ressources en lithium des pegmatites du Québec et leur exploitation durable.

Le procédé conventionnel d’extraction de lithium à partir d’un concentré de spodumène utilise de l’acide sulfurique pour produire une solution de sulfate de Li. Cependant, cette lixiviation acide n’est pas parfaitement sélective par rapport au lithium et entraîne une mise en solution d’impuretés telles que le Fe, l’Al, le Mn, le Si, le Mg, le Ca, etc. Le procédé inclut donc des étapes de purification visant à éliminer ces impuretés et obtenir une solution de sulfates de lithium de haute pureté qui est par la suite transformée en cristaux d’hydroxyde de lithium ou de carbonate de lithium.

Les solutions produites par le procédé conventionnel sont des milieux très basiques et riches en sulfate de lithium. Peu de données existent sur la solubilité des carbonates de calcium dans de tels systèmes. L’objectif de ce projet est d’étudier la solubilité des carbonates de calcium dans ce milieu et d’apporter une meilleure compréhension sur l’efficacité de la précipitation du calcium en fonction des paramètres de la réaction, tels que la température, la présence de carbonates dissous, la basicité du milieu et la concentration en sulfate de Li. L’étude a d’abord été réalisée avec des solutions synthétiques, puis avec des solutions représentatives issues de concentrés de spodumène. Un meilleur contrôle de cette opération permettra d’améliorer et de stabiliser les performances du procédé d’élimination du calcium, de diminuer les coûts de l’étape subséquente impliquant la résine échangeuse d’ions et de minimiser la consommation de réactifs.

Le spodumène constitue la principale source de lithium issue de roches dures pour la fabrication des matériaux de batteries. Le procédé conventionnel, basé sur la transformation du spodumène α en spodumène β suivie du grillage à l’acide sulfurique et d’une lixiviation à l’eau, permet d’obtenir des taux de récupération élevés, mais présente plusieurs défis majeurs. Il exige des températures élevées et d’importantes quantités de réactifs, génère des résidus acides difficiles à valoriser et nécessite des étapes de purification complexes.

Ces limites ont stimulé la recherche de procédés de rechange plus efficaces et respectueux de l’environnement. Deux approches prometteuses se dégagent des études récentes :

- Le grillage binaire, utilisant du sulfate de sodium et de l’oxyde de calcium à plus basse température, suivi d’une simple lixiviation aqueuse. Cette méthode assure une extraction élevée du lithium sans l’utilisation de réactifs acides ou alcalins à l’étape de lixiviation, limite la dissolution des impuretés, réduit la demande énergétique et produit des résidus neutres valorisables dans la céramique ou la construction.

- La lixiviation sous haute pression utilisant les chlorures alcalins (méthode à l’analcime), où le spodumène α est d’abord converti en phase β avant traitement en autoclave. Ce procédé offre une récupération élevée du lithium avec une codissolution minimale des impuretés et génère des résidus aluminosilicatés stables, principalement de l’analcime, un sous-produit neutre et réutilisable.

Ces procédés évitent l’usage d’acide sulfurique concentré et produisent des solutions plus propres, favorisant un raffinage du lithium plus durable. Toutefois, des études de faisabilité et des essais à l’échelle pilote demeurent nécessaires afin de valider leur applicabilité industrielle et d’évaluer les aspects économiques, environnementaux et de mise à l’échelle.

Éléments08 s’efforce, avec l’appui des ministères et des entreprises privées impliquées, de fournir des données scientifiques et techniques qui seront utiles à la vision de développement de ses partenaires industriels qui exploitent le lithium au Québec. Le centre s’est donné trois objectifs de valorisation des rejets dans le cadre de ce projet. Le premier objectif vise à évaluer le potentiel de séparation et de concentration des minéraux de valeur autres que les minéraux lithinifères afin de réduire le volume de résidus finaux à stocker et à gérer à long terme. Le deuxième objectif vise à diminuer les teneurs de lithium résiduel dans les résidus dans un but d’amélioration continue du procédé. Le troisième consiste à évaluer les usages et les marchés potentiels pour ces rejets valorisés.

Après une caractérisation minéralogique des matériaux étudiés, des solutions techniques innovantes pour régler les problématiques industrielles actuelles, précises et priorisées sont explorées aux échelles laboratoire ou mini-pilote. Les données transférées aux partenaires leur permettront d’une part de planifier leurs développements futurs et, d’autre part, de tester ces approches à l’échelle industrielle et d’améliorer soit leur productivité, soit la qualité des produits. Afin de respecter les ententes, seuls les aspects généraux de ce projet seront présentés, en particulier, les possibilités et les défis rencontrés pour aider au développement durable de la transition énergétique, ainsi qu’à la mise en place d’une économie circulaire et d’un approvisionnement intérieur en minéraux stratégiques.