Les cendres volantes, la boue rouge et les résidus miniers sont généralement perçus comme des passifs environnementaux. Pourtant, enfermés dans ces immenses flux de déchets se trouvent de la silice de grande valeur, des terres rares et d’autres minéraux critiques. Une équipe de recherche pilotée par le Worcester Polytechnic Institute (WPI) a reçu une subvention de 3,3 millions de dollars du programme Growing Convergence Research de la National Science Foundation pour explorer si les enseignements tirés des diatomées, des éponges de mer et des plantes pourraient permettre de récupérer ces ressources en consommant moins d’énergie et moins de produits chimiques agressifs.
Ce projet de cinq ans, mené en deux phases, est dirigé par Mingjiang Tao, professeur agrégé au département de génie civil, environnemental et architectural du WPI, avec les professeurs Carrick Eggleston et Yan Wang comme co-investigateurs principaux. Des chercheurs de la George Mason University, de l’University of California San Diego, de l’University of Massachusetts Amherst et de l’University at Buffalo participeront également aux travaux.
« Récupérer les minéraux critiques ne constitue qu’une partie de l’opportunité », explique Tao. « Nous voulons développer un procédé qui valorise au maximum chaque flux de déchets, en séparant les éléments stratégiquement importants tout en convertissant les matières restantes en produits utiles. Cette approche de valorisation globale de la matière pourrait changer fondamentalement la façon dont les industries gèrent leurs déchets et s’approvisionnent en ressources essentielles. »
La recherche répond à deux défis interconnectés. La production de nombreux matériaux dérivés du silicium, utilisés dans le béton, le verre, la céramique, les semi-conducteurs et les silicones, peut exiger des températures élevées, une énergie considérable et des traitements chimiques intensifs. Parallèlement, les industries génèrent d’énormes quantités de déchets riches en silicium : résidus de cendres volantes, boue rouge, résidus miniers, gravats de béton, verre usagé et laitiers métallurgiques. Une grande partie de ces déchets est entreposée dans des décharges, des bassins, des digues à résidus et d’immenses tas, alors même qu’ils renferment du silicium de valeur, des minéraux critiques et des terres rares (REE). À titre d’exemple, les 11 millions de tonnes de terres rares piégées dans les décharges de cendres volantes américaines représentent une valeur de 8,4 milliards de dollars, soit près de huit fois les réserves brutes nationales actuelles du pays. Ces matériaux sont essentiels pour l’électronique, les technologies d’énergie propre, les transports et la sécurité nationale.
Pour trouver des solutions, les chercheurs se tourneront vers la nature. Les diatomées, les éponges de mer et certaines plantes utilisent des molécules biologiques et des échafaudages organiques pour capter le silicium dissous et l’assembler en structures de silice complexes dans des conditions relativement douces. En s’inspirant de ces mécanismes, l’équipe entend mettre au point des procédés à faible consommation d’énergie, capables de décomposer les composants riches en silice des déchets industriels, de convertir la silice en matériaux utiles et de libérer les terres rares et les autres minéraux critiques emprisonnés dans ces substances.
Le projet réunit des expertises en biologie, géochimie, science des matériaux, métallurgie, ingénierie, chimie computationnelle et intelligence artificielle. Les chercheurs utiliseront la modélisation computationnelle avancée et l’intelligence artificielle pour concevoir des biomolécules spécialisées, prédire leurs interactions avec les déchets riches en silicium et accélérer l’identification de voies prometteuses pour la récupération des minéraux et la fabrication de matériaux.
En tant qu’investigateur principal, Tao supervisera la gestion et la coordination du projet tout en dirigeant les recherches sur la biosilicification, le processus par lequel les organismes fabriquent des matériaux siliceux, ainsi que sur la métallurgie bio-assistée permettant de récupérer les terres rares contenues dans les déchets riches en silicium.
Eggleston, professeur au département de génie civil, environnemental et architectural et spécialiste de géochimie, dirigera les travaux visant à identifier, comprendre et optimiser les réactions chimiques impliquées dans la décomposition et la reconstitution des matériaux silicatés. Ses recherches porteront sur les mécanismes réactionnels et les cinétiques associés à la dissolution des silicates, à la repolymérisation, à la carbonatation, à la formation du verre et à la synthèse des silicones.
Wang, titulaire de la chaire William B. Smith de génie mécanique et des matériaux et pionnier largement reconnu du recyclage des batteries et de la fabrication durable, dirigera le développement de procédés bio-ingénierés pour récupérer les terres rares et les autres minéraux critiques.
L’équipe évaluera également la faisabilité économique et pratique du passage de ces technologies à l’échelle industrielle. En cas de succès, la recherche pourrait ouvrir de nouvelles voies pour transformer de grands volumes de déchets industriels en produits commercialisables, réduire la dépendance aux ressources nouvellement extraites, diminuer l’empreinte environnementale de la production de matériaux et renforcer l’approvisionnement national en minéraux critiques et en terres rares.
Les étudiants en master et en licence du WPI participeront à ce projet pluriannuel dans le cadre de l’expérience STEM immersive de l’université. Cette recherche interdisciplinaire se situe à la croisée de la durabilité, de la biotechnologie, de la science des matériaux, de la science des données et de l’intelligence artificielle. Le projet vise également à faire émerger un écosystème plus large de matériaux à base de silicium issus de la bio-ingénierie, en reliant chercheurs, partenaires industriels, décideurs publics, enseignants et futurs innovateurs de toutes les disciplines et de tous les secteurs.
Source : WPI
