Titre de l'écran-titre (visionné le 7 juillet 2023) / Cette thèse tente de répondre à la question suivante : quel est le coût de la séparation des éléments de terres rares par le procédé d'extraction par solvant ? Pour arriver à répondre à la question, un outil de simulation spécifique à la séparation des éléments de terres rares (ETR) par extraction par solvant est développé. L'approche fondamentale du modèle utilise les constantes d'équilibre de la réaction d'extraction pour produire des simulations robustes et plus précises que les autres méthodes de simulation du procédé rapportées dans la littérature. L'approche proposée permet d'intégrer dans les simulations l'ensemble des paramètres opératoires d'un circuit de séparation réel, dont certains sont rarement considérés tels le degré de saponification ou les reflux entre les bancs de mélangeurs-décanteurs. Le modèle utilise une approche itérative à plusieurs niveaux de différents objets programmés afin d'obtenir une solution pour un sous-circuit comportant plusieurs mélangeurs-décanteurs agencés dans des bancs d'extraction, d'élution partielle et d'élution pour une de séparation entre deux éléments ou groupes d'éléments. Les prédictions du modèle sont confrontées avec succès à des résultats d'un pilotage d'un circuit de séparation des ETR. Le simulateur est utilisé pour étudier l'effet des facteurs de séparation, convertis par la suite en constantes d'équilibre, sur la facilité de séparation et développer différentes stratégies d'optimisation de consommation de réactifs, principalement pour l'étape d'élution d'un circuit. Les simulations montrent que le nombre de mélangeurs-décanteurs nécessaire à une séparation est le principal facteur affecté par une variation dans les facteurs de séparation, alors que la consommation en réactifs est affectée dans une moindre mesure. Le simulateur permet de faire la conception d'usines de séparation des ETR. En plus de détailler les paramètres de conception et d'opération des usines, les coûts d'opération et en capital sont estimés. Une usine alimentée a 10 t/j d'un concentré d'oxydes de terres rares (OTR) effectuant la majorité des séparations des ETR produisant 9 oxydes de terres rares couterait 405 M$ à construire et exigerait des coûts d'opération de 26 298 $ /t de concentré mixte d'OTR alimenté, alors qu'une usine séparant seulement les ETR générant le plus de revenus couterait 101 M$ et 9 805 $/t d'OTR à opérer. La simulation démontre, chiffres à l'appui, que basé sur les prix des OTR de 2021, la construction d'une usine comprenant une pré-séparation du cérium par précipitation et ne produisant que des oxydes de La, Pr-Nd, Tb et Dy est la solution la plus rentable, permettant de générer un bénéfice de 46 595 $/t d'OTR alimenté. Afin de quantifier objectivement la qualité de séparation d'un circuit en considérant l'aspect économique de la séparation, un indice de performance économique est développé ainsi qu'un calcul du flux monétaire généré pour une séparation tenant compte de la consommation en réactif. L'outil de simulation est utilisé pour déterminer des stratégies d'optimisation économique de l'opération d'une usine fictive. En cas de fluctuation des prix des ETR, il est possible de modifier le circuit pour cibler les ETR de valeur et diminuer les coûts d'opération afin de conserver la rentabilité de l'usine. Dans le cas où l'alimentation de l'usine changerait à la suite d'un changement dans la composition de son alimentation, le simulateur permet de déterminer les conditions d'opération à ajuster afin de conserver les puretés des produits telle la concentration en HCl des solutions d'élution partielle. / This thesis attempts to answer the following question: what is the cost of separating rare earth elements using the solvent extraction process? To achieve this, a simulation software specific to REE separation by solvent extraction is developed. The model fundamental approach using the equilibrium constants of the extraction reaction allows to produce robust and more accurate simulations than other process simulation methods reported in the literature. This approach allows to integrate all the parameters of a real circuit, some of which are rarely considered such as the degree of saponification or the reflux between the batteries of mixers-settlers. The model uses a multi-level iterative approach based on object-programming to obtain a solution for a defined separation sub-circuit. The predictions of the model are successfully confronted with results of a pilot REE separation circuit. The simulator is used to study the effect of separation factors on the ease of separation and to develop different optimization strategies for reagent usage, mainly for the elution stage of a circuit. The simulation shows that the number of mixer-settlers required for a circuit is the variable mostly affected by a variation in the separation factors, while reagent consumption is affected to a lesser extent. The simulator allows the design of different REE separation plants. In addition to detailing the design and operating parameters of the plants, the operating and capital costs are estimated. A plant fed with 10 t/d of rare earth oxide (REO) concentrate performing the majority of REE separations with 9 separated rare earth oxides would cost 405 M$ to build and 26 298 $/t of REO to operate with a marginal profit. On the other hand, a plant separating only the most valuable REE would cost $101 M and 9 805 $/t of REO fed to operate and would generate a profit of 46 595 $/t of REO fed based on 2021 REO prices. Simulation also shows that the construction of a plant including pre-separation of cerium by precipitation and producing only La, Pr-Nd, Tb and Dy oxides is the most cost-effective solution; an intuition of many authors, that is mathematically demonstrated here. In order to objectively quantify the separation quality of a circuit by considering the economic aspect of the separation, an economic performance index is developed as well as a calculation of the cash flow generated for a separation taking into account the reagent consumption. The simulation tool is used to determine economic optimization strategies for a virtual plant. In case of fluctuating REE prices, it is possible to modify the circuit operating strategy to target valuable REE and decrease the operating costs in order to keep the plant profitable. In case the plant feed changes due to differences in the composition of the REO concentrates purchased from different mines, the simulator can be used to determine the operating conditions to be adjusted in order to keep the products purities on target.

Les éléments terres rares (ETRs) sont un groupe de 17 métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium, l'yttrium, et les 15 lanthanides. Ces éléments sont indispensables à la production de nombreux appareils de haute technologie et incontournables dans le développement des énergies durables. Contrairement à ce que suggère leur appellation, les ETRs sont assez répandus dans la croûte terrestre, alors que leur extraction, à savoir l’extraction liquide-liquide (ELL), est extrêmement difficile, coûteuse et surtout polluante. Afin de fournir une alternative aux procédés industriels, les matériaux mésoporeux à base de silice ont été sollicités à titre d’adsorbant dans l’extraction sur phase solide. Ces matériaux structurés sont intéressants pour l’adsorption d’ETRs puisqu’il est possible d’en modifier simplement la surface avec des ligands adaptés pour l’application voulue. Dans cette thèse, deux séries de ligands à base de structure phthaloyl diamide (PA) et phenylenedioxy diamide (PDDA) ont été synthétisés et greffés sur la surface de matériaux mésoporeux à base de silice KIT-6. Il s’avère, aux vues des résultats obtenus, que ces adsorbants permettent d’extraire sélectivement les éléments de taille différente selon le bite angle du ligand greffé, tandis que la sélectivité n’a pas été observée pour ses analogues homogènes sous la condition de l’extraction liquide-liquide. En plus, les réseaux bimodaux monolithiques qui présentent simultanément des mésopores ainsi que des macropores (pores > 50 nm) sont avantageux, surtout pour l’extraction en conditions dynamiques (en colonne). Les mésopores permettent d’augmenter la surface spécifique du matériau ainsi la surface de contact entre l’agent actif et la solution. Les macropores, quant à eux, améliorent la capacité de transport des fluides, permettant d’éviter l’accumulation des produits et d’ainsi de bloquer les sites actifs. Dans cette étude, des monolithes à base de silice de taille de quelques centimètres ont été obtenus. Après la fonctionnalisation avec le ligand diglycolamide (DGA), les monolithes révèlent des profils de sélectivité exceptionnels envers le Th(IV) dans l’extraction en colonne. La technique concernant les matériaux à empreinte ionique rend possible une sélectivité spécifique. Dans ce cas-ci, la synthèse de matériaux a été réalisée par la co-condensation entre l’organosilane et le précurseur siliceux en présence d’ion Dy3+. Par la suite, la molécule empreinte est enlevée, laissant derrière elle les sites de liaisons et une cavité ayant la forme et la taille du Dy3+. Ainsi, les silices empreintes sont capables de séparer spécifiquement et sélectivement l’ion Dy3+. Dans tous les trois systèmes présentés ici, ces matériaux peuvent aussi être considérés comme étant intéressants pour les applications industrielles, tant en terme de la stabilité sous les conditions d’adsorption testées, que de la sélectivité et de la capacité d'adsorption envers les échantillons de déchets minéraux. / Rare Earth Elements (REE) are a group of 17 chemically similar metals that have gained an increasing importance over the past decades, due to their unique properties and many applications in high-tech products. The term “rare” is rather deceptive, since they are quite abundant in the Earth’s crust. However, their extraction and purification can be challenging, and the industrial extraction processes of REEs are often costly and environmentally hazardous. This thesis aims at developing a competitive solid-phase extraction system, based on functional porous silica materials, for the selective extraction of REEs in solution that can be industrially applied. In particular, ordered mesoporous silica (OMS) is a versatile platform that can offer large specific surface area, variety in material structures and morphologies, and stability under applied extraction conditions. Furthermore, the surface properties of OMS allow for easy functionalization with a variety of organic ligands, which largely influence the extraction performance of the sorbents. In this work, the OMS KIT-6 were functionalized by grafting two series of chelating ligands on the silica surface, i.e., preorganized bidentate phthaloyl diamide (PA) ligands and tetradentate phenylenedioxy diamide (PDDA) ligands. By fine-tuning of the bite angles of these chelating ligands, we successfully separated REEs into three categories based on their ionic radius. However, the use of small size particles as packing materials is often associated with a high backpressure of the column, thus limiting their industrial applicability in high flow-rate chromatography analysis. Therefore, the hierarchically structured silicas that contain both macropores (pore size > 50 nm) and mesopores are highly desirable. We report in this work a highly stable silica monolith exhibiting a bimodal, hierarchical macroporous-mesoporous structure for continuous column extraction. Upon grafting of diglycolyl amide (DGA) ligand, the applicability of the column was demonstrated by the removal of Th(IV) from two REE mineral leachates with largely enhanced kinetics and extraction capacity. Finally, in order to further improve the selectivity of sorbents, molecular recognition approach was applied to synthesize highly ordered ion imprinted mesoporous silica (IIMS) through co-condensation using a combination of molecular imprinting technology and traditional OMS, in which dysprosium ion was used as the template. After template removal, the IIMS showed attractive recognition capacity toward Dy3+ from mild acidic solution. Beside the excellent selectivity, in all the three proposed systems, the sorbents were also proven robust and were able to be regenerated for multiple cycle uses, further demonstrating their potential for industrial applications.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Cette thèse de doctorat porte sur l'application des liquides ioniques à base de phosphonium et d'ammonium pour l'enrichissement des minéraux à base d'éléments de terres rares. Le manuscrit de thèse a été divisé en quatre parties principales. Tout d'abord, l'utilisation des liquides ioniques à base de phosphonium et d'ammonium a été explorée dans trois procédés différents pour la valorisation des minéraux de terres rares. Ces trois approches ont été examinées pour des minéraux à base d’éléments de terres rares contenus dans un minerai complexe en provenance du gisement Niobec au Québec ainsi que des minéraux modèles de monazite et de bastnäsite associés à la gangue du minerai Niobec. Par la suite, l'application de ces liquides ioniques à l'extraction par solvant des éléments des terres rares a été étudiée par simulation à l’aide d’outil de chimie quantique. Dans le premier cas de valorisation des minéraux de terres rares, l'application d'un liquide ionique à base de phosphonium /ammonium comme collecteur aqueux pour la flottation par moussage de minéraux des terres rares a été étudiée. Dans cette étude, le liquide ionique a été identifié pour posséder des performances supérieures à celles offertes par les collecteurs classiques utilisés en industrie comme les collecteurs dérivés de l'acide hydroxamique industriel. Les interactions anioniques et cationiques du liquide ionique durant la flottation des minéraux d’éléments de terres rares ont été scrutées en détail pour révéler qu’une voie de synergie interne explique en partie les résultats de la flottation en terme de chimisorption de la partie anionique et de la physisorption et de la partie cationique du liquide ionique. Dans le deuxième cas d'enrichissement des minéraux de terres rares, le potentiel de la séparation minérale liquide (aqueuse)-liquide (organique) au moyen de trois types de liquides ioniques à base de phosphonium /ammonium a été étudié. Cette approche s'est avérée supérieure à la micro-flottation conventionnelle appliquée aux mêmes minéraux en termes de sélectivité. De même, il a été démontré que ce procédé peut être appliqué avec efficacité sur une large gamme de pH (4-9) et pour des particules finement broyées (- 105 μm) pour fins de valorisation des minéraux de terres rares. Il a été révélé que l'interaction du liquide ionique sur les surfaces minérales se produisait en phase aqueuse, en phase aqueuse-organique et également en phase organique favorisant ainsi l'activation des minéraux et la séparation subséquente. Dans le troisième cas d'enrichissement des minéraux de terres rares, le potentiel de séparation dans un mélange de deux liquides ioniques immiscibles a enfin été exploré. Un liquide ionique à base de phosphonium / ammonium comme phase dispersées sous forme de gouttelettes et trois liquides ioniques différents faisaint office de phase continue ont été utilisés pour évaluer cette nouvelle approche d'enrichissement des minéraux d’éléments de terres rares. Ce processus s’est avéré très prometteur en tant qu'alternative d'enrichissement des minéraux à base d’éléments de terres rares comparativment aux deux approches précédentes en termes de sélectivité et de récupération des éléments de terres rares. Enfin dans la dernière partie de la thèse, des simulations de type chimie quantique basée sur la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) ont été mises en oeuvre pour proposer une méthode de classification reposant sur la stabilité de la formation de complexes à partir de trente différents liquides ioniques à base de phosphonium aidant à l'extraction par solvant des éléments de terres rares solvatés. Cette étude a d'une part montré que les liquides ioniques choisis peuvent être appliqués plus efficacement pour l'extraction par solvant des éléments de terres rares contenus dans les solutions aqueuses après digestion acide des minéraux par l’acide nitrique ou chlorhydrique plus que lors d’un recours à l'acide sulfurique. Il a ensuite été démontré que les groupements anioniques des liquides ioniques testés sont capables de former directement des liaisons covalentes par complexation avec les éléments des terres rares solvatés. Au contraire, les interactions des groupements cationiques ont été plus faibles se résumant à des interactions de sphère externe par rapport au complexes formés. Ce travail de recherche a permis d’explorer la faisabilité dans l'application des liquides ioniques à base de phosphonium au traitement des minéraux et des métaux de terres rares. Les résultats obtenus durant cette étude pourront contribuer à une meilleure compréhension de l’apport des liquides ioniques au secteur des industries des terres rares afin en ayant pour cible l'amélioration de l'efficacité des procédés d'enrichissement des minéraux et d'extraction par solvant des éléments de terres rares dissous. / This Ph.D. thesis examines the application of phosphonium/ammonium based ionic liquids in the beneficiation of rare earth element bearing minerals. It has been divided into four main parts. Firstly, the use of phosphonium/ammonium based ionic liquids in three different approaches for rare earth element minerals beneficiation has been explored. These three processes were examined for actual rare earth elements bearing complex ore from Niobec deposit as well as for its constitutive model minerals consisting of monazite and bastnäsite associated with other gangue minerals. Subsequently, application of phosphonium based ionic liquids in rare earth elements solvent extraction has been studied from quantumchemistry point of view. In the first process in rare earth element minerals beneficiation, application of a phosphonium/ammonium based ionic liquid as an aqueous collector for froth flotation of rare earth element minerals was studied. In this study, the ionic liquid revealed superior performance to recover rare earth elements bearing minerals as compared with industrial hydroxamic acid collectors. The ionic liquid anionic and cationic moieties interactions during rare earth element minerals flotation were rationalized in terms of an inner synergistic pathway, meaning that the uptake of both cationic and anionic moieties through ionic liquid collector adsorption occurred altogether. In the second process in rare earth element minerals beneficiation, the potential of liquid-liquid mineral separation mediated by means of three types of phosphonium/ammonium based ionic liquids to beneficiate rare earth elements bearing minerals was studied. This process was found to outperform micro-flotation of the same minerals in terms of selectivity. Likewise, it was shown that this process can be effectively applied over a wide range of pH (4-9) and for fine particle sizes (-105 μm) in rare earth element minerals beneficiation. Interaction of the ionic liquid on the mineral surfaces occurred in aqueous phase, aqueousorganic phases interface and also in the organic phase thereby promoting minerals activation and next separation. In the third process in rare earth element minerals beneficiation, the potential of ionic liquid-ionic liquid mineral separation process as a novel ionic liquid-based system to beneficiate rare earth elements bearing minerals was investigated. A phosphonium/ammonium based ionic liquid as droplet phase and three different ionic liquids as continuous phase were used to assess this approach of beneficiation of rare earth elements bearing minerals. This process revealed high potential, as an alternative, to beneficiate rare earth elements bearing ore as it even outperformed the two previous processes in terms of selectivity and rare earth elements recovery. In the last part of this thesis, quantum chemistry simulations based on DFT have been undertaken to rank the complex-forming ability of thirty different phosphonium based ionic liquids in solvent extraction of rare earth elements. This study firstly indicated that phosphonium based ionic liquids can be applied more effectively for solvent extraction of rare earth elements in pregnant solutions resulting from nitric and hydrochloride acids leaching process, and less by means of sulfuric acid leaching. It was also demonstrated that while anionic moieties of phosphonium based ionic liquids are able to make directly covalent bonds during complexation with rare earth elements, their cationic moieties can be involved in complexation through outer-sphere interactions. The implications of this research work include new insights towards application of phosphonium based ionic liquids into mineral and metal processing especially rare earth elements processing. Finding from this work can contribute to the rare earth industry in order to improve efficiency of mineral beneficiation and solvent extraction processes.

Les éléments de terres rares (ÉTR) sont des minéraux présents dans un grand nombre de technologies émergentes. Les ÉTR sont composées de 16 éléments. Il s’agit des lanthanides (éléments 57 à 71 du tableau périodique) en plus du scandium et de l’yttrium. Contrairement à ce que leurs noms insinu, les éléments de terres rares ne sont pas si rares. En effet, ces éléments sont dispersés un peu partout dans la croûte terrestre, mais se retrouvent généralement en faibles quantités. Malheureusement, la production des ÉTR à l’aide de minerais tels que la monazite n’est pas bénin pour l’environnement puisque de grandes quantités de déchets aqueux sont générées en plus de quelques tonnes de déchets radioactifs. Ainsi, l’exploitation de ressources alternatives est envisageable pour minimiser l’impact environnemental de l’extraction minière de gisement des ÉTR. Parmi ces ressources, les résidus miniers produits par la fabrication d’aluminium (résidus de bauxite ou boues rouges) semblent être une alternative intéressante. Les boues rouges, issues du procédé Bayer, contiennent majoritairement du fer et de l’aluminium mais également, dans une proportion moindre du thorium, de l’uranium et des ÉTR. L’objectif de ce mémoire est de développer une méthode d’extraction acide qui permet de lixivier sélectivement les ÉTR tout en minimisant les éléments de la matrice des résidus de bauxite (RB). Initialement, une digestion complète a été effectuée afin de connaître les concentrations des éléments présents dans la matrice des RB. Par la suite, des mises en solution avec des acides dilués (chlorhydrique, nitrique et sulfurique) ont été effectuées à différents pH, températures et temps de chauffages. Les ÉTR et les éléments radioactifs ont été analysés par ICP-MS/MS tandis que les éléments majeurs l’ont été par ICP-OES. Dans le but de simplifier les mises en solution, une technique statistique a été utilisée, c’est-à-dire les plans d’expériences. Cette technique permet de varier plusieurs paramètres en même temps, en plus de vérifier l’interconnectivité des paramètres étudiés. Lors de ces mises en solution, un pourcentage acceptable des ÉTR est extrait préférentiellement aux autres constituants de la matrice. Suivant l’étape de mise en solution, une extraction liquide-liquide avec un ligand de type diglycolamide et une coprécipitation sont effectuées afin de séparer les ÉTR des éléments co-lixiviés. / The rare earth elements (REE) are minerals presents in a growing number of new technologies. The REE are composed of 16 elements. They are the lanthanides (elements 57 to 71 from periodic table) with the scandium and yttrium. Despite their names, these elements are not so rare. However, they are scattered throughout the earth crust and found in small quantities. Unfortunately, the production of the REE using ores such as monazite has significant environmental impacts since it is producing large quantities of wastes which some are radioactive. New alternative sources are now considered to minimize the environmental impact on the REE exploitation. Among the resources, the mining residues from the production of alumina (bauxite residues or red mud) are an interesting option. The red mud from the Bayer’s process contain mainly iron and alumina but also some thorium, uranium and REE. The objective of this work is to develop an acid based leaching method to perform the selective extraction of REE while minimizing the solubilisation extraction of matrix elements of the bauxite residues (BR). First, a complete digestion of the BR was done to determine the concentration of the constituting elements. Then, leaching experiments with diluted acids (hydrochloric, nitric and sulfuric) were done at different pH, temperatures and heating times. The REE and the radioactive elements were analysed by ICP-MS/MS whereas the matrix elements were analysed by ICP-OES. To simplify the investigation of the various solubilisation conditions, a statistical method was used e.g. the factorial design. This method enables the study of several parameters simultaneously and identifies the interconnectivity of the parameters. During the leaching investigation, a suitable percentage of REE were extracted over the other constituents of the matrix. After that, a liquid-liquid extraction with a diglycolamide ligand and a co-precipitation were done the separate the REE from the co-leached constituents of the matrix.

La scheelite, la tourmaline et le rutile des gisements d'or orogénique, encaissés dans des roches de composition et de faciès métamorphique variés ont été étudiés pour établir des paramètres discriminants pour contraindre les campagnes utilisant les minéraux indicateurs pour l'exploration aurifère. La texture et les associations minérales ont été investiguées par microscopie optique et microscopie électronique à balayage (MEB). La scheelite, la tourmaline et le rutile présentent une grande variabilité de taille, de texture et d'association minérale, qui ne sont pas informatives pour les campagnes de minéraux indicateurs. La composition minérale a été déterminée par microsonde électronique (EPMA) et ablation laser et spectroscopie de masse avec plasma couplée par induction (LA-ICP-MS). Les résultats ont été investigués par des diagrammes élémentaires et des analyses multivariées incluant des analyses en composantes principales (PCA) et des analyses de réduction des moindres carrées (PLS-DA). La composition et le faciès métamorphique des roches encaissantes régionales exercent un fort contrôle sur la composition en éléments traces de la scheelite, de la tourmaline et du rutile. Dans la scheelite, Sr, Pb, U, Th, Na, Éléments des Terres Rares (ETR) et Y; dans la tourmaline Ga et Sn; et dans le rutile Nb, Ta, V et Cr varient avec la composition de la roche encaissante. Dans la scheelite, ETR, Y, Sr, Mn, Nb, Ta et V; dans la tourmaline, Ga, Sn, Ti, ETR, Zr, Hf, Nb, Ta, Th et U; et dans le rutile Nb, Ta, V et Cr varient avec le faciès métamorphique des roches encaissantes. La composition en éléments traces de la scheelite varie avec l'âge de la roche encaissante alors que la tourmaline et le rutile ne montrent pas de variation compositionnelle avec l'âge de l'encaissant. La variation compositionnelle résulte des échanges fluide-roche lors de la circulation du fluide hydrothermal jusqu'au site de dépôt de l'or. Les résultats pour les minéraux des gisements d'or orogénique sont comparés avec ceux d'autres types de gîtes et de paramètres géologiques variées de la littérature. La scheelite et la tourmaline des gisements d'or orogénique présentent clairement une variation compositionnelle distincte comparée à celle d'autres types de gîtes et paramètres géologiques. La scheelite des gisements d'or orogénique a une signature distincte en Sr, Mo, Eu, As et Sr/Mo mais similaire en ETR par rapport à la scheelite provenant d'autres types de gîtes. Les diagrammes binaires tels que Sr/Li vs V/Sn, Sr/Sn vs V/Nb, Sr/Sn vs Ni/Nb et Sr/Sn vs V/Be discriminent la tourmaline des gisements d'or orogénique de celle provenant d'autres sources. Les diagrammes élémentaires mettent en avant une variation transitionnelle de la composition en éléments traces de la tourmaline provenant d'environnement métamorphique, à hydrothermal-magmatique, à magmatique. Le rutile des gisements d'or orogénique a une composition distincte en Mn, V, Sn, Sb et W comparée aux rutiles provenant d'autres types de gîtes et paramètres géologiques. Les diagrammes binaires incluant V vs Sb et Nb/V vs. Sn/V discriminent le rutile des gisements d'or orogénique et celui provenant des environnements magmatique-hydrothermaux et magmatiques. D'autres diagrammes binaires tel que Nb/V vs W permettent de distinguer partiellement le rutile des gisements d'or orogénique et celui provenant d'environnement hydrothermaux et métamorphique-hydrothermaux. / Scheelite, tourmaline and rutile from orogenic gold deposits and districts, hosted in varied country rocks and metamorphic facies of various ages were investigated to establish discriminant features to constrain indicator mineral surveys for gold exploration. Texture and mineral associations were investigated by optical microscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM). Scheelite, tourmaline and rutile present a wide range of size, texture, and mineral association that are not informative for indicator mineral surveys. Mineral composition was determined using Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA) and Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (LA-ICP-MS). Results were investigated with elemental plots and multivariate statistics including Principal Component Analysis (PCA) and Partial Least Square-Discriminant Analysis (PLS-DA). The composition of the metamorphic facies of the local country rocks as well as the regional country rocks exert a strong control on scheelite, tourmaline and rutile trace element composition. In scheelite Sr, Pb, U, Th, Na, REE and Y; in tourmaline Ga and Sn; and in rutile Nb, Ta, V and Cr vary with the country rock composition. In scheelite, REE, Y, Sr, Mn, Nb, Ta and V; in tourmaline, Ga, Sn, Ti, REE, Zr, Hf, Nb, Ta, Th and U; and in rutile Nb, Ta, V and Cr vary with the metamorphic facies of the country rocks. Scheelite trace element composition vary with the country rock age whereas tourmaline and rutile do not show any compositional variation with the country rock age. Compositional variation results of fluid-rock exchange during fluid flow to gold deposition site. Results for minerals from orogenic gold deposits are compared with those from various deposit types and geological settings from literature. Scheelite and tourmaline from orogenic gold deposits present clearly a distinct compositional variation, compared to scheelite and tourmaline from other deposit types and geological settings. Scheelite from orogenic gold deposits have distinct Sr, Mo, Eu, As and Sr/Mo, but indistinguishable REE signatures, compared to scheelite from other deposit types. Binary plots such as Sr/Li vs V/Sn, Sr/Sn vs V/Nb, Sr/Sn vs Ni/Nb and Sr/Sn vs V/Be discriminate orogenic gold deposit tourmaline from that from other sources. Elemental plots highlight a transitional variation in the trace element composition of tourmaline from metamorphic, to hydrothermal-magmatic to, magmatic environments. Rutile from orogenic gold deposits has a distinctive Mn, V, Sn, Sb and W composition compared to those from various deposits types and geological settings. Binary diagrams, including V vs Sb and Nb/V vs Sn/V, discriminate rutile from orogenic gold deposits from those from hydrothermal-magmatic and magmatic deposit types. Other binary diagrams, such as Nb/V vs W, discriminate partially orogenic gold deposit rutile from hydrothermal and metamorphic-hydrothermal environments.

La synthèse et la caractérisation de nanoparticules de polymère dopées d’un complexe luminescent et de nanoparticules d’argent ont été réalisées. La polymérisation en mini-émulsion a permis d’obtenir des nanoparticules de polystyrène dopées d’un complexe luminescent. La concentration de complexe d’europium maximale pouvant être atteinte, sans qu’il y ait déstabilisation de l’émulsion, est de 2% (m/m). Il est également possible de préparer des nanoparticules de polymère contenant le complexe luminescent, ainsi que des nanoparticules métalliques. Pour ce faire, le complexe et les nanoparticules métalliques doivent être dispersés dans le monomère de départ. Il est donc nécessaire de modifier la surface des nanoparticules métalliques afin qu’il y ait une bonne affinité entre les nanoparticules métalliques et le polymère. Il est intéressant de confiner les nanoparticules métalliques dans la même particule de polymère que le luminophore afin d’observer leur impact sur la luminescence. Le rehaussement ou l’exaltation de la luminescence au voisinage de nanoparticules métalliques est un phénomène bien connu. Lorsqu’une nanoparticule métallique est excitée par une onde électromagnétique qui correspond à la fréquence de résonnance du nuage électronique de la particule, une augmentation du champ électrique est engendrée à proximité de la particule et a pour effet de rehausser la luminescence des luminophores à proximité. Les propriétés optiques des nanoparticules hybrides obtenues (polystyrène/complexe luminescent/argent) montrent, qu’effectivement, en présence d’argent, une augmentation de l’intensité lumineuse peut être observée.

Les terres rares (TRs) sont des métaux stratégiques du XXIe siècle dont la demande croissante résulte de leurs propriétés essentielles, notamment dans les domaines des énergies renouvelables, de la médecine et des hautes technologies. Ils sont classés en TR lourdes (HTRs), terres légères légères (LTRs) et non-lanthanides. Leur dissémination dans l'environnement, associée à une faible recyclabilité, fait des TRs des contaminants émergents pour lesquels les études de toxicité sont jusqu'à présent très disparates. Afin d’établir une base générale de la réponse cellulaire et moléculaire à un stress TRs, nous avons premièrement utilisé des stratégies complémentaires et à haut débit pour étudier la réponse, ainsi que l’absorption des TRs chez le modèle eucaryote Saccharomyces cerevisiae. Les deletome, transcriptome, protéome et ionome de la levure ont été analysés et approfondis par des analyses physiologiques ciblées. Bien que des réponses communes aux TRs et à d'autres métaux aient été mises en évidence, les réponses spécifiques aux TRs étaient prédominantes. La composition de la paroi cellulaire, la biosynthèse des sphingolipides, la voie ESCRT et l'endocytose sont des éléments clés de la réponse aux TRs. Deuxièmement, nous avons exploré les effets des TRs sur le transcriptome et le ionome du modèle végétal Arabidopsis thaliana. L'exposition des TRs a négativement impacté l'architecture racinaire, comme l'a révélé la modulation de gènes liés à l'auxine. De plus, le ionome a été modifié et les gènes liés à une carence en Fe largement représentés parmi les gènes les plus différentiellement exprimés. Afin d'identifier de nouvelles plantes modèles accumulant des TRs, des espèces de Phytolacca et de fougères ont été criblées. Malgré un trait d’accumulation des TRs conservé chez quelques genres de fougères et Phytolacca, un enrichissement en HTRs chez Phytolacca et en LTRs chez les fougères a été observé. Cependant, plusieurs espèces de Dryopteris présentent des teneurs contrastées en TRs dans les frondes et représentent de nouveaux modèles pertinents pour décrypter les mécanismes d’accumulation et de tolérance aux TRs. Globalement, des divergences ont été mises en évidence dans la réponse aux différentes TRs, en fonction de leur rayon ionique. La composition de la paroi cellulaire, la détoxification vacuolaire, mais aussi l’accumulation et le fractionnement des TRs ont souligné ces différences. Nous avons confirmé que les LTRs empruntaient les canaux calciques, tandis que de nouvelles preuves ont été données sur le rôle des transporteurs de Fe dans l'accumulation de HTRs. En conclusion, nous apportons ici de nouveaux éléments sur la toxicité et les spécificités des TRs, ainsi que des explications moléculaires pour certains effets déjà connus. Ce travail constitue un premier travail de base complet et multi-approches pour de futures études afin d’approfondir la compréhension de la toxicité des TRs chez les organismes vivants. / Rare earth elements (REEs) are strategic metals whose demand in the 21st century is increasing as a result of their essential properties useful to the fields of renewable energies, medicine, and high-technologies. They are classified as heavy REEs (HREEs), light REEs (LREEs) and non-lanthanides. Their dissemination in the environment, together with poor recyclability, leads REEs to be considered emerging contaminants, for which toxicity studies are currently very fragmented. To build a strong general foundation on the cellular and molecular response to REEs, we first adopted high-throughput and complementary strategies to study the REE stress response and their uptake in the unicellular eukaryotic model Saccharomyces cerevisiae. The deletome, transcriptome, proteome and ionome of yeast were analysed together with in-depth physiological experiments. Although common responses between REEs and other metals were highlighted, REE-specific responses were predominant. Cell wall composition, sphingolipid biosynthesis, the ESCRT pathway and endocytosis were emphasized as key elements in the cellular response to REEs. Second, we explored how REEs affect the transcriptome and ionome of the plant model Arabidopsis thaliana. REE exposure negatively affected the root architecture, as revealed by the modulation of auxin-related genes. REEs impaired the ionome, and Fe deficiency-related genes were largely represented among the most differentially expressed genes in both roots and leaves. Additionally, to identify new REE-accumulating plant models, collections of ferns and Phytolacca species were screened. Despite a conserved REE accumulation trait for Phytolacca and a few fern genera, HREE enrichment was observed in Phytolacca, while LREEs were preferentially transferred into the fronds of all fern species. However, several Dryopteris species harboured contrasting REE contents in the fronds. The latter species will be of great importance in deciphering the mechanisms of REE accumulation and tolerance. Overall, the response towards REEs differed according to their ionic radius. The cell wall composition, vacuolar detoxification, and the accumulation and fractionation of REEs notably accounted for these differences. Our findings support LREE-mediated entry through calcium channels, while new evidence was provided for the role of Fe transporters in the accumulation of HREEs. In conclusion, we have provided new insights into REE toxicity and specificities, together with the molecular elucidation of REE effects that have not previously been mechanistically explained. This work is a first multi-approach comprehensive groundwork that will be used for future studies to deepen the understanding and assessment of REE toxicity in organisms.

Ce travail s'inscrit dans la problématique du stockage en formation géologique profonde des verres borosilicatés de confinement des déchets de Haute Activité à Vie Longue (HAVL). Ces derniers contiennent des produits de fission et actinides mineurs issus des combustibles usés. Les terres rares font partie des produits de fission et peuvent simuler les actinides mineurs. De nouvelles formulations de verres pourraient conduire à une augmentation des teneurs en produits de fission. Dans ces conditions, il est particulièrement important de bien connaître à la fois l'influence des terres rares sur la structure du verre, que leur évolution au cours de l'altération par l'eau et leur influence sur les cinétiques d'altération du verre. Cette étude porte sur des verres borosilicatés simplifiés afin de limiter les effets de synergie entre les terres rares et d'autres éléments. Différentes approches complémentaires ont été mises en œuvre pour caractériser le verre sain et les pellicules d'altération (RMN haute résolution solide, spectroscopie Raman, fluorescence, SIMS, diffusion des RX aux petits angles ...). Le rôle structural de la terre rare est dans un premier temps discuté et a été comparé à celui du calcium. L'environnement local des terres rares a également été sondé. Dans un deuxième temps, l'effet des terres rares (nature et concentration) a été observé sur différents régimes d'altération (vitesse initiale et chute de vitesse). Enfin, suite à l'altération, les terres rares étant retenues au sein de la couche altérée, l'impact structural des terres rares (et leur environnement local) au sein de cette pellicule a aussi été investigué.

Ce travail s'inscrit dans le cadre général de l'étude structurale et magnétique de nanomatériaux magnétiques à base de terres rares (R) et de métaux de transition (T) dont le domaine d'application concerne les aimants permanents ou l'enregistrement magnétique à haute densité. Dans la recherche de nouvelles phases aux caractéristiques magnétiques performantes, nous nous sommes intéressés à l'alliage Pr2Co7 . Ce composé a des propriétés magnétiques dures intéressantes : température de Curie élevée et une anisotropie magnéto-cristalline uniaxiale importante. Du point de vue magnétique, les interactions d'échange Co-Co sont les plus fortes, suivies par les interactions R-Co, tandis que les interactions R-R sont très faibles. La dominance des interactions Co-Co induit des températures de Curie assez élevée dans les composés Pr2Co7 . L'anisotropie magnétocristalline résulte de la combinaison de deux anisotropies uniaxiales des réseaux de praséodyme et de cobalt. Afin de renforcer ces interactions, il s'avère nécessaire de substituer partiellement le cobalt dans les composés Pr2Co7 par un élément approprié tel que le fer qui a un rayon légèrement plus gros que celui du cobalt ou par insertion d'un élément léger tel qu’hydrogène ou le carbone qui peuvent augmenter les distances interatomiques et renforcer le moment magnétique. De plus, parallèlement à des propriétés magnétiques intrinsèques performantes, il est nécessaire d'optimiser les propriétés magnétiques extrinsèques de l'alliage par la recherche d'un état nonocristallin convenable correspondant aux applications potentielles. Les propriétés extrinsèques des composés Pr2Co7 n'ont été que très peu étudiées. Plusieurs méthodes ont été utilisées pour l'élaboration des nanomatériaux. Dans notre étude, nous avons mis en œuvre la technique de broyage à haute énergie suivie d'une recristallisation contrôlée, méthode de synthèse qui jusque-là n'avait pas encore été utilisée pour synthétiser ce type de composé. À cette échelle, la taille des grains devient de l'ordre de grandeur de la longueur d'échange. Cette méthode qui constitue un processus de synthèse hors équilibre, permet l'obtention de poudres nanostructurées métastables à partir d'un mélange de poudres élémentaires. Cette technique est particulièrement efficace dans le cas des alliages à base de terre rares (Pr, Sm...) qui sont extrêmement volatil. En effet, elle permet d'éviter l'état liquide puisque la réaction a lieu en dessous de la température de fusion et conduit à des quantités importantes reproductibles et homogènes d'alliages. Nous avons utilisé différentes méthodes de caractérisation à savoir : la diffraction de rayon X (DRX), la microscopie électronique à transmission (MET) couplée avec l'analyse EDX,la Magnéto/susceptométre Manics DSM-8 / This work falls within the general framework of the structural and magnetic nanomaterials based magnetic rare earth (R) and transition metal (T) whose domain of application concerns the permanent magnets or magnetic recording high density. In search of new magnetic phases in performance characteristics, we were interested in the alloy Pr2Co7. This compound has interesting hard magnetic properties: high Curie temperature and uniaxial magnetocrystalline anisotropy important. From the perspective of magnetic exchange interactions Co-Co are the strongest, followed by R-Co interaction, while the RR interactions are very weak. The dominance of Co-Co interactions induces relatively high Curie temperatures in compounds Pr2Co7.The magnetocrystalline anisotropy results from the combination of two networks uniaxial anisotropy praseodymium and cobalt. To strengthen these interactions, it is necessary to partially substitute cobalt in compounds Pr2Co7 by an appropriate element such as iron which has a radius slightly larger than that of cobalt or by insertion of a light element the hydrogen and carbon that can increase the interatomic distances and enhance the magnetic moment. Moreover, along with intrinsic magnetic properties improves, it is necessary to optimize the extrinsic magnetic properties of the alloy by the search for a suitable nanocrystalline state corresponding to the potential applications. The extrinsic properties of compounds Pr2Co7 have been little studied.Several methods were used for the development of nanomaterials. In our study, we have W arranty the technique of high energy milling followed by recrystallization controlled synthesis method which until then had not yet been used to synthesize this type of compound. At this scale, the grain size becomes of the order of magnitude of the exchange length. This method which is a non-equilibrium synthesis process, allows the production of nanostructured powders metastable from a mixture of elemental powders. This technique is particularly effective in the case of alloys based on rare earth (Pr, Sm ...) that are extremely volatile. Indeed, it avoids the liquid state since the reaction takes place below the melting temperature and led to reproducible and large quantities of homogeneous alloys. We used different characterization methods, namely: the X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) coupled with EDX analysis, the magneto / susceptometer Manics DSM-8

Les matériaux dopés avec des ions de terres rares continuent de faire l’objet de nombreuses recherches grâce à leur efficacité dans les domaines de la photonique et leurs applications dans les amplificateurs ou laser à fibre optique. Dans ce contexte, dans un premier temps, des massifs de silice (SiO2) dopée par des ions europium (Eu3+) ont été préparés par le processus Sol-Gel. Les propriétés de luminescence des ions de terres rares ont été étudiées dans ces massifs, ainsi que dans des massifs co-dopés avec du magnésium et traités thermiquement à 900°C. Les propriétés optiques des ions Eu3+ ont été étudiées aussi dans un environnement totalement différent : des nanoparticules de silice (NPSi). Ces différents matériaux ont été caractérisés par ICP-OES, MET, DRX, analyse de sorption et FT-IR. La première partie de ce manuscrit décrit comment la taille des NPSi, la quantité d’europium, le traitement thermique et la présence de magnésium modifient les propriétés de photoluminescence des ions Eu3+.Le second axe de ce travail de thèse concerne l'étude de la réactivité des ions fluorures dans le système ternaire SiO2-GeO2-LaF3. Plusieurs mélanges binaires et ternaires ont été élaborés et calciné à 1500°C puis étudiés par ATG, EDS-MEB, DRX et spectroscopie Raman. L'évaporation des ions F- a été mise en évidence via une réaction préférentielle avec le silicium (pour former SiF4) plutôt qu'avec le germanium. Dans le système ternaire, nous avons observé la formation de la phase La2Si2O7. / Rare earth ions doped materials continue to be the subject of several researches thanks to their efficiency in the fields of photonics and their applications in amplifiers or optical fiber lasers. In this context, firstly, silica bulks (SiO2) doped with europium ions (Eu3+) were prepared by Sol-Gel process. The luminescence properties of rare earth ions were studied in these bulks, as well as in bulks co-doped with magnesium and heat-treated at 900°C. The optical properties of Eu3+ ions have also been studied in a very different environment: silica nanoparticles (NPSi). These different materials were characterized by ICP-OES, TEM, XRD, sorption analysis and FT-IR. The first part of this manuscript describes how the size of the NPSi, the amount of europium, the heat treatment and the presence of magnesium modify the photoluminescence properties of Eu3+ ions.The second axis of this work concerns the study of the reactivity of fluoride ions in the ternary system SiO2-GeO2-LaF3. Several binary and ternary mixtures were prepared and heat-treated at 1500°C and then studied by TGA, EDS-SEM, XRD and Raman spectroscopy. The evaporation of F- ions has been evidenced by a preferential reaction with silicon (to form SiF4) rather than with germanium. In the ternary system, we observed the formation of La2Si2O7 phase.