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Oct 23, 2023

Comment la science pourrait faciliter le recyclage des éléments de terres rares

Recyclage des éléments de terres rares des produits de haute technologie existants, comme les disques durs

Le recyclage des éléments de terres rares des produits de haute technologie existants, comme les disques durs, pourrait aider à répondre à la demande de ces métaux précieux.

JORG GREUEL/PHOTODISC/GETTY IMAGES PLUS

Par Erin Wayman

20 janvier 2023 à 8h00

Nos vies modernes dépendent des éléments de terres rares, et un jour prochain, nous n'en aurons peut-être plus assez pour répondre à la demande croissante.

En raison de leurs propriétés particulières, ces 17 éléments métalliques sont des ingrédients cruciaux dans les écrans d'ordinateur, les téléphones portables et autres appareils électroniques, les lampes fluorescentes compactes, les appareils d'imagerie médicale, les lasers, les fibres optiques, les pigments, les poudres de polissage, les catalyseurs industriels - la liste est longue. (SN en ligne : 16/01/23). Les terres rares, notamment, sont une partie essentielle des aimants de grande puissance et des batteries rechargeables des véhicules électriques et des technologies d'énergie renouvelable nécessaires pour amener le monde vers un avenir à faible ou zéro carbone.

En 2021, le monde a extrait 280 000 tonnes métriques de terres rares, soit environ 32 fois plus qu'au milieu des années 1950. Et la demande ne fera qu'augmenter. D'ici 2040, les experts estiment que nous aurons besoin de sept fois plus de terres rares qu'aujourd'hui.

Satisfaire cet appétit ne sera pas facile. Les éléments de terres rares ne se trouvent pas dans les gisements concentrés. Les mineurs doivent extraire d'énormes quantités de minerai, le soumettre à des processus physiques et chimiques pour concentrer les terres rares, puis les séparer. La transformation est énergivore et sale, nécessite des produits chimiques toxiques et génère souvent une petite quantité de déchets radioactifs qui doivent être éliminés en toute sécurité. Une autre préoccupation est l'accès : la Chine a un quasi-monopole à la fois sur l'exploitation minière et la transformation ; les États-Unis n'ont qu'une seule mine active (SN Online : 1/1/23).

Pour la plupart des emplois que font les terres rares, il n'y a pas de bons substituts. Donc, pour aider à répondre à la demande future et diversifier qui contrôle l'approvisionnement - et peut-être même rendre la récupération des terres rares "plus verte" - les chercheurs recherchent des alternatives à l'exploitation minière conventionnelle.

Les propositions incluent tout, de l'extraction des métaux des déchets de charbon à des idées vraiment extravagantes comme l'extraction de la lune. Mais l'approche la plus susceptible de faire une brèche immédiate est le recyclage. "Le recyclage va jouer un rôle très important et central", déclare Ikenna Nlebedim, spécialiste des matériaux au Ames National Laboratory dans l'Iowa et au Department of Energy's Critical Materials Institute. "Cela ne veut pas dire que nous allons recycler pour sortir du défi des matériaux critiques."

Pourtant, sur le marché des aimants de terres rares, par exemple, d'ici environ 10 ans, le recyclage pourrait satisfaire jusqu'à un quart de la demande de terres rares, selon certaines estimations. "C'est énorme", dit-il.

Mais avant que les terres rares d'un vieux portable puissent être recyclées aussi régulièrement que l'aluminium d'une canette de soda vide, il y a des obstacles technologiques, économiques et logistiques à surmonter.

Le recyclage semble être un moyen évident d'obtenir plus de terres rares. Il est de pratique courante aux États-Unis et en Europe de recycler de 15 à 70 % des autres métaux, tels que le fer, le cuivre, l'aluminium, le nickel et l'étain. Pourtant, aujourd'hui, seulement 1% environ des éléments de terres rares contenus dans les anciens produits sont recyclés, explique Simon Jowitt, géologue économique à l'Université du Nevada à Las Vegas.

"Le câblage en cuivre peut être recyclé en plus de câblage en cuivre. L'acier peut simplement être recyclé en plus d'acier", dit-il. Mais de nombreux produits de terres rares sont "intrinsèquement peu recyclables".

Le programme fournirait de précieux métaux de terres rares et aiderait à nettoyer le sale héritage de l'extraction du charbon.

Les terres rares sont souvent mélangées à d'autres métaux dans les écrans tactiles et produits similaires, ce qui rend leur élimination difficile. À certains égards, le recyclage des terres rares à partir d'objets jetés ressemble au défi de les extraire du minerai et de les séparer les uns des autres. Les méthodes traditionnelles de recyclage des terres rares nécessitent également des produits chimiques dangereux tels que l'acide chlorhydrique et beaucoup de chaleur, et donc beaucoup d'énergie. En plus de l'empreinte environnementale, le coût de la récupération peut ne pas valoir l'effort compte tenu du faible rendement des terres rares. Un disque dur, par exemple, peut ne contenir que quelques grammes ; certains produits n'offrent que des milligrammes.

Cependant, les chimistes et les scientifiques des matériaux essaient de développer des approches de recyclage plus intelligentes. Leurs techniques font travailler les microbes, abandonnent les acides des méthodes traditionnelles ou tentent de contourner l'extraction et la séparation.

Une approche s'appuie sur des partenaires microscopiques. Les bactéries Gluconobacter produisent naturellement des acides organiques qui peuvent extraire des terres rares, telles que le lanthane et le cérium, des catalyseurs usés utilisés dans le raffinage du pétrole ou des luminophores fluorescents utilisés dans l'éclairage. Les acides bactériens sont moins nocifs pour l'environnement que l'acide chlorhydrique ou d'autres acides traditionnels de lixiviation des métaux, explique Yoshiko Fujita, biogéochimiste au Laboratoire national de l'Idaho à Idaho Falls. Fujita dirige des recherches sur la réutilisation et le recyclage au Critical Materials Institute. "Ils peuvent aussi être dégradés naturellement", dit-elle.

Dans les expériences, les acides bactériens ne peuvent récupérer qu'environ un quart à la moitié des terres rares des catalyseurs et des phosphores usés. L'acide chlorhydrique peut faire beaucoup mieux - dans certains cas, extraire jusqu'à 99 %. Mais la lixiviation biosourcée pourrait toujours être rentable, ont rapporté Fujita et ses collègues en 2019 dans ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Dans une usine hypothétique recyclant 19 000 tonnes métriques de catalyseur usagé par an, l'équipe a estimé les revenus annuels à environ 1,75 million de dollars. Mais nourrir les bactéries qui produisent l'acide sur place représente une grosse dépense. Dans un scénario dans lequel les bactéries sont nourries de sucre raffiné, les coûts totaux de production des terres rares sont d'environ 1,6 million de dollars par an, ne laissant qu'environ 150 000 dollars de bénéfices. Passer du sucre aux tiges de maïs, aux balles et autres restes de récolte, cependant, réduirait les coûts d'environ 500 000 $, augmentant les bénéfices à environ 650 000 $.

D'autres microbes peuvent également aider à extraire les terres rares et à les emmener encore plus loin. Il y a quelques années, des chercheurs ont découvert que certaines bactéries qui métabolisent les terres rares produisent une protéine qui s'accroche préférentiellement à ces métaux. Cette protéine, lanmoduline, peut séparer les terres rares les unes des autres, comme le néodyme du dysprosium, deux composants des aimants de terres rares. Un système à base de lanmoduline pourrait éliminer le besoin des nombreux solvants chimiques généralement utilisés dans une telle séparation. Et les déchets laissés - la protéine - seraient biodégradables. Mais on ne sait pas si le système fonctionnera à l'échelle commerciale.

Une autre approche déjà commercialisée saute les acides et utilise des sels de cuivre pour extraire les terres rares des aimants mis au rebut, une cible précieuse. Les aimants en néodyme-fer-bore contiennent environ 30 % de terres rares en poids et constituent la plus grande application de métaux au monde. Une projection suggère que la récupération du néodyme dans les aimants des disques durs américains pourrait à elle seule répondre à environ 5 % de la demande mondiale en dehors de la Chine avant la fin de la décennie.

Nlebedim a dirigé une équipe qui a développé une technique qui utilise des sels de cuivre pour extraire les terres rares des déchets électroniques déchiquetés contenant des aimants. Tremper les déchets électroniques dans une solution de sel de cuivre à température ambiante dissout les terres rares dans les aimants. D'autres métaux peuvent être récupérés pour leur propre recyclage, et le cuivre peut être réutilisé pour fabriquer plus de solution saline. Ensuite, les terres rares sont solidifiées et, à l'aide de produits chimiques et de chauffage supplémentaires, transformées en minéraux en poudre appelés oxydes de terres rares. Le procédé, qui a également été utilisé sur des matériaux restants de la fabrication d'aimants qui sont généralement gaspillés, peut récupérer 90 à 98 % des terres rares, et le matériau est suffisamment pur pour fabriquer de nouveaux aimants, a démontré l'équipe de Nlebedim.

Dans le meilleur des cas, l'utilisation de cette méthode pour recycler 100 tonnes de matériau d'aimant restant pourrait produire 32 tonnes d'oxydes de terres rares et générer plus d'un million de dollars de bénéfices, selon une analyse économique de la méthode.

Cette étude a également évalué les impacts environnementaux de l'approche. Par rapport à la production d'un kilogramme d'oxyde de terres rares via l'un des principaux types d'extraction et de traitement actuellement utilisés en Chine, la méthode du sel de cuivre a moins de la moitié de l'empreinte carbone. Il produit en moyenne environ 50 kilogrammes d'équivalent dioxyde de carbone par kilogramme d'oxyde de terre rare contre 110, a rapporté l'équipe de Nlebedim en 2021 dans ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Les terres rares rendent les smartphones et autres technologies possibles, mais posent de grands défis. En savoir plus sur cette série :

Mais ce n'est pas nécessairement plus écologique que toutes les formes d'exploitation minière. Un point de friction est que le processus nécessite de l'hydroxyde d'ammonium toxique et une torréfaction, qui consomment beaucoup d'énergie, et qui libèrent encore du dioxyde de carbone. Le groupe de Nlebedim est en train de peaufiner la technique. "Nous voulons décarboniser le processus et le rendre plus sûr", dit-il.

Pendant ce temps, la technologie semble suffisamment prometteuse pour que TdVib, une société de l'Iowa qui conçoit et fabrique des matériaux et des produits magnétiques, l'ait autorisée et ait construit une usine pilote. L'objectif initial est de produire deux tonnes d'oxydes de terres rares par mois, précise Daniel Bina, PDG de TdVib. L'usine recyclera les terres rares des anciens disques durs des centres de données.

Noveon Magnetics, une entreprise de San Marcos, au Texas, fabrique déjà des aimants néodyme-fer-bore recyclés. Dans la fabrication typique d'aimants, les terres rares sont extraites, transformées en alliages métalliques, broyées en une poudre fine, magnétisées et transformées en un aimant. Noveon élimine ces deux premières étapes, déclare le PDG de la société, Scott Dunn.

Après avoir démagnétisé et nettoyé les aimants mis au rebut, Noveon les broie directement en poudre avant de les reconstruire en tant que nouveaux aimants. Contrairement aux autres méthodes de recyclage, il n'est pas nécessaire d'extraire et de séparer les terres rares en premier. Le produit final peut être constitué à plus de 99 % d'aimants recyclés, dit Dunn, avec un petit ajout d'éléments de terres rares vierges - la "sauce secrète", comme il le dit - qui permet à l'entreprise d'affiner les attributs des aimants.

Par rapport à l'extraction et à la fabrication traditionnelles d'aimants, la méthode de Noveon réduit la consommation d'énergie d'environ 90 %, ont rapporté Miha Zakotnik, directeur de la technologie de Noveon, et d'autres chercheurs en 2016 dans Environmental Technology & Innovation. Une autre analyse de 2016 a estimé que pour chaque kilogramme d'aimant produit via la méthode de Noveon, environ 12 kilogrammes d'équivalent dioxyde de carbone sont émis. C'est environ la moitié des gaz à effet de serre que les aimants conventionnels.

Dunn a refusé de partager le volume d'aimants que Noveon produit actuellement ou le coût de ses aimants. Mais les aimants sont utilisés dans certaines applications industrielles, pour les pompes, les ventilateurs et les compresseurs, ainsi que certains outils électriques grand public et autres appareils électroniques.

Même si les chercheurs surmontent les obstacles technologiques, il existe encore des obstacles logistiques au recyclage. "Nous n'avons pas les systèmes de collecte des produits en fin de vie contenant des terres rares", explique Fujita, "et il y a le coût du démantèlement de ces produits". Pour beaucoup de déchets électroniques, avant que le recyclage des terres rares puisse commencer, vous devez vous rendre aux morceaux qui contiennent ces métaux précieux.

Noveon dispose d'un processus semi-automatisé pour retirer les aimants des disques durs et autres appareils électroniques.

Apple tente également d'automatiser le processus de recyclage. Le robot Daisy de la société peut démonter les iPhones. Et en 2022, Apple a annoncé une paire de robots appelés Taz et Dave qui facilitent le recyclage des terres rares. Taz peut rassembler des modules contenant des aimants qui sont généralement perdus lors du déchiquetage de l'électronique. Dave peut récupérer des aimants à partir de moteurs taptic, la technologie d'Apple pour fournir aux utilisateurs un retour tactile lorsque, par exemple, ils appuient sur l'écran d'un iPhone.

Même avec des aides robotiques, ce serait encore beaucoup plus facile si les entreprises concevaient simplement des produits de manière à faciliter le recyclage, explique Fujita.

Quelle que soit la qualité du recyclage, Jowitt ne voit aucun moyen de contourner la nécessité d'accélérer l'exploitation minière pour nourrir notre société avide de terres rares. Mais il convient que le recyclage est nécessaire. "Nous avons affaire à des ressources intrinsèquement finies", dit-il. "Mieux vaut essayer d'extraire ce que nous pouvons plutôt que de simplement le jeter à la décharge."

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Y. Fujita, SK McCall et D. Ginosar. Recyclage des terres rares : perspectives et avancées récentes. Bulletin MRS. Vol. 47, mars 2022, p. 283. doi : 10.1557/s43577-022-00301-w.

SM Jowitt. Economie minérale des éléments de terres rares. Bulletin MRS. Vol. 47, mars 2022, p. 276. doi : 10.1557/s43577-022-00289-3.

NA Chowdhury et al. Recyclage durable des éléments de terres rares des copeaux d'aimants NdFeB : perspectives technico-économiques et environnementales. ACS Chimie & Ingénierie Durables. Publié en ligne le 17 novembre 2021. doi.org : 10.1021/acssuschemeng.1c05965.

H. Jin et al. Biolixiviation d'éléments de terres rares à partir de déchets industriels à l'aide de déchets agricoles. ACS Chimie & Ingénierie Durables. Publié en ligne le 20 août 2019. doi : 10.1021/acssuschemeng.9b02584.

H. Jin et al. Analyse comparative du cycle de vie des aimants NdFeB : production vierge versus recyclage aimant à aimant. Procédure CIRP. Publié en ligne le 27 juillet 2016. doi : 10.1016/j.procir.2016.03.013.

M. Zakotnik et al. Analyse de la consommation d'énergie dans l'aimant Nd-Fe-B pour le recyclage de l'aimant. Technologie et innovation environnementales. Vol. 5, avril 2016, p. 117. doi : 10.1016/j.eti.2016.01.002.

Erin Wayman est rédactrice en chef du contenu imprimé et long de Science News. Elle est titulaire d'une maîtrise en anthropologie biologique de l'Université de Californie à Davis et d'une maîtrise en rédaction scientifique de l'Université Johns Hopkins.

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