Une secousse électrique permet de récupérer des métaux utiles dans les déchets
Une nouvelle méthode permet d’extraire des éléments de terres rares des déchets électroniques et des cendres de charbon.
Alors que les chimistes s’efforcent de trouver des méthodes pour récupérer les métaux importants contenus dans les déchets industriels et les appareils électroniques mis au rebut, un groupe a découvert une réponse qui ressemble un peu à de la magie : il suffit de faire sauter les ordures avec des éclairs de chaleur électrique.
Les éléments de terres rares (ETR) présentent un paradoxe environnemental. D’une part, ces quelques dizaines de métaux, tels que l’yttrium et le néodyme, sont des composants essentiels des éoliennes et des panneaux photovoltaïques, et des sources bon marché d’ETR pourraient permettre à ces technologies écologiques de progresser considérablement. D’autre part, l’extraction des ETR entraîne chaque année des milliards de dollars de dommages environnementaux. Comme ces éléments sont présents en faibles concentrations, les sociétés minières doivent extraire des tonnes et des tonnes de minerai, décapant et détruisant les paysages. Les ETR sont souvent mélangés à des éléments radioactifs, et leur extraction crée des déchets nucléaires de faible activité.
Les vieux appareils électroniques et autres déchets industriels, en revanche, sont riches en REE. Cependant, les méthodes de recyclage existantes sont inefficaces et coûteuses et nécessitent des produits chimiques corrosifs tels que l’acide chlorhydrique concentré. Pour chaque problème environnemental que les ETR peuvent résoudre, il semble qu’ils en introduisent deux autres.
Le tout nouveau procédé pourrait aider à sortir de l’impasse. Aujourd’hui, dans Science Advances, un groupe dirigé par le chimiste organique James Tour, de l’université Rice, rapporte qu’il utilise des impulsions de chaleur électrique pour faciliter l’extraction des terres rares des déchets industriels. La méthode est environ deux fois plus efficace que les techniques actuelles et utilise des produits chimiques beaucoup plus inoffensifs.
“C’est une technique extrêmement intrigante”, affirme Amir Sheikhi, ingénieur chimiste à l’université d’État de Pennsylvanie, University Park, qui étudie l’extraction des ETR. “Avec un traitement assez court, à haute température… ces éléments de terres rares sont libérés”.
L’équipe de Tour a testé son procédé sur des cendres volantes, un sous-produit gris et poudreux de la combustion du charbon qui contient des niveaux concentrés d’ETR initialement présents dans le charbon. Les scientifiques ont mélangé les cendres avec du noir de carbone pour améliorer la conductivité électrique, puis ont placé le mélange dans des tubes de quartz transparents de 1 à 2 centimètres de large et de 5 à 8 centimètres de long. Des condensateurs placés aux extrémités des tubes ont envoyé une impulsion de courant, déclenchant un flash jaune-blanc et une petite bouffée de fumée. La température des poudres mélangées a augmenté jusqu’à 3000 ° C en une seconde, puis s’est rapidement refroidie.
Ce pic de chaleur fait ressortir deux points : lorsque le charbon est brûlé comme combustible, des morceaux de verre microscopiques se forment à l’intérieur et piègent les ETR, ce qui rend leur extraction difficile. Les bouffées de chaleur électrique choquent et brisent le verre, libérant ainsi les terres rares. Le chauffage instantané provoque également des changements chimiques : Les phosphates d’ETR se transforment en oxydes d’ETR, qui sont beaucoup plus solubles et faciles à extraire.
La domination de la Chine sur les terres rares
Les éléments de terres rares sont des composants essentiels des technologies écologiques. D’autres pays se sont plaints que la Chine utilise sa position dominante sur le marché pour augmenter les prix en limitant les exportations.
Par conséquent, le groupe de Tour peut utiliser des solutions beaucoup moins corrosives pour extraire les terres rares. Le groupe de M. Tour s’en sort avec des concentrations d’acide chlorhydrique 120 fois inférieures à celles des méthodes d’extraction actuelles et parvient tout de même à en extraire deux fois plus. “L’acide est tellement dilué que je ne le ferais pas, mais je crois que vous pouvez le boire”, explique M. Tour.
Outre les cendres volantes, le groupe de M. Tour a également extrait des terres rares de supposées boues rouges – un sous-produit de la fabrication de l’aluminium – et d’appareils électroniques. Dans ce dernier cas, le groupe a vidé un vieil ordinateur portable et a réduit son circuit imprimé en poudre pour faire des expériences.
De nombreux responsables gouvernementaux préfèrent récupérer les ETR dans les déchets plutôt que de les extraire, pour des raisons économiques et environnementales. La Chine a longtemps contrôlé le marché international des ETR. Le Japon, l’Union européenne et les États-Unis se sont plaints auprès de l’Organisation mondiale du commerce que la Chine utilise son quasi-monopole pour stopper les exportations et augmenter les coûts. (Le Japon a en fait depuis exploré des mesures telles que le dragage de boues riches en REE dans les profondeurs de l’océan, ce qui n’est pas exactement écologique). Le fait de dépendre d’un fournisseur étranger pour les ETR place les pays “en situation de désavantage économique, voire de désavantage en matière de sécurité naturelle”, déclare Steven Winston, ingénieur chimiste indépendant et ancien vice-président de l’Idaho National Laboratory, qui a étudié les déchets miniers. Le chauffage instantané des déchets pourrait ouvrir la voie à un approvisionnement alternatif.
Les difficultés persistent. Une fois les terres rares extraites, elles doivent être séparées en éléments individuels pour différentes applications. Cela “reste un grand défi”, affirme Heileen Hsu-Kim, ingénieur en environnement à l’université Duke, qui étudie l’extraction des ETR. Les entreprises utilisent normalement des solvants organiques tels que le kérosène, qui causent eux-mêmes des problèmes environnementaux ou sont difficiles à recycler. Pour résoudre ces problèmes, le groupe de Sheikhi a façonné de la cellulose biodégradable en filaments présentant des “poils” avec des groupes fonctionnels qui se lient sélectivement au néodyme, un composant essentiel des aimants des éoliennes, et le capturent.
En outre, le procédé de Tour devrait être considérablement amélioré pour pouvoir être distingué. Sheikhi mentionne que “généralement, les processus à haute température sont coûteux”. Toutefois, le groupe de Tour fait valoir que, comme le chauffage instantané est rapide, les dépenses sont réduites, se limitant à 12 dollars par tonne de cendres volantes. En ce qui concerne la mise à l’échelle, l’équipe a déjà créé un processus de chauffage instantané pour transformer les vieux pneus et les plastiques en graphène, et une entreprise dérivée a actuellement mis à l’échelle ce processus en utilisant des chauffages instantanés plus grands.
Si l’approche de Tour fonctionne, il y a beaucoup de déchets industriels à traiter. Chaque année, l’humanité produit 750 millions de tonnes de cendres volantes de charbon, 40 millions de tonnes de déchets électroniques et 150 millions de tonnes de boue rouge, dont la plupart sont empilées en d’énormes monticules. Puisque la combustion du charbon a contribué à créer notre désordre environnemental actuel, il serait certainement approprié que l’étincelle des technologies vertes soit tirée de ses déchets. “Nous n’avons pas besoin de brûler davantage de charbon pour que ce processus [de recyclage] fonctionne”, explique M. Tour. “Nous en avons suffisamment de montagnes pour toujours”.
Lisez l’article original sur la science.
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