Il n'est pas rare dans le monde scientifique qu'un processus ait de nombreuses applications uniques. Par exemple, les chercheurs du Laboratoire national de l'Idaho ont pris une technologie de traitement de l'eau et l'ont adaptée pour une autre fonction importante pour l'environnement :la séparation sélective des éléments de terres rares et des métaux de transition. Ce processus chimique, récemment décrit dans un Nature Communications article, réduit considérablement la consommation d'énergie et de produit impliquée dans la récupération des éléments de terres rares.

Les métaux de terres rares sont un ensemble d'éléments métalliques chimiquement similaires qui ont tendance à se produire à de faibles concentrations dans la nature et peuvent être difficiles à séparer les uns des autres. Ils sont précieux pour leur utilisation dans les moteurs de voitures électriques, les disques durs d'ordinateurs et les éoliennes. Les métaux de transition sont une classe de métaux qui sont d'excellents conducteurs de chaleur et d'électricité, souvent avec des points de fusion élevés et des propriétés structurelles uniques, ce qui les rend essentiels pour produire des alliages courants comme l'acier et le cuivre, ainsi que des cathodes de batterie lithium-ion.

Actuellement, la plupart des composants porteurs de ces métaux sont simplement éliminés. La nouvelle méthode d'INL pour extraire ces métaux précieux implique l'éther diméthylique, un composé gazeux qui a été l'un des premiers réfrigérants commerciaux. Il entraîne la cristallisation fractionnée, un processus qui divise les substances chimiques en fonction de leur solubilité, pour séparer les éléments de terres rares et les métaux de transition des déchets d'aimants.

"Ce processus commence par un aimant qui n'est plus utile, qui est coupé et broyé en copeaux", a déclaré Caleb Stetson, le responsable expérimental du projet. "Les copeaux d'aimants sont ensuite mis dans une solution avec des lixiviants, un liquide utilisé pour extraire sélectivement les métaux du matériau. Une fois que les métaux souhaités sont lessivés du matériau dans le liquide, nous pouvons alors appliquer un processus de traitement."

Le procédé à base d'éther diméthylique utilise beaucoup moins d'énergie et de pression que les méthodes traditionnelles, généralement menées à des centaines de degrés Celsius. La cristallisation fractionnée peut être réalisée à température ambiante et ne nécessite que des pressions légèrement élevées d'environ cinq atmosphères. En comparaison, la pression dans une canette de soda de 12 onces non ouverte est de 3,5 atmosphères. Les faibles besoins en énergie et en pression permettent également d'économiser de l'argent.

Les technologies concurrentes utilisent également des « réactifs » chimiques ajoutés pour entraîner la précipitation et d'autres séparations, qui deviennent inévitablement des déchets supplémentaires avec des conséquences financières et environnementales. Ce n'est pas le cas avec la cristallisation fractionnée à base de diméthyléther.

Aaron Wilson, le chercheur principal du projet, a sélectionné l'éther diméthylique pour sa facilité de récupération, surmontant une lacune des tentatives antérieures d'utilisation de solvants pour conduire des séparations de matériaux critiques. En faisant chuter la pression puis en recompressant le gaz à la fin de l'expérience, l'équipe peut récupérer le solvant et le réutiliser dans les cycles futurs.

Le procédé présente également d'autres avantages. "Il peut être difficile d'ajuster les températures pour la cristallisation par évaporation, mais ce processus de cristallisation fractionnée élimine tous ces défis", a déclaré Stetson. "Pour que le processus sépare des fractions distinctes d'une solution contenant du métal, nous n'avons qu'à ajuster la température de 10 degrés."

Lors du développement de ce procédé à base de solvant pour la récupération de métaux sans déchet, l'équipe a travaillé en étroite collaboration avec certains des procédés électrochimiques de récupération de métaux de terres rares déjà en place à l'INL. Cela inclut l'effort E-RECOV, qui utilise une cellule électrochimique pour récupérer efficacement les métaux des appareils électroniques mis au rebut. La réduction de l'intensité énergétique et du profil de déchets de la récupération des matériaux critiques a également des implications importantes en matière de justice environnementale. Au cours des dernières décennies, l'extraction primaire, comme l'exploitation minière et l'amélioration de la valeur économique du produit par l'extraction stratégique du minerai, l'exploitation minière et la valorisation) a été déplacée vers des pays sous-développés comme le Congo, tandis que le traitement en aval à forte intensité énergétique a été délocalisé vers l'Asie. Une grande partie de cette délocalisation a été motivée par l'aversion du public pour les processus d'extraction minière "sales" qui se déroulent dans leur arrière-cour. La création d'une méthode plus propre facilitera la récupération des matériaux critiques au pays et à l'étranger sans exposer les communautés mal desservies à des conditions dangereuses.

De plus, Wilson et son équipe de recherche travaillent sur les déchets associés à la production de gypse synthétique via un projet pour l'Alliance nationale pour l'innovation dans l'eau. Le gypse synthétique, source de près de 30 % des cloisons sèches aux États-Unis, est produit lors de l'épuration des oxydes de soufre des gaz de combustion pour prévenir les pluies acides. Leur équipe isole les déchets du processus de fabrication à l'aide d'éther diméthylique. Ce traitement a le potentiel de créer encore plus de produits à partir de ce qui n'était à l'origine qu'un problème environnemental.

Les travaux de récupération des éléments de terres rares et des métaux de transition "n'auraient pas été possibles sans la collaboration de l'INL au sein du Critical Materials Institute du Ames National Laboratory", a déclaré Stetson. "Cela nous a permis d'accéder à des matériaux du monde réel et de mener des recherches approfondies à l'échelle du laboratoire." + Explorer plus loin

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