« Qu’y a-t-il dans un nom ? », demande la Juliette de Shakespeare en songeant à l’héritage de Roméo. Dans le cas des éléments de terres rares (ETR), la terminologie donne l’impression que les gisements naturels de ces matières premières sont peu nombreux. Bien que la disponibilité des ETR soit effectivement limitée, ce fait ne résulte pas nécessairement d’une rareté essentielle des matières premières elles-mêmes. Les gisements d’éléments comme le cérium ou le néodyme sont plus importants que les gisements de plomb. Les ETR encore plus rares existent en plus grande quantité dans la croûte terrestre que l’or. Toutefois, outre une dépendance générale vis-à-vis de la Chine en ce qui concerne les chaînes d’approvisionnement en terres rares, c’est le processus de raffinage lui-même qui complique la quantité de production de ces éléments. Une nouvelle méthode mise au point au Massachusetts Institute of Technology (MIT), qui utilise la sulfuration, promet de rendre le processus de raffinage plus facile, moins cher et moins polluant.
Raffinage des terres rares
Les terres rares ne sont pas présentes telles quelles dans la nature. Elles existent en petits pourcentages de 12 % à 0,1 % dans les minerais (bastnäsite, monazite, xénotime) et doivent être extraites de ceux-ci. D’un point de vue chimique, les terres rares sont très similaires les unes aux autres et se trouvent généralement ensemble dans le minerai, ce qui complique encore la séparation d’un seul ETR. Pour être utilisée dans les éoliennes, les voitures électroniques et les catalyseurs, la matière première doit également présenter une certaine pureté. Le néodyme des super-aimants, par exemple, doit avoir une pureté d’au moins 99,5 % (ce qui signifie que seulement 0,5 % du matériau est constitué d’autres éléments).
Pour atteindre la qualité requise par l’industrie, le minerai passe par plusieurs étapes d’enrichissement, de séparation, de réduction et, enfin, de raffinage. Des acides sont utilisés pour extraire les ETR des minerais et les séparer des autres matières premières ainsi que les uns des autres. Il en résulte des terres rares pures, mais aussi des coûts élevés et des eaux usées radioactives. Comme les terres rares existent principalement dans des minerais qui contiennent également de l’uranium et du thorium, ces éléments radioactifs doivent également être éliminés par lavage pour obtenir des terres rares séparées. Ce facteur fait des terres rares une solution compliquée pour les défis climatiques actuels, car les applications dans les énergies renouvelables rencontrent des problèmes environnementaux pendant le processus de production.
La photo montre des oxydes de terres rares de néodyme, de praséodyme et de dysprosium – tous des composants essentiels pour les aimants – qui ont été traités par la technologie de sulfuration. Les régions violettes sont des sulfures riches en néodyme, les régions vertes sont des oxysulfures de praséodyme et les régions orange sont des sulfures et des oxysulfures riches en dysprosium.
Photo : MIT
Sulfuration sélective
Antoine Allanore, professeur de métallurgie, et Caspar Stinn, étudiant diplômé, du Department of Materials Science and Engineering du MIT, semblent avoir trouvé une solution qui pourrait éviter « l’immense consommation d’énergie, d’eau et de produits chimiques » qui définit les procédés courants de séparation des terres rares : la sulfuration sélective. Dans leur publication dans la revue scientifique Nature, ils expliquent que la modification des « leviers du processus (pression partielle du gaz, débit du gaz, ajout de carbone) » fait réagir les éléments et former des composés métal-soufre ou sulfures. Ces solides peuvent être séparés physiquement par diverses méthodes, car désormais, « les différences physiques et chimiques entre les composés de sulfure et d’oxyde (par exemple, la densité, la susceptibilité magnétique, la chimie de surface) » peuvent être utilisées pour cibler spécifiquement un élément et l’extraire sélectivement.
Toutefois, la méthode n’a pas encore été testée pour une utilisation à l’échelle industrielle.
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