Sur la photo, des oxydes de terres rares de néodyme, de praséodyme et de dysprosium – tous des composants essentiels pour les aimants – qui ont été traités avec la technologie de sulfuration. Les régions violettes sont des sulfures riches en néodyme, les régions vertes sont de l’oxysulfure de praséodyme et les régions oranges sont des sulfures et oxysulfures riches en dysprosium. Crédit : gracieuseté des chercheurs
Une nouvelle façon de traiter les terres rares et d’autres métaux clés pour les séparer des autres matériaux pourrait réduire l’impact environnemental et les coûts.
De nouvelles méthodes de traitement développées par AVEC les chercheurs pourraient aider à atténuer les pénuries imminentes de métaux essentiels qui alimentent tout, des téléphones aux batteries automobiles, en facilitant la séparation de ces métaux rares des minerais miniers et des matériaux recyclés.
Des ajustements sélectifs au sein d’un processus chimique appelé sulfuration ont permis au professeur de métallurgie Antoine Allanore et à son étudiant diplômé Caspar Stinn de cibler et de séparer avec succès les métaux rares, tels que le cobalt dans une batterie lithium-ion, des matériaux mixtes.
Comme ils le rapportent dans le journal La nature, leurs techniques de traitement permettent aux métaux de rester sous forme solide et d’être séparés sans dissoudre le matériau. Cela évite les méthodes traditionnelles mais coûteuses de séparation des liquides qui nécessitent une énergie importante. Les chercheurs ont développé des conditions de traitement pour 56 éléments et testé ces conditions sur 15 éléments.
Leur approche de sulfuration, écrivent-ils dans le document, pourrait réduire les coûts d’investissement de la séparation des métaux entre 65 et 95 pour cent des oxydes de métaux mixtes. Leur traitement sélectif pourrait également réduire les émissions de gaz à effet de serre de 60 à 90 % par rapport à la séparation traditionnelle à base de liquide.
« Nous étions ravis de trouver des solutions de remplacement pour les processus qui consommaient beaucoup d’eau et généraient des émissions de gaz à effet de serre, tels que le recyclage des batteries lithium-ion, le recyclage des aimants aux terres rares et la séparation des terres rares », déclare Stinn. “Ce sont des processus qui fabriquent des matériaux pour des applications de durabilité, mais les processus eux-mêmes sont très non durables.”
Les résultats offrent un moyen de réduire la demande croissante de métaux mineurs comme le cobalt, le lithium et les éléments des terres rares qui sont utilisés dans les produits énergétiques «propres» tels que les voitures électriques, les cellules solaires et les éoliennes produisant de l’électricité. Selon un 2021 rapport par l’Agence internationale de l’énergie, la quantité moyenne de minéraux nécessaires pour une nouvelle unité de capacité de production d’électricité a augmenté de 50 % depuis 2010, alors que les technologies d’énergie renouvelable utilisant ces métaux étendent leur portée.
Possibilité de sélectivité
Depuis plus d’une décennie, le groupe Allanore étudie l’utilisation de matériaux sulfurés dans le développement de nouvelles voies électrochimiques pour la production de métaux. Les sulfures sont des matériaux courants, mais les scientifiques du MIT les expérimentent dans des conditions extrêmes telles que des températures très élevées – de 800 à 3 000 degrés Fahrenheit — qui sont utilisés dans les usines de fabrication mais pas dans un laboratoire universitaire typique.
« Nous examinons des matériaux très bien établis dans des conditions inhabituelles par rapport à ce qui a été fait auparavant », explique Allanore, « et c’est pourquoi nous trouvons de nouvelles applications ou de nouvelles réalités ».
Dans le processus de synthèse de matériaux sulfurés à haute température pour soutenir la production électrochimique, dit Stinn, « nous avons appris que nous pouvions être très sélectifs et très contrôlés sur les produits que nous fabriquons. Et c’est avec cette compréhension que nous avons réalisé : ” OK, il y a peut-être une opportunité de sélectivité dans la séparation ici. »
La réaction chimique exploitée par les chercheurs fait réagir un matériau contenant un mélange d’oxydes métalliques pour former de nouveaux composés métal-soufre ou sulfures. En modifiant des facteurs tels que la température, la pression du gaz et l’ajout de carbone dans le processus de réaction, Stinn et Allanore ont découvert qu’ils pouvaient créer sélectivement une variété de solides sulfurés pouvant être physiquement séparés par diverses méthodes, notamment le broyage du matériau et le tri. sulfures de tailles différentes ou en utilisant des aimants pour séparer les différents sulfures les uns des autres.
Les méthodes actuelles de séparation des métaux rares reposent sur de grandes quantités d’énergie, d’eau, d’acides et de solvants organiques qui ont des impacts environnementaux coûteux, explique Stinn. « Nous essayons d’utiliser des matériaux abondants, économiques et facilement disponibles pour une séparation durable des matériaux, et nous avons élargi ce domaine pour inclure désormais le soufre et les sulfures. »
Stinn et Allanore ont utilisé la sulfuration sélective pour séparer les métaux économiquement importants comme le cobalt dans les batteries lithium-ion recyclées. Ils ont également utilisé leurs techniques pour séparer le dysprosium – un élément de terre rare utilisé dans des applications allant des dispositifs de stockage de données à l’optoélectronique – des aimants de terre rare au bore ou du mélange typique d’oxydes disponibles à partir de minéraux miniers tels que la bastnaesite.
Tirer parti de la technologie existante
Les métaux comme le cobalt et les terres rares ne se trouvent qu’en petites quantités dans les matériaux extraits, de sorte que les industries doivent traiter de grands volumes de matériaux pour récupérer ou recycler suffisamment de ces métaux pour être économiquement viables, explique Allanore. « Il est assez clair que ces processus ne sont pas efficaces. La plupart des émissions proviennent du manque de sélectivité et de la faible concentration à laquelle ils opèrent.
En éliminant le besoin de séparation liquide et les étapes et matériaux supplémentaires nécessaires pour dissoudre puis reprécipiter les éléments individuels, le processus des chercheurs du MIT réduit considérablement les coûts encourus et les émissions produites pendant la séparation.
« L’un des avantages de la séparation des matériaux à l’aide de la sulfuration est que de nombreuses technologies et infrastructures de processus existantes peuvent être exploitées », déclare Stinn. « Ce sont de nouvelles conditions et de nouvelles chimies dans les styles et équipements de réacteurs établis. »
L’étape suivante consiste à montrer que le processus peut fonctionner pour de grandes quantités de matières premières, en séparant par exemple 16 éléments des flux d’extraction de terres rares. « Maintenant, nous avons montré que nous pouvons gérer trois, quatre ou cinq d’entre eux ensemble, mais nous n’avons pas encore traité un flux réel provenant d’une mine existante à une échelle correspondant à ce qui est requis pour le déploiement », déclare Allanore.
Stinn et ses collègues du laboratoire ont construit un réacteur qui peut traiter environ 10 kilogrammes de matière première par jour, et les chercheurs entament des conversations avec plusieurs sociétés sur les possibilités.
« Nous discutons de ce qu’il faudrait pour démontrer les performances de cette approche avec les flux de minéraux et de recyclage existants », a déclaré Allanore.
Référence : « Sulfuration sélective de composés métalliques » par Caspar Stinn et Antoine Allanore, 16 décembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04321-5
Cette recherche a été soutenue par le département américain de l’Énergie et la National Science Foundation des États-Unis.
