Offre de thèse
CPJ : Compréhension des mécanismes thermodynamiques et cinétiques de la séparation de métaux par chromatographie pour le développement de procédés hydrométallurgiques
Date limite de candidature
01-05-2026
Date de début de contrat
01-10-2026
Directeur de thèse
MUHR Laurence
Encadrement
Le projet de thèse s'inscrira au sein du LRGP, dans un environnement associant génie des procédés, modélisation et séparation réactive. Il bénéficiera d'un encadrement articulé entre expertise en chromatographie hydrométallurgique, modélisation mécanistique et valorisation procédé. Le doctorant conduira un travail combinant expérimentation, modélisation et analyse critique des mécanismes, avec un suivi régulier de l'avancement scientifique, des points bibliographiques structurés et une confrontation continue entre résultats expérimentaux et prédictions du modèle.
Type de contrat
école doctorale
équipe
Axe 1 - PERSEVAL - Procédés pour l'environnement, la sécurité et la valorisation des ressourcescontexte
L'hydrométallurgie repose encore majoritairement sur l'extraction liquide-liquide pour la séparation des métaux, mais l'évolution des ressources, la complexification des matrices à traiter et la recherche de procédés plus sobres conduisent à reconsidérer la chromatographie comme voie alternative. Les résines chélatantes apparaissent particulièrement intéressante pour la récupération sélective de métaux en milieu acide, mais leurs fonctionnements restent imparfaitement compris, notamment à l'interface entre adsorption, échange d'ions, protonation de la phase stationnaire et spéciation métallique en solution.spécialité
Génie des Procédés, des Produits et des Moléculeslaboratoire
LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés
Mots clés
Hydrométallurgie, Chromatographie, Echange d'ions, Modélisation
Détail de l'offre
Le projet de thèse vise à développer une compréhension mécanistique et prédictive de la séparation de métaux par chromatographie en milieux hydrométallurgiques complexes, avec un positionnement fortement centré sur la simulation numérique et le développement de code. Dans un contexte où l'hydrométallurgie repose encore largement sur des procédés conventionnels de séparation, la chromatographie constitue une voie prometteuse pour traiter des solutions acides complexes, à condition de mieux décrire les phénomènes qui gouvernent la rétention, l'élution et la sélectivité des espèces métalliques sur résines fonctionnelles. Les travaux préliminaires montrent en effet que les mécanismes en jeu restent partiellement incompris, notamment en ce qui concerne le rôle du pH, de la spéciation en solution, de la protonation de la phase stationnaire et de la compétition entre espèces métalliques.
La thèse aura pour premier objectif de construire et d'enrichir des modèles mécanistiques capables de représenter de manière cohérente les équilibres thermodynamiques associés à la capture et à l'élution des métaux en milieu aqueux acide. Il s'agira de développer, dans la continuité des codes de calcul de chromatographie existants, des outils numériques décrivant à la fois les bilans de matière en colonne, les équilibres chimiques, la spéciation des espèces en solution et leurs interactions avec la phase solide. L'enjeu est de disposer de modèles suffisamment génériques pour traiter des milieux multi-composants et prédire les courbes de percée et d'élution dans des conditions opératoires variées.
Le second objectif portera sur l'identification et la modélisation des limitations cinétiques qui freinent aujourd'hui l'adoption industrielle de cette technologie. Les résultats préliminaires montrent que la seule thermodynamique ne suffit pas à reproduire l'ensemble des comportements observés, et que des limitations liées aux transferts de matière ou à la vitesse de sorption doivent être prises en compte pour représenter correctement l'étalement des fronts, certains plateaux à bas pH et les profils d'élution. La thèse cherchera ainsi à discriminer les contributions respectives du transfert externe, du transfert intraparticulaire et des cinétiques locales de sorption, afin d'établir un cadre de modélisation robuste pour le changement d'échelle et l'intensification des procédés.
Le cœur du travail reposera donc sur la conception, le codage, le test et la validation de nouveaux développements numériques pour la chromatographie préparative appliquée à l'hydrométallurgie. Les données expérimentales réalisées au laboratoire auront pour rôle principal de confronter les prédictions des modèles aux comportements réellement observés, de quantifier les écarts et de guider les choix de modélisation. L'ambition finale est de produire des outils de simulation physiquement fondés, capables non seulement d'éclairer les mécanismes de séparation, mais aussi d'aider à la conception de procédés chromatographiques plus performants, plus prédictifs et mieux adaptés aux contraintes industrielles. Ce projet s'inscrit dans le cadre du LRGP, de l'Université de Lorraine, et dans des thématiques à fort impact pour l'industrie, l'innovation et la transition des procédés.
Keywords
Hydrometallurgy, Chromatography, Ion exchange, Modeling
Subject details
The PhD project aims to develop a mechanistic and predictive understanding of metal separation by chromatography in complex hydrometallurgical media, with a strong emphasis on numerical simulation and code development. While hydrometallurgy still relies largely on conventional separation processes, chromatography appears to be a promising alternative for treating complex acidic solutions, provided that the phenomena governing metal retention, elution, and selectivity on functional resins are better understood. Preliminary work shows that the underlying mechanisms remain only partially clarified, particularly regarding the respective roles of pH, aqueous speciation, stationary-phase protonation, and competition between metallic species. The first objective of the thesis will be to build and extend mechanistic models capable of consistently describing the thermodynamic equilibria involved in metal uptake and elution in acidic aqueous media. Building on existing chromatography calculation codes, the work will focus on developing numerical tools that account simultaneously for column mass balances, chemical equilibria, solution speciation, and interactions with the solid phase. The goal is to obtain sufficiently generic models to describe multicomponent systems and to predict breakthrough and elution curves under a wide range of operating conditions. The second objective will address the identification and modelling of the kinetic limitations that currently hinder the industrial deployment of this technology. Preliminary results indicate that thermodynamics alone is not sufficient to reproduce all observed behaviors, and that mass-transfer limitations or sorption-rate effects must be incorporated to correctly represent front spreading, low-pH plateaus, and elution profiles. The thesis will therefore seek to distinguish the respective contributions of external mass transfer, intraparticle diffusion, and local sorption kinetics, in order to establish a robust modelling framework for scale-up and process intensification. The core of the work will thus rely on the design, coding, testing, and validation of new numerical developments for preparative chromatography applied to hydrometallurgy. Experimental data produced in the laboratory will primarily serve to confront model predictions with observed behavior, quantify discrepancies, and guide modelling choices. The overall ambition is to deliver physically grounded simulation tools that can both improve the understanding of separation mechanisms and support the design of more efficient, more predictive chromatographic processes better suited to industrial constraints. The project is embedded in the LRGP and the University of Lorraine, and falls within research themes with strong relevance for industry, innovation, and process transition.
Profil du candidat
Le ou la candidate devra être titulaire d'un Master 2 ou d'un diplôme d'ingénieur en génie des procédés ou génie chimique. Le projet étant fortement orienté vers la construction de modèles, le codage et l'analyse de données, le candidat devra avoir de bonnes bases en thermodynamique, transferts de matière, modélisation mathématique et, idéalement, en procédés de séparation. Une bonne maîtrise d'au moins un environnement de calcul scientifique tel que Python, Matlab ou Julia est attendue. Des connaissances en chromatographie, en hydrométallurgie ou en équilibres chimiques en solution constitueront un atout pour appréhender plus rapidement les enjeux du sujet, centré sur la compréhension des mécanismes thermodynamiques et cinétiques de la séparation de métaux en milieux complexes.
Le ou la candidate devra également être capable d'évoluer à l'interface entre modélisation et validation expérimentale. Les données existantes issues de la littérature et du laboratoire serviront à construire les premiers modèles, puis de nouvelles données seront produites pour confronter les prédictions aux comportements observés. Le profil recherché est donc celui d'une personne rigoureuse, autonome, à l'aise avec l'analyse critique de données, capable de proposer des hypothèses physiques pertinentes et de les traduire en outils numériques robustes. Un bon niveau d'anglais scientifique et de bonnes qualités rédactionnelles seront enfin appréciés pour la valorisation des travaux.
Le ou la candidate devra avoir préalablement répondu au questionnaire disponible à l'adresse suivante (https://forms.gle/5rzeWx6ynRrRt8YT9) avant l'entretien.
Candidate profile
The candidate should hold a Master's degree or an engineering degree in process engineering or chemical engineering. As the project is strongly focused on model development, coding, and data analysis, the candidate is expected to have solid background knowledge in thermodynamics, mass transfer, mathematical modelling, and, ideally, separation processes. Good command of at least one scientific computing environment such as Python, Matlab, or Julia is required. Prior knowledge in chromatography, hydrometallurgy, or chemical equilibria in solution would be an asset to more rapidly address the scientific challenges of the project, which focuses on understanding the thermodynamic and kinetic mechanisms governing metal separation in complex media.
The candidate should also be comfortable working at the interface between modelling and experimental validation. Existing data from the literature and from the laboratory will be used to build the first models, which will then be confronted with new experimental data generated to compare predictions with observed behaviour. The ideal candidate is therefore rigorous, autonomous, and comfortable with critical data analysis, with the ability to formulate relevant physical hypotheses and translate them into robust numerical tools. A good level of scientific English and strong writing skills will also be appreciated for the dissemination of the results.
The candidate must have completed the questionnaire available at the following address before the interview: (https://forms.gle/5rzeWx6ynRrRt8YT9).
Référence biblio
* J. L. Sides et C. T. Kenner, «Effect of pH and Ionic Strength on the Distribution Coefficients of Alkaline Earth Metals and Nickel with Chelating Ion-Exchange Resins.», Anal. Chem., vol. 38, nᵒ 6, p. 707‑711, mai 1966, doi: 10.1021/ac60238a009.
* A. Deepatana, J. A. Tang, et M. Valix, « Comparative study of chelating ion exchange resins for metal recovery from bioleaching of nickel laterite ores », Minerals Engineering, vol. 19, no 12, p. 1280‑1289, sept. 2006, doi: 10.1016/j.mineng.2006.04.015.
* C. J. Liebenberg, «Recovery of base metals from a sulphate-based bioleach solution using commercially available chelating ion exchange resins and adsorbents», Masters Degrees (Chemical Engineering), Stellenbosch University, 2012.