De nouvelles technologies efficaces et peu coûteuses en cours de développement à l'Université Purdue pourraient permettre l'extraction d'éléments de terres rares, composants critiques de nombreux produits électroniques et écologiques, à partir de déchets de cendres de charbon.
Cette innovation pourrait permettre aux États-Unis d'entrer sur le marché de la production d'éléments de terres rares de 4 milliards de dollars tout en recyclant les cendres de charbon d'une manière respectueuse de l'environnement. La valeur des produits qui nécessitent des métaux des terres rares est évaluée à plus de 4 000 milliards de dollars par an. Les terres rares (REE) sont en grande partie constituées de lanthanides (Lns), une série de 15 éléments métalliques.
« Les terres rares ont de nombreuses applications importantes dans des domaines tels que les aimants permanents dans la production d'électricité et les voitures électriques, piles, catalyseurs de raffinage du pétrole, phosphores dans les téléviseurs couleur, et de nombreux appareils électroniques, y compris les téléphones portables. La demande en terres rares devrait augmenter considérablement au cours des prochaines décennies, " a déclaré Linda Wang, inventeur de la technologie et professeur de génie chimique à Maxine Spencer Nichols de Purdue.
« Les terres rares utilisées aux États-Unis sont principalement importées de Chine, qui contrôle plus de 90 pour cent de l'offre, avec de vastes implications sur l'économie américaine et la sécurité nationale.
"Par exemple, après que la Chine a réduit les quotas d'exportation en 2010, les coûts des aimants en terres rares pour une éolienne sont passés de 80 $, 000 à 500 $, 000. Après que la Chine a assoupli les restrictions à l'exportation 18 mois plus tard, les prix sont revenus à des niveaux inférieurs à ceux de 2010, ", a-t-elle déclaré. "Il est hautement souhaitable de développer la capacité de produire des terres rares aux États-Unis et de devenir indépendant des fournisseurs étrangers."
La séparation des éléments des terres rares est extrêmement difficile car les éléments ont la même charge ionique et sont de taille similaire, a dit Wang.
« Les éléments des terres rares se trouvent dans les minerais en très petites concentrations, quelques milliers de parties par million. Processus d'exploitation minière extensifs, affûtage, extraction, et la purification sont nécessaires pour transformer les minerais en métaux des terres rares de très haute pureté (environ 99,9 pour cent au minimum) requis pour les applications commerciales, " dit-elle. " Généralement, les anciennes technologies des années 50 sont utilisées pour la séparation et la purification. Ils nécessitent généralement 1, 800 étapes d'extraction différentes en série et en parallèle pour la purification. De tels processus peuvent être dangereux, coûteux et inefficace. » Wang a déclaré que les méthodes de séparation conventionnelles ont également de graves répercussions sur l'environnement.
« Les technologies de séparation actuelles produisent de grandes quantités de déchets chimiques, qui ne peuvent pas être recyclés économiquement, " a-t-elle dit. " L'un des 10 sites les plus pollués au monde est un lac artificiel en Chine, où sont stockés les effluents résiduaires des extractions d'ETR."
Wang a développé de nouvelles techniques de séparation par chromatographie qui pourraient séparer les éléments des terres rares d'abord des autres impuretés, puis les uns des autres en utilisant seulement quelques unités de chromatographie. Les procédés impliquent des méthodes d'élution assistée par ligand ou de chromatographie de déplacement utilisant des méthodes robustes, à bas prix, oxyde de titane sorbant inorganique ou sorbants polymères. Ligands dans les phases mobiles
"Ces nouveaux processus peuvent séparer efficacement les terres rares avec des puretés et des rendements supérieurs à 95 %, " a déclaré Wang. " L'utilisation d'absorbants de dioxyde de titane est ce qui rend cette innovation unique. Ils sont robustes et peu coûteux, rendre les processus efficaces et abordables. Nous sommes le premier groupe au monde à avoir développé cette technologie. En outre, les sous-produits de notre processus comprennent le gel de silice, oxyde d'aluminium, et autres oxydes métalliques de valeur commerciale, rendre l'ensemble du processus rentable et économique."
Wang a déclaré que les États-Unis avaient accumulé 1,5 milliard de tonnes de cendres de charbon, qui pourraient être utilisés pour produire des terres rares pendant des décennies.
"Les cendres de charbon sont riches en éléments de terres rares, aussi riche que certains des gisements de minerai. Les États-Unis produisent environ 129 millions de tonnes de cendres de charbon chaque année. Moins de la moitié est recyclée en produits de faible valeur, " dit-elle. " Dans un exemple, une digue de stockage de cendres de charbon s'est rompue et les cendres ont pollué les rivières voisines. Il a fallu sept ans et 1,1 milliard de dollars pour nettoyer. »
Wang dit que la nouvelle technologie pourrait fournir des moyens d'utiliser les cendres de charbon qui non seulement satisfont les besoins des terres rares aux États-Unis, mais est bénéfique pour l'environnement et pourrait créer des emplois de haute technologie.
"Nous avons démontré la faisabilité de cette technologie à l'échelle du laboratoire et pensons que ce sera beaucoup plus simple, plus efficace, et option de coût d'investissement inférieur pour la production d'ETR, " Wang a dit. " Nous pouvons concevoir et étendre le processus de production; il reste encore du travail à accomplir pour démontrer ces nouvelles technologies à plus grande échelle. Nous avons eu du succès dans de nombreuses séparations chromatographiques difficiles, y compris la purification des isotopes médicaux, sucres, acides aminés, médicaments chiraux, insuline, polymères, et plein d'autres. Ainsi, nous sommes convaincus que nous pouvons produire des terres rares de haute pureté à partir de cendres de charbon."
