Technologies émergentes dans l'extraction d'éléments de la terre rare

Situation actuelle et défis à relever

Les chercheurs ont atteint des taux de récupération allant jusqu'à 80 % pour les EER légers comme le néodyme et le cérium à partir de certains minerais, mais les performances varient grandement avec la composition des minerais et la minéralogie. L'augmentation reste difficile parce que les microbes sont sensibles au pH, à la température et aux concentrations de métaux toxiques.

Une étude de 2022 dans ACS Sustainable Chemistry & Engineering[ a démontré qu'un consortium de Acidithiobacillus et Leptospirillum[ bactéries pourraient lixivier plus de 70 % des ERE à partir d'un minerai de monazite de faible qualité en seulement 10 jours, tout en produisant des déchets considérablement moins acides que les méthodes classiques.

Innovations dans l'extraction de solvants et l'échange d'ions

L'extraction de solvants (SX) est la technique dominante pour séparer les EER individuels des solutions mixtes. Traditionnellement, cela implique plusieurs étapes de contact avec une phase organique (contenant un extracteur) avec une solution de lessivage aqueuse. Le processus est à forte intensité énergétique, utilise de grands volumes de solvants organiques et génère des déchets importants.

Liquides ioniques et solvants eutectiques profonds

Les liquides ioniques (IL) sont des sels liquides à température ambiante et peuvent être conçus pour avoir une affinité élevée pour des ions spécifiques de REE. Par exemple, le chlorure de trihexyltétradécylphosphonium d'IL a montré une excellente sélectivité pour séparer l'yttrium d'autres lanthanides.

En 2021, des chercheurs de l'Université du Michigan ont signalé un système basé sur les DES qui a permis de récupérer 99 % de l'europium à partir de déchets de lampes fluorescentes, avec une consommation minimale d'énergie et aucun acide corrosif. Le solvant pourrait être réutilisé sur cinq cycles sans perdre de performance.

Extraction de solvants non aqueux

Une autre frontière est l'extraction de solvants non aqueux (NASX), qui remplace l'eau par des solvants organiques polaires tels que le diméthylsulfoxyde (DMSO), ce qui réduit le volume des déchets acides ou alcalins aqueux et permet l'extraction à des concentrations métalliques plus élevées.Une étude publiée dans ]Technologie de séparation et de purification a montré que le NASX, utilisant un extracteur à base d'ammonium quaternaire dans le DMSO, pouvait séparer le néodyme et le dysprosium d'une pureté supérieure à 95 % en une seule étape, ce qui représente une amélioration spectaculaire par rapport au SX classique multistage.

Techniques avancées de séparation magnétique

La séparation magnétique est une méthode bien établie pour concentrer les minéraux magnétiques. Les métaux de la terre rare, en particulier le néodyme, le samarium et le gadolinium, présentent de fortes propriétés paramagnétiques, ce qui les rend aptes à la concentration magnétique.

Séparation magnétique supraconductrice à haut gradient

Les aimants supraconducteurs peuvent générer des champs de 5 tesla ou plus, dépassant de loin les électroaimants conventionnels. Combinés à des filtres magnétiques à haut gradient (matrices de laine d'acier fine ou de mousse de nickel), ces systèmes peuvent capter des particules fines de minéraux contenant des REE même lorsqu'elles sont présentes à de faibles concentrations. Le processus est sec, ne nécessitant ni eau ni produits chimiques, et peut manipuler des débits élevés.

Séparation magnétique améliorée par les nanoparticules

Une autre approche consiste à rendre fonctionnelle les nanoparticules magnétiques avec des ligands qui se lient sélectivement aux ions REE. Les nanoparticules sont mélangées avec une solution contenant des REE dissous, puis enlevées à l'aide d'un aimant, concentrant les métaux. Cette technique est particulièrement prometteuse pour récupérer les REE à partir de brinés géothermiques, d'eau de mer ou de solutions de lixiviation de tas où les concentrations sont très faibles.

Un papier 2021 dans Nature décrit un « nano-récolte magnétique» qui concentre rapidement les ions de terres rares provenant de solutions diluées à l'aide d'un séparateur magnétique à faible champ, ouvrant la porte à des sources d'EER non traditionnelles comme les eaux usées industrielles et le drainage minier.

Méthodes électrochimiques et d'électrodialyse

L'extraction électrochimique utilise des courants électriques pour déposer ou retirer sélectivement les ions REE de la solution. Ces techniques sont intrinsèquement modulaires et peuvent être alimentées par de l'électricité renouvelable, ce qui les rend bien adaptés aux opérations décentralisées ou à petite échelle. Une variante émergente est l'échange d'ions électrochimique (EIX), où un potentiel est appliqué à une membrane conductrice fonctionnelle avec des groupes d'échange d'ions. La tension appliquée augmente le taux de transport des ions REE, obtenant des facteurs de séparation élevés avec une faible consommation d'énergie.

L'électrodialyse (ED) utilise une pile de membranes échangeuses alternées de cations et d'anion sous un courant direct. En harmonisant la chimie membranaire, les chercheurs ont pu enrichir sélectivement les REE lourds (comme le dysprosium et le terbium) à partir de solutions mixtes. Une étude pilote à l'Université de technologie Delft a indiqué qu'une unité ED à un seul stade pourrait augmenter la concentration de dysprosium d'un facteur de 10 tout en rejetant plus de 99 % des impuretés de fer et d'aluminium.

Ces méthodes sont particulièrement attrayantes pour le recyclage des REE provenant de produits en fin de vie tels que les aimants, les lampes fluorescentes et les batteries à hydrure de nickel-métal. Parce qu'elles évitent les produits chimiques dures et peuvent être entièrement automatisées, elles s'harmonisent bien avec les principes de l'économie circulaire.

Approches biologiques et hybrides émergentes

Au-delà du bioleachage pur, les chercheurs combinent des systèmes biologiques avec des processus physiques ou chimiques pour créer des flux hybrides. Par exemple, la biosorption utilise la biomasse morte (comme les algues ou les parois cellulaires bactériennes) qui a été modifiée chimiquement pour lier les REE. Le biosorbent peut être emballé dans des colonnes, chargé de métaux de solution, puis dépouillé avec un acide doux, produisant une solution de REE concentrée. La biosorption est rapide (minutes à heures), fonctionne sur une large plage de pH et produit très peu de déchets secondaires.

Une autre innovation connexe est l'utilisation de la biologie synthétique artificielle, où des microbes sont programmés pour produire des protéines liantes aux métaux ou des « organites » nanométriques qui accumulent des REE spécifiques. Une équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory a créé une souche de E. coli qui exprimait une étiquette de liaison au lanthanide (LBT) sur sa membrane. Les bactéries pourraient se séparer de solutions diluées avec sélectivité sur des métaux concurrents comme le fer et le calcium.

Phytominage: plantes comme extracteurs de REE

Bien qu'aucune plante ne soit connue pour être fortement hyperaccumulée sur les terres rares, certaines fougères et plantes de moutarde peuvent absorber des quantités importantes de sols contaminés. Les chercheurs utilisent des modifications génétiques pour améliorer l'absorption et la translocation des pousses. Le phytominage pourrait fournir une méthode peu coûteuse et peu coûteuse pour récupérer les EER des résidus miniers ou des terres marginales, bien que les rendements demeurent trop faibles pour être utilisés à des fins commerciales.

Incidences économiques et environnementales

L'adoption de nouvelles technologies d'extraction pourrait considérablement modifier l'économie de la production d'EER. Le bioleachage et la biosorption, par exemple, nécessitent des investissements en capital inférieurs à ceux des usines de transformation classiques et peuvent être réduits à l'échelle modulaire. Ils génèrent également moins de déchets dangereux, réduisant ainsi les responsabilités en matière de remise en état à long terme.

Les évaluations du cycle de vie pour le biodélavage et la séparation magnétique montrent une réduction de 70 % des émissions de gaz à effet de serre, une réduction de 90 % de la consommation d'eau et une quasi-élimination des résidus toxiques. Cependant, il reste des défis à relever : bon nombre de ces technologies sont encore à un faible niveau de préparation technologique (LTR 3-6), ce qui signifie qu'elles doivent faire l'objet d'une démonstration à l'échelle pilote avant que les banques et les investisseurs ne financent des installations commerciales.

La loi sur les matières premières critiques de l'Union européenne, adoptée en 2023, fixe des objectifs en matière de capacité de traitement au pays et prévoit des taux de recyclage pour les énergies renouvelables, ce qui devrait accélérer l'adoption de technologies d'extraction durables au sein du bloc.

Perspectives et priorités de recherche futures

D'abord, la numérisation et l'automatisation permettront de surveiller et de contrôler en temps réel les processus d'extraction, d'optimiser les rendements et de réduire les temps d'arrêt. Les capteurs et les algorithmes d'apprentissage des machines peuvent déjà prédire le pH, la température et les débits optimaux des colonnes d'extraction des solvants.

Économie circulaire et exploitation minière urbaine

Les taux de recyclage actuels des EER sont inférieurs à 5 % dans le monde, en grande partie parce que les processus existants ne sont pas rentables pour les petits flux de déchets complexes. Les technologies émergentes comme la biosorption, les nanoparticules magnétiques et l'extraction ionique de liquides sont bien adaptées pour gérer les flux hétérogènes et à faible concentration. Si elles sont à l'échelle, elles pourraient fournir 10 à 20 % de la demande mondiale d'EER d'ici 2030, réduisant ainsi la dépendance à l'égard de l'exploitation minière primaire.

Besoins en matière de politiques et d'investissements

L'élargissement de ces technologies du laboratoire au fonctionnement commercial nécessitera un financement soutenu et une collaboration intersectorielle.Les partenariats public-privé, comme le Critical Materials Institute des États-Unis (un centre du ministère de l'Énergie) et le European Rare Earth Industry Development Action Group, accélèrent le développement.

Les investissements dans la recherche fondamentale demeurent également essentiels. Comprendre les mécanismes moléculaires de la liaison microbienne des métaux, concevoir des extracteurs sélectifs avec des principes de chimie verte et développer des matériaux magnétiques robustes ouvriront de nouvelles voies d'extraction. Par exemple, des chercheurs de l'Université de Cambridge ont récemment signalé une protéine synthétique qui lie le scandium 1000 fois plus fortement que tout autre métal, une percée qui pourrait permettre une récupération sélective des résidus de bauxite (boue rouge).

Conclusion

Les technologies émergentes dans l'extraction d'éléments de terre rares représentent un changement de paradigme par rapport aux pratiques nuisibles à l'environnement du passé. Le bioleachage, l'extraction avancée de solvants, la séparation magnétique, les méthodes électrochimiques et les hybrides biologiques offrent chacun des avantages uniques en termes de durabilité, d'efficacité et de sélectivité.

En réduisant l'empreinte environnementale de la production d'EER et en permettant la récupération à partir de sources non traditionnelles, ces technologies permettront de sécuriser les chaînes d'approvisionnement pour la transition vers l'énergie propre et l'économie numérique.Pour les intervenants de l'industrie, il sera essentiel de rester informés et d'investir dans ces nouvelles méthodes pour demeurer concurrentiels dans un monde où les ressources sont limitées.