Un échantillon de cuivre presque pur est déposé sur une électrode de fer après extraction par un procédé électrochimique développé par des chercheurs du laboratoire du professeur agrégé du MIT Antoine Allanore. Crédit :Denis Paiste/Laboratoire de recherche sur les matériaux
Antoine Allanore, professeur agrégé de métallurgie au MIT, a reçu une subvention de 1,9 million de dollars de l'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) du département américain de l'Énergie pour effectuer des tests à plus grande échelle d'une nouvelle façon de produire du cuivre en utilisant l'électricité pour séparer le cuivre du soufre fondu. minéraux à base, qui sont les principales sources de cuivre.
L'un des principaux objectifs d'Allanore est de fabriquer du cuivre de haute pureté pouvant être utilisé directement dans la production de fil de cuivre, qui est de plus en plus demandée pour des applications allant des énergies renouvelables aux véhicules électriques. La production de voitures et de bus électriques et hybrides devrait passer de 3,1 millions de véhicules en 2017 à 27,2 millions d'ici 2027, avec une augmentation de neuf fois de la demande de cuivre de 204, 000 tonnes métriques à 1,9 million de tonnes métriques (2,09 millions de tonnes américaines) sur la même période, selon un rapport IDTechEx de mars 2017 commandé par l'International Copper Association (ICA).
En juin 2017, les chercheurs du laboratoire d'Allanore ont identifié comment séparer sélectivement le cuivre pur et d'autres éléments métalliques du minerai sulfuré en une seule étape. Leur procédé d'électrolyse au sulfure fondu élimine le dioxyde de soufre, un sous-produit nocif des méthodes traditionnelles d'extraction du cuivre, à la place, produisant du soufre élémentaire pur.
"Nous pensons qu'avec notre technologie, nous pourrions fournir à ces fils de cuivre une consommation d'énergie moindre et une productivité plus élevée, " dit Allanore. Il est peut-être possible de réduire de 20 % l'énergie nécessaire à la fabrication du cuivre.
Dans des recherches antérieures, postdoctoral Sulata K. Sahu et étudiant diplômé Brian J. Chmielowiec '12, décomposé les minéraux riches en soufre à haute température en soufre pur et extrait trois métaux différents à très haute pureté :cuivre, molybdène, et le rhénium. Le procédé est similaire au procédé Hall-Héroult, qui utilise l'électrolyse pour produire de l'aluminium, mais fonctionne à une température de fonctionnement plus élevée pour permettre la production de cuivre liquide.
Actuellement, il faut plusieurs étapes pour séparer le cuivre, premier concassage de minéraux sulfurés, puis flotter les pièces en cuivre. Ce matériau riche en cuivre, le concentré de cuivre, est ensuite partiellement raffiné dans une fonderie, et encore purifié par raffinage électrolytique. "L'approche du professeur Allanore fonctionnerait sur le concentré de cuivre et a le potentiel de produire une tige de cuivre en une seule opération tout en séparant les impuretés indésirables et en récupérant les sous-produits précieux qui sont également dans le concentré, " dit Hal Stillman, directeur du développement et du transfert de technologies pour l'International Copper Association. « L'approche du professeur Allanore est un grand pas; elle permet une approche complètement nouvelle du raffinage du cuivre.
Les trois ans, L'attribution de 1,89 million de dollars du DOE permettra au groupe d'Allanore de fabriquer un réacteur plus grand, produisant environ 10 fois plus de cuivre liquide par heure, et faire fonctionner le réacteur plus longtemps, suffisant pour identifier ce qui arrive aux autres métaux accompagnant le cuivre, qui ont également une importance commerciale.
L'effort de groupe d'Allanore a commencé cette année, et il espère qu'il fournira les données nécessaires pour passer à une usine pilote d'ici trois ans. « Nous visons à être prêts à fournir les critères de conception, le matériau et les conditions d'exploitation d'un réacteur de démonstration d'une tonne par jour, " dit Allanore. " Si tout est réussi, c'est ce que nous allons livrer."
Les principaux défis techniques à surmonter consistent à prouver la durabilité du processus sur une plus longue période et à vérifier la pureté des métaux qui sont fabriqués au cours du processus. Certains des sous-produits de la production de cuivre, sélénium, par exemple, sont précieux en eux-mêmes.
« La révolution que nous proposons, c'est qu'un seul réacteur ferait tout. Il fabriquerait le cuivre liquide et nous permettrait de récupérer le soufre élémentaire, et nous permet de récupérer le sélénium, " dit Allanore. " Nous utilisons de l'électricité, et les électrons peuvent être très sélectifs, nous utilisons donc les électrons d'une manière qui permet la séparation la plus efficace des produits du processus chimique."
La pyrométallurgie conventionnelle produit du cuivre en brûlant le minerai à l'air, nécessite quatre étapes et produit des composés nocifs comme le dioxyde de soufre (SO2) qui nécessitent un traitement secondaire en acide sulfurique. Le premier lot de cuivre nécessite également un traitement ultérieur. "Il laisse derrière lui du cuivre métallique avec trop de soufre et trop d'oxygène, trop pour la production directe de fil en aval, " dit Allanore.
La nouvelle méthode d'électrolyse du sulfure fondu du laboratoire Allanore gère mieux les traces de métaux et les autres impuretés qui accompagnent le cuivre, permettant la séparation de plusieurs éléments à haute pureté à partir du même processus de production. "Par conséquent, nous pouvons repenser le processus de fabrication des fils de cuivre, " dit Allanore.
« L'essentiel est d'apporter au secteur - les sociétés minières, les fonderies existantes et les producteurs de cuivre existants - certaines données qui montrent ce qui se passe sur des opérations plus longues et à plus grande échelle, " dit Allanore.
L'International Copper Association a mené une évaluation du cycle de vie qui a identifié plusieurs domaines dans lesquels l'industrie du cuivre peut améliorer son empreinte environnementale. L'étude indique que l'industrie doit continuer à réduire les émissions de dioxyde de soufre sur site et à obtenir son électricité à partir de sources plus respectueuses de l'environnement. Le projet d'Allanore est pertinent pour ces deux questions. « Si développé et déployé, il a le potentiel de diminuer la demande d'énergie, fonctionner entièrement aux énergies renouvelables, et réduire les émissions de dioxyde de soufre, ", a déclaré Stillman, directeur de la technologie de l'ICA. "En outre, il peut séparer les impuretés indésirables et récupérer les sous-produits précieux du concentré. À l'heure actuelle, la preuve technique qui suscite l'enthousiasme est une démonstration de principe à petite échelle. C'est formidable qu'EERE ait fourni le financement initial nécessaire pour explorer le potentiel. Si le processus fonctionne à plus grande échelle, ce pourrait être le type d'approche révolutionnaire que l'industrie recherche."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
