De nouvelles recherches de la Northeastern University ont identifié une méthode d’extraction des terres rares à partir de déchets miniers qui est deux à trois fois plus efficace que les approches précédentes.
Les terres rares sont une ressource facile à trouver mais difficile à raffiner, essentielle pour tout, des aimants et appareils électroniques aux batteries et catalyseurs de réactions chimiques. Depuis les années 1980, une course fait rage entre les États-Unis et la Chine pour la domination du marché des terres rares — et les États-Unis sont en train de perdre.
De nouvelles recherches menées à la Northeastern University ont découvert un nouveau moyen d’extraire les terres rares des résidus de charbon, les sols et roches rejetés par l’exploitation minière du charbon. En utilisant un traitement chimique et un réacteur à micro-ondes spécialement conçu pour contrôler la température, les chercheurs ont doublé les niveaux d’extraction précédemment possibles.
À quel point les terres rares sont-elles rares ?
Les éléments de terres rares, souvent simplement appelés terres rares, ne sont en réalité pas si rares que cela, selon le Science History Institute . Dans la nature, ils apparaissent plutôt mélangés à d’autres éléments, parfois radioactifs, ce qui les rend difficiles à raffiner.
Damilola Daramola , professeur assistant dans les départements de chimie et biologie chimique, et de génie chimique à la Northeastern University, explique que les terres rares sont souvent rendues accessibles en tant que sous-produits d’autres opérations minières. Pour ses travaux, cela signifie le charbon.
Brûler le carbone présent dans le charbon laisse derrière lui des cendres de composés inorganiques, souvent appelées cendres volantes, qui, selon Daramola, ont été bien étudiées pour les terres rares. Mais les résidus de charbon, ces montagnes de détritus non désirés laissés par l’exploitation minière du charbon, restent une ressource sous-utilisée, en partie à cause de la disponibilité immédiate des cendres volantes et en partie à cause du fait qu’il y a tout simplement tout ce matériel organique encore à trier dans les résidus, poursuit-il.
En prétraitant les résidus de charbon dans une solution d’eau et d’hydroxyde de sodium, ou de lessive de soude, puis en les baignant dans de l’acide nitrique tout en contrôlant la température de la réaction via un réacteur à micro-ondes spécialisé, Daramola et son équipe ont découvert qu’ils pouvaient extraire les terres rares deux à trois fois plus efficacement que par les méthodes standards utilisées sur les sous-produits du charbon.
« Cette combinaison, d’être capable de stimuler thermiquement le matériau », parallèlement au traitement à l’hydroxyde de sodium, explique Daramola, « eh bien, il s’avère que ce que vous faites, c’est en réalité modifier la structure solide de ce matériau » et permettre l’extraction de terres rares précieuses.
Daramola et l’étudiant en doctorat de la Northeastern University, Lawrence Ajayi, premier auteur de l’étude, affirment que les terres rares qu’ils ont extraites ont une gamme d’applications variée. Le néodyme, donne Ajayi comme exemple, est « le troisième élément le plus abondant dans les résidus, et il se trouve, aussi, être très important pour l’énergie », étant présent dans les aimants haute puissance et les moteurs des véhicules électriques et des éoliennes.
Obstacles à une adoption plus large
Mais ce n’est pas parce que leur méthode conduit à une récolte plus efficace que des réacteurs à micro-ondes vont commencer à pousser partout dans le pays, affirment-ils. Il reste de nombreuses questions à résoudre, à la fois logistiques et chimiques.
Une raison est simplement la technologie. Les réacteurs à micro-ondes du type utilisé par Daramola et Ajayi sont coûteux et pas encore répandus. Une autre est une question d’échelle.
« Un obstacle est d’avoir plus d’informations sur la structure à l’état solide de ces résidus miniers. Cette information est très dispersée, très parcellaire », indique Daramola. Il décrit une mosaïque d’opérations minières à travers les États-Unis, certaines actives, d’autres abandonnées depuis longtemps.
La Pennsylvanie à elle seule, d’où provenaient les résidus pour leur expérience, contient environ 2 milliards de tonnes de résidus de charbon, selon leur article.
Aux « États-Unis, par exemple, nous avons tellement de mines abandonnées dont nous pourrions tirer parti », déclare Ajayi. Mais un autre gros problème, poursuit-il, est que « les résidus de charbon ont des compositions minérales différentes selon l’endroit d’où ils proviennent ». Donc, l’efficacité réelle de leur méthode acide-plus-micro-ondes sur des résidus provenant d’une autre partie des États-Unis reste une question ouverte, ajoute Daramola.
De plus, toute opération à grande échelle voudrait effectuer des extractions supplémentaires à partir des résidus. Les terres rares ne sont pas la seule chose présente dans les déchets miniers. Il y a souvent des éléments radioactifs, du magnésium, du fer et d’autres minéraux potentiellement précieux. Daramola affirme qu’une opération à l’échelle industrielle devrait prendre en compte tous ces facteurs.
Tout cela s’ajoute aux questions de politique environnementale et sociale, qui pourraient être significatives, poursuit Daramola. Une fois que vous avez trempé vos résidus de charbon dans de la lessive de soude et de l’acide, il faut faire quelque chose de ces déchets liquides et des matériaux restants des résidus que vous ne voulez plus.
Sécurité des terres rares
Daramola explique que la Chine contrôle la grande majorité des terres rares actuellement disponibles, peut-être jusqu’à 90 %, non pas parce qu’il y a une plus forte concentration en Chine, mais à cause de l’investissement massif du gouvernement chinois dans cette entreprise. D’ici 2015, la Chine avait consolidé ses opérations minières en six énormes sociétés, largement publiques .
Les terres rares restent vitales pour la production des technologies actuelles. Elles sont utilisées partout dans la vie moderne, des électro-aimants des téléphones portables à l’équipement d’imagerie médicale et aux batteries de véhicules électriques.
L’impact de la Chine sur le marché mondial des terres rares est visible depuis longtemps ; en baissant le prix de leurs terres rares, ils peuvent, et l’ont fait, mettre en faillite des entreprises d’autres pays, note Daramola.
Aujourd’hui, Daramola affirme qu’il y a une pression pour trouver des sources alternatives de terres rares, moins dépendantes d’une puissance étrangère. L’une de ces sources alternatives pourrait bien être les milliards de tonnes de résidus actuellement inutilisés dispersés à travers les États-Unis, déclare-t-il.
Source : Northeastern U.
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