Les chélateurs avancés permettent une récupération efficace et écologique des terres rares
La nouvelle méthode est d'un ordre de grandeur plus efficace que la norme industrielle
Selon Justin Wilson, professeur de chimie à l'université de Santa Barbara, le monde aura besoin de beaucoup de métaux étranges dans les années à venir. Mais il ne parle pas du lithium, du cobalt ou même du béryllium. Wilson s'intéresse au dysprosium, qui est tellement caché dans le tableau périodique qu'on pourrait croire qu'il l'a inventé.
Les éléments de terres rares (ETR) comme le dysprosium sont utilisés dans de nombreux créneaux de l'électronique moderne. À tel point que le ministère américain de l'énergie les classe parmi les "minéraux critiques". Bien qu'ils ne soient pas aussi rares que les métaux nobles tels que le platine ou l'or, ils sont difficiles à obtenir à partir de gisements naturels. Ils partagent également des propriétés chimiques extrêmement similaires, ce qui les rend diablement difficiles à isoler les uns des autres.
Mais une équipe dirigée par M. Wilson et le chercheur postdoctoral Yangyang Gao vient de mettre au point une technique permettant de purifier certaines terres rares à température ambiante sans avoir recours aux composés toxiques et caustiques actuellement utilisés pour cette tâche. Les résultats promettent une méthode plus sûre et plus efficace pour traiter ces métaux dans les exploitations minières et les récupérer dans les déchets électroniques.
Des éléments utiles qui échappent à l'attention du public
Les terres rares comprennent le scandium, l'yttrium et les lanthanides - la première des deux rangées que les éditeurs retranchent du tableau périodique pour qu'il tienne sur une seule page. Les lanthanides (et les actinides en dessous) s'insèrent en fait juste à droite de la deuxième colonne. Vous connaissez peut-être l'ETR néodyme comme le métal utilisé pour fabriquer des aimants extrêmement puissants. Wilson s'intéresse également au néodyme.
Ces éléments partagent de nombreuses propriétés chimiques, ce qui les rend difficiles à séparer les uns des autres. Ils forment tous des ions avec une charge +3 et préfèrent tous se lier à des non-métaux de la deuxième rangée du tableau périodique (comme l'oxygène et l'azote). Heureusement, ils diffèrent légèrement par leur rayon ionique, c'est-à-dire leur taille. Toutefois, leur taille reste assez similaire, avec une variation de rayon de seulement 16 % pour l'ensemble de la série.
Malgré leurs propriétés physiques et chimiques similaires, les terres rares présentent des caractéristiques distinctives. Les différences dans le nombre et la disposition des électrons de valence confèrent à chacun de ces éléments des propriétés magnétiques et optiques distinctes. Ce n'est qu'en les isolant dans des échantillons purs que nous pouvons tirer parti de ces caractéristiques uniques.
Mise au point de la technique
La norme industrielle actuelle pour séparer les terres rares les unes des autres est l'extraction liquide-liquide, qui combine un solvant organique (comme le kérosène ou le benzène) et un solvant à base d'eau. "À ce stade, c'est un peu comme une vinaigrette : on a deux phases qui ne se mélangent pas", explique M. Wilson. Les chimistes ajoutent donc au solvant organique des molécules appelées chélateurs, conçues pour se lier aux terres rares.
La clé est que ces chélateurs ont une légère préférence pour les atomes plus petits, ce qui leur permet de séparer un type d'ETR d'un autre en fonction de sa taille. Le processus reste toutefois assez inefficace : l'enrichissement n'est que de quelques pour cent pour chaque cycle d'extraction. L'obtention d'un échantillon suffisamment pur d'un élément particulier pour une utilisation industrielle nécessite de nombreux cycles d'extraction liquide-liquide, ce qui génère beaucoup de déchets chimiques.
Wilson et ses coauteurs de Cornell et de l'université du Nevada, à Reno, ont mis au point des chélateurs plus optimisés et un procédé qui ne nécessite pas de solvant organique. Cela permet d'éliminer des substances souvent inflammables, cancérigènes et toxiques.
Les auteurs ont testé leur méthode dans une solution de dysprosium (Dy) et de néodyme (Nd). Ils ont utilisé un chélateur spécifique, appelé G-macropa, pour se lier aux plus gros atomes de Nd, puis ont ajouté du bicarbonate de sodium (également appelé bicarbonate de soude) pour faire précipiter les plus petits atomes de Dy sous la forme d'un sel de carbonate. Celui-ci peut simplement être filtré et traité pour récupérer le métal pur. En diminuant l'acidité de la solution restante, ils ont pu séparer le Nd du chélateur, qui peut ensuite être réutilisé.
Un seul cycle de ce nouveau procédé permet de concentrer le dysprosium par un facteur de plus de 800, contre moins de 10 pour l'extraction liquide-liquide.
"J'ai été très surpris lorsque mon post-doctorant, Yangyang, m'a montré les données de l'analyse élémentaire", a déclaré M. Wilson. Après avoir répété le test pour confirmer les résultats, l'équipe a réalisé à quel point son chélateur était adapté à ce processus de séparation.
En collaborant avec David Cantu, professeur à l'UN Reno, ils ont pu comprendre et comparer l'efficacité du G-macropa à celle d'autres chélateurs au niveau moléculaire. Ces études théoriques aideront les scientifiques à concevoir des analogues de deuxième génération.
De grandes applications et de petits ajustements
Cette efficacité est importante pour la mise à l'échelle du processus, car le chélateur G-macropa est plus complexe, et donc plus coûteux, que les chélateurs couramment utilisés. L'équipe étudie également des chélateurs qui pourraient être moins coûteux à produire.
Wilson et ses coauteurs se sont concentrés sur la séparation du Nd et du Dy parce que ces deux éléments sont abondants dans les déchets électroniques, en particulier dans les aimants au néodyme. En effet, ils ont réalisé leurs expériences sur des déchets électroniques pour souligner leur potentiel à faire du recyclage une source économiquement viable de terres rares.
Ils s'efforcent d'adapter cette technique à d'autres assemblages de terres rares et de s'assurer qu'elle fonctionne avec des concentrations élevées de terres rares plus proches des sources industrielles.
Les progrès réalisés dans la séparation des terres rares pourraient avoir un impact considérable sur la chaîne d'approvisionnement de ces métaux. Les États-Unis disposent d'importants gisements de terres rares, mais d'importantes réglementations environnementales et sanitaires ont empêché les industries américaines de rivaliser avec la Chine, où ces mesures de protection sont beaucoup plus laxistes.
"Une séparation plus propre et plus efficace de ces éléments pourrait potentiellement ouvrir l'approvisionnement national en terres rares", a déclaré M. Wilson. La sécurité nationale et l'économie américaine en sortiraient gagnantes, car ces métaux étranges deviennent de plus en plus importants.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
"Chelator-Assisted Precipitation-Based Separation of the Rare Earth Elements Neodymium and Dysprosium from Aqueous Solutions"; Angewandte Chemie 2024.
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