Une nouvelle méthode améliore l'extraction et la séparation des éléments des terres rares - un groupe de 17 éléments essentiels pour des technologies telles que les téléphones intelligents et les batteries de voitures électriques - à partir de sources non conventionnelles. Une nouvelle recherche menée par des scientifiques de Penn State et du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) démontre comment une protéine isolée de bactéries peut fournir un moyen plus écologique d'extraire ces métaux et de les séparer des autres métaux et les uns des autres. La méthode pourrait éventuellement être étendue pour aider à développer un approvisionnement national en métaux des terres rares à partir de déchets industriels et d'électronique devant être recyclés.

« Afin de répondre à la demande croissante d'éléments de terres rares à utiliser dans les technologies émergentes d'énergie propre, nous devons relever plusieurs défis dans la chaîne d'approvisionnement, " a déclaré Joseph Cotruvo Jr., professeur adjoint et professeur de développement de carrière Louis Martarano de chimie à Penn State, membre du Penn State's Center for Critical Minerals, et les auteurs co-correspondants de l'étude. « Cela comprend l'amélioration de l'efficacité et l'atténuation de la charge environnementale des processus d'extraction et de séparation de ces métaux. Dans cette étude, nous démontrons une nouvelle méthode prometteuse utilisant une protéine naturelle qui pourrait être mise à l'échelle pour extraire et séparer les éléments des terres rares des sources de qualité inférieure, y compris les déchets industriels.

Étant donné que les États-Unis importent actuellement la plupart des éléments de terres rares dont ils ont besoin, un nouvel accent a été mis sur l'établissement d'un approvisionnement domestique à partir de sources non conventionnelles, y compris les déchets industriels provenant de la combustion du charbon et de l'extraction d'autres métaux ainsi que les déchets électroniques des téléphones portables et de nombreux autres matériaux. Ces sources sont vastes mais considérées comme « de faible teneur, " parce que les terres rares sont mélangées à de nombreux autres métaux et que la quantité de terres rares présentes est trop faible pour que les procédés traditionnels fonctionnent bien. De plus, les méthodes actuelles d'extraction et de séparation reposent sur des produits chimiques agressifs, sont à forte intensité de main-d'œuvre, impliquent parfois des centaines d'étapes, produire un volume important de déchets, et sont d'un coût élevé.

La nouvelle méthode tire parti d'une protéine bactérienne appelée lanmoduline, précédemment découvert par l'équipe de recherche, c'est presque un milliard de fois mieux pour se lier aux éléments des terres rares qu'aux autres métaux. Un article décrivant le processus paraît en ligne le 8 octobre dans la revue ACS Science centrale.

La protéine est d'abord immobilisée sur de minuscules billes à l'intérieur d'une colonne - un tube vertical couramment utilisé dans les processus industriels - à laquelle le matériau source liquide est ajouté. La protéine se lie alors aux éléments des terres rares de l'échantillon, ce qui permet de ne retenir dans la colonne que les terres rares et d'évacuer le liquide restant. Puis, en changeant les conditions, par exemple en modifiant l'acidité ou en ajoutant des ingrédients supplémentaires, les métaux se détachent de la protéine et peuvent être drainés et collectés. En changeant soigneusement les conditions dans l'ordre, les éléments individuels des terres rares pourraient être séparés.

"Nous avons d'abord démontré que la méthode est exceptionnellement bonne pour séparer les éléments des terres rares des autres métaux, ce qui est essentiel lorsqu'il s'agit de sources de faible teneur qui sont un méli-mélo de métaux pour commencer, " a déclaré Cotruvo. " Même dans une solution très complexe où moins de 0,1% des métaux sont des terres rares - une quantité extrêmement faible - nous avons réussi à extraire puis à séparer un groupe de terres rares plus légères d'un groupe de terres rares plus lourdes dans un pas. Cette séparation est une étape simplificatrice essentielle car les terres rares doivent être séparées en éléments individuels pour être incorporées dans les technologies."

L'équipe de recherche a séparé l'yttrium (Y) du néodyme (Nd) - tous deux abondants dans les gisements primaires de terres rares et les sous-produits du charbon - avec une pureté supérieure à 99 %. Ils ont également séparé le néodyme du dysprosium (Dy) - un appariement crucial qui est courant dans les déchets électroniques - avec une pureté supérieure à 99,9 % en seulement un ou deux cycles, selon la composition initiale du métal.

"La haute pureté du néodyme et du dysprosium récupérés est comparable à d'autres méthodes de séparation et a été accomplie en autant ou moins d'étapes sans utiliser de solvants organiques agressifs, " dit Ziye Dong, chercheur postdoctoral au LLNL et premier auteur de l'étude. « Parce que la protéine peut être utilisée pendant de nombreux cycles, il offre une alternative écologique attrayante aux méthodes actuellement utilisées."

Les chercheurs ne pensent pas que leur méthode supplantera nécessairement le processus d'extraction liquide-liquide actuel qui est couramment utilisé pour la production en grand volume d'éléments de terres rares plus légers à partir de sources de haute qualité. Au lieu, il permettra une utilisation efficace des sources à faible teneur et en particulier pour l'extraction et la séparation des terres rares lourdes les plus rares et généralement beaucoup plus précieuses.

"D'autres méthodes récentes sont capables d'extraire des éléments de terres rares à partir de sources à faible teneur, mais ils s'arrêtent généralement à un produit "total" qui a toutes les terres rares regroupées, qui a relativement peu de valeur et doit ensuite être canalisé dans des schémas plus conventionnels pour une purification plus poussée des éléments de terres rares individuels, " a déclaré Dan Park, scientifique du LLNL et co-auteur de l'étude. "La valeur réside vraiment dans la production de terres rares individuelles et en particulier des éléments les plus lourds."

« Notre procédé est particulièrement pratique car ces métaux de grande valeur peuvent d'abord être purifiés de la colonne, " a ajouté Cotruvo.

Les chercheurs prévoient d'optimiser la méthode afin que moins de cycles soient nécessaires pour obtenir les produits les plus purs et qu'elle puisse être étendue à une utilisation industrielle.

"Si nous pouvons concevoir des dérivés de la protéine lanmoduline avec une plus grande sélectivité pour des éléments spécifiques, nous pourrions récupérer et séparer les 17 éléments de terres rares en un nombre relativement petit d'étapes, même des mélanges les plus complexes, et sans aucun solvant organique ni produit chimique toxique, ce qui serait très grave, " a déclaré Cotruvo. "Notre travail montre que cet objectif doit être réalisable."