Ramesh Bhave du Oak Ridge National Laboratory a co-inventé un processus pour récupérer des éléments de terres rares de haute pureté à partir d'aimants mis au rebut de disques durs d'ordinateur (illustrés ici) et d'autres déchets post-consommation. Crédit :Carlos Jones/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Les éléments de terres rares sont la "sauce secrète" de nombreux matériaux avancés pour l'énergie, transport, applications de défense et de communication. Leur plus grande utilisation pour l'énergie propre est dans les aimants permanents, qui conservent des propriétés magnétiques même en l'absence de champ ou de courant inducteur.
Maintenant, Des chercheurs du département américain de l'Énergie ont inventé un procédé pour extraire les éléments des terres rares des aimants mis au rebut des disques durs usagés et d'autres sources. Ils ont breveté et étendu le processus lors de démonstrations en laboratoire et travaillent avec Momentum Technologies, titulaire de la licence ORNL, à Dallas pour étendre davantage le processus afin de produire des lots commerciaux d'oxydes de terres rares.
« Nous avons développé un système écoénergétique, rentable, processus respectueux de l'environnement pour récupérer des matériaux critiques à haute valeur ajoutée, " a déclaré le co-inventeur Ramesh Bhave du laboratoire national d'Oak Ridge du DOE, qui dirige l'équipe des technologies membranaires dans la division des sciences chimiques de l'ORNL. "C'est une amélioration par rapport aux procédés traditionnels, qui nécessitent des installations avec un encombrement important, des coûts d'investissement et d'exploitation élevés et une grande quantité de déchets générés."
Les aimants permanents aident les disques durs des ordinateurs à lire et à écrire des données, moteurs d'entraînement qui déplacent les voitures hybrides et électriques, coupler des éoliennes avec des générateurs pour produire de l'électricité, et aider les smartphones à traduire les signaux électriques en sons.
Le procédé breveté récupère plus de 97 % des éléments des terres rares des aimants mis au rebut à des puretés supérieures à 99,5 % en poids. Le matériau récupéré peut être transformé en de nouveaux aimants pour l'électronique et d'autres applications. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie ; créé par Syed Islam et Jason Smith
Grâce au procédé breveté, les aimants sont dissous dans l'acide nitrique, et la solution est alimentée en continu à travers un module supportant des membranes polymères. Les membranes contiennent des fibres creuses poreuses avec un agent d'extraction qui sert en quelque sorte de « flic de la circulation » chimique ; il crée une barrière sélective et ne laisse passer que les éléments des terres rares. La solution riche en terres rares collectée de l'autre côté est encore traitée pour donner des oxydes de terres rares à des puretés dépassant 99,5 %.
C'est remarquable étant donné que généralement, 70% d'un aimant permanent est du fer, qui n'est pas une terre rare. "Nous sommes essentiellement capables d'éliminer complètement le fer et de ne récupérer que les terres rares, " A déclaré Bhave. Extraire les éléments souhaitables sans co-extraire les éléments indésirables signifie que moins de déchets sont créés qui nécessiteront un traitement et une élimination en aval.
Les partisans du travail comprennent le Critical Materials Institute du DOE, ou CMI, pour la recherche sur les séparations et le Bureau des transitions technologiques du DOE, ou OTT, pour la mise à l'échelle du processus. ORNL est membre de l'équipe fondatrice de CMI, un centre d'innovation énergétique du DOE dirigé par le laboratoire Ames du DOE et géré par l'Advanced Manufacturing Office. L'« exploitation » par Bhave d'une solution acide avec des membranes sélectives rejoint d'autres technologies prometteuses de CMI pour la récupération des terres rares, y compris un processus simple qui écrase et traite les aimants et une alternative sans acide.
L'industrie dépend de matériaux critiques, et la communauté scientifique développe des procédés pour les recycler. Cependant, aucun procédé commercialisé ne recycle les éléments de terres rares pures à partir d'aimants de déchets électroniques. C'est une énorme opportunité manquée compte tenu de 2,2 milliards d'ordinateurs personnels, les tablettes et les téléphones portables devraient être expédiés dans le monde entier en 2019, selon Gartner. "Tous ces appareils contiennent des aimants de terres rares, " Bhave noté.
Les aimants de matière première pour le projet provenaient de diverses sources dans le monde entier. Tim McIntyre de l'ORNL, qui dirige un projet CMI développant une technologie robotique pour extraire des aimants des disques durs, fourni certains. Métaux Wistron et Okon, tous les deux du Texas, et les matériaux spéciaux Grichma, de l'Inde, fournissait d'autres. Les plus gros aimants provenaient d'appareils d'IRM, qui utilisent 110 livres (50 kilogrammes) d'aimants néodyme-fer-bore. Crédit :Carlos Jones/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
le projet de Bhave, qui a débuté en 2013, est un travail d'équipe. John Klaehn et Eric Peterson du laboratoire national de l'Idaho du DOE ont collaboré à une première phase de la recherche axée sur la chimie, et Ananth Iyer, professeur à l'Université Purdue, plus tard, il a évalué la faisabilité technique et économique de la mise à l'échelle. A l'ORNL, les anciens boursiers postdoctoraux Daejin Kim et Vishwanath Deshmane ont étudié le développement et la mise à l'échelle des processus de séparation, respectivement. L'équipe ORNL actuelle de Bhave, comprenant Dale Adcock, Pranathi Gangavarapu, Syed Islam, Larry Powell et Priyesh Wagh, se concentre sur l'intensification du processus et la collaboration avec des partenaires de l'industrie qui commercialiseront la technologie.
Pour garantir que les terres rares pourraient être récupérées dans un large éventail de matières premières, les chercheurs ont soumis des aimants de composition variable - provenant de sources comprenant des disques durs, machines d'imagerie par résonance magnétique, téléphones portables et voitures hybrides—au processus.
La plupart des éléments des terres rares sont les lanthanides, éléments avec des numéros atomiques entre 57 et 71 dans le tableau périodique. « La formidable expertise de l'ORNL dans la chimie des lanthanides nous a donné un énorme départ, " a déclaré Bhave. "Nous avons commencé à examiner la chimie des lanthanides et les moyens d'extraction sélective des lanthanides."
Sur deux ans, les chercheurs ont adapté la chimie des membranes pour optimiser la récupération des terres rares. Maintenant, leur procédé récupère plus de 97% des éléments des terres rares.
À ce jour, le projet de recyclage de Bhave a abouti à un brevet et à deux publications (ici et ici) documentant la récupération de trois éléments des terres rares :le néodyme, praséodyme et dysprosium—sous forme de mélange d'oxydes.
La deuxième phase de séparations a commencé en juillet 2018 avec un effort pour séparer le dysprosium du néodyme et du praséodyme. Un mélange des trois oxydes se vend 50 $ le kilogramme. Si le dysprosium pouvait être séparé du mélange, son oxyde pourrait être vendu cinq fois plus cher.
La deuxième phase du programme explorera également si le processus sous-jacent de l'ORNL pour séparer les terres rares peut être développé pour séparer d'autres éléments en demande des batteries lithium-ion. "La forte croissance attendue des véhicules électriques va nécessiter une énorme quantité de lithium et de cobalt, " a dit Bhave.
Efforts industriels nécessaires pour déployer le procédé ORNL sur le marché, financé sur deux ans par le fonds de commercialisation de la technologie OTT du DOE, a débuté en février 2019.
L'objectif est de récupérer chaque mois des centaines de kilogrammes d'oxydes de terres rares et de valider, vérifier et certifier que les fabricants pourraient utiliser les matériaux recyclés pour fabriquer des aimants équivalents à ceux fabriqués avec des matériaux vierges.
