Notre société de consommation connectée génère beaucoup de déchets électroniques, environ 50 millions de tonnes par an dans le monde. Ce sont même actuellement les déchets qui affichent la plus forte croissance d'une année sur l'autre. La valeur des matières premières incluses dans ces déchets est estimée à 50-60 milliards d'euros, selon les prix des matériaux. La législation et les filières de recyclage de ces déchets sont organisées dans de nombreux pays, grâce aux systèmes de responsabilité élargie des producteurs, mais actuellement, seulement 20 % sont recyclés dans un processus certifié. En outre, des soixante éléments chimiques présents dans les déchets électroniques, seule une minorité est recyclée, dix au nombre_ :or, argent, platine, cobalt, étain, le cuivre, fer à repasser, aluminium et plomb). Tout le reste finit _ in fine_ gaspillé dans les décharges.

L'idéal, du point de vue de l'économie circulaire, serait d'une part de prolonger au maximum la durée de vie de ces appareils électroniques, notamment en prolongeant la première utilisation, et d'autre part faciliter et favoriser la réutilisation ou la réparation. Il n'en demeure pas moins que ces décharges représentent de véritables « mines urbaines » :des gisements potentiels pour ceux qui savent les exploiter.

Comment traiter les déchets électroniques ?

Recycler les déchets électroniques, c'est séparer les matériaux, molécules ou éléments chimiques, afin qu'ils puissent être vendus comme matières premières pour la fabrication de nouveaux produits. Vous devez d'abord démonter les appareils et les composants, les trier, les broyer, et enfin séparer les matériaux, le plus souvent par incinération puis par des procédés chimiques en solution.

Obtenir plus de produits chimiques de la mine urbaine est plus facile à dire qu'à faire. Les déchets électroniques sont de nature très variée et sont souvent mélangés à d'autres types de déchets. La composition des déchets à traiter varie donc d'une pelletée de cendres d'incinérateur à déchets ou d'un lot de déchets à l'autre. Cela contraste avec l'exploitation d'une mine « traditionnelle » où la composition du minerai est beaucoup plus simple et constante, du moins en comparaison.

Le chimiste est confronté à un problème de séparation extrêmement complexe. Cela explique en partie pourquoi l'industrie du recyclage se concentre actuellement sur les métaux les plus concentrés ou économiquement intéressants à récupérer, d'où la liste ci-dessus.

Nouvelle stratégie :démanteler, sorte, moudre, dissoudre

Le tri vise à minimiser la complexité chimique du mélange à traiter, ainsi que sa variabilité. Elle peut se faire à toutes les échelles :celle de l'appareil (type, génération), de ses modules (circuits imprimés, piles, enveloppes extérieures, cadres, etc.), de leurs composants électroniques élémentaires (câbles, résistances, capacités, frites, planches nues, etc.), ou encore au niveau de la poudre issue du broyage, qui peut être réalisé à toutes les échelles décrites.

Le démontage complet des appareils est théoriquement l'approche la plus efficace. Mais, en raison de la multiplicité et de la complexité des équipements, il est difficile d'automatiser cette étape :le démontage s'effectue encore majoritairement manuellement, ce qui signifie que son coût est souvent trop élevé pour permettre un tri jusqu'au niveau des composants élémentaires.

Par conséquent, l'approche la plus courante chez les recycleurs (VTT, Paprec, Véolia), avant tout traitement chimique, est le broyage à l'échelle du dispositif ou de ses modules, suivies d'étapes de séparation des particules par des méthodes physiques utilisant les différences de densités ou de propriétés magnétiques. Selon la pureté des poudres obtenues, des traitements thermiques ou chimiques sont ensuite utilisés pour affiner la composition des produits finaux.

Dans le dernier cas, le procédé de séparation en solution d'éléments chimiques le plus utilisé est l'extraction dite liquide-liquide. Elle consiste généralement d'abord à dissoudre les métaux ou leurs oxydes dans un acide (par exemple l'acide nitrique), puis faire une émulsion, soit l'équivalent d'une vinaigrette française. La solution acide ("vinaigre") est vigoureusement mélangée à un solvant organique (tel que le kérosène, "huile") dans une colonne d'extraction et une ou plusieurs molécules ("moutarde") ayant la propriété de favoriser le transfert de certains métaux ("arômes") de l'acide au solvant. Comme cette étape de séparation est rarement parfaite, il est répété en série afin d'atteindre les niveaux de pureté souhaités. Quelques douzaines, même plusieurs centaines, des extractions successives sont parfois nécessaires pour atteindre la pureté souhaitée.

L'optimisation des coûts et de l'efficacité de tels procédés nécessite l'étude de l'influence d'un très grand nombre de paramètres (par exemple, les concentrations d'espèces chimiques, acidité, Température, etc.) afin de définir la combinaison qui représente le meilleur compromis.

De nouveaux procédés pour augmenter le taux de recyclage

Dans le laboratoire SCARCE, nous travaillons sur de nouveaux procédés qui permettront à terme « d'augmenter le nombre d'éléments chimiques recyclés et d'augmenter leurs taux de recyclage :d'une part avec des procédés mécaniques (automatisation du démontage et du tri), d'autre part avec des procédés d'extraction chimique en solution.

Par exemple, comme nous l'avons vu, la composition chimique des déchets électroniques est très variable. La mise au point d'un procédé d'extraction, pour une composition chimique donnée, peut facilement prendre cinq à dix ans de recherche et d'optimisation et l'adaptation d'un procédé existant à une nouvelle composition (par exemple un nouveau métal) demande plusieurs mois à plusieurs années. Ceci est difficilement compatible avec les volumes de déchets, les ressources et le temps disponibles pour recycler les déchets.

Tuyauterie microscopique pour optimiser l'extraction des éléments

Pour réduire le temps et le coût de développement de nouveaux procédés d'extraction, nous avons miniaturisé et intégré dans un seul appareil la microfluidique automatisée tous les équipements nécessaires à une étude de procédé. Dans un dispositif microfluidique, la tuyauterie est inférieure au millimètre (dans notre cas 100 µm d'épaisseur, l'épaisseur de deux cheveux ou moins). Cela permet d'utiliser de très faibles quantités de matière :quelques microlitres de solvants et d'acides au lieu de millilitres, et quelques milligrammes de composés chimiques au lieu de grammes. Avec l'intégration de méthodes d'analyse (rayons X, infrarouge et capteurs), on peut étudier les différentes combinaisons de paramètres en continu, automatiquement et rapidement. Cela nous permet de faire une étude en quelques jours qui peut normalement prendre jusqu'à plusieurs mois.

Avantage supplémentaire de la microfluidique par rapport à un dispositif classique :on comprend mieux les phénomènes de transferts d'éléments chimiques à l'interface entre l'eau et l'huile. En effet, nous contrôlons à la fois la surface d'échange entre l'eau et l'huile grâce à l'utilisation de membranes poreuses, ainsi que le temps de contact entre les deux phases, qui sont poussés dans les canaux microfluidiques à l'aide de pompes à seringue commandées par ordinateur. Les flux de matières peuvent alors être calculés avec précision.

Valorisation des terres rares :des matières précieuses et peu recyclées

Cette approche nous a permis récemment d'étudier l'extraction de métaux stratégiques retrouvés dans les téléphones portables. Ces métaux, indispensable dans les technologies modernes, sont produites principalement en Chine et sont peu recyclées à l'heure actuelle – moins de 5 %. C'est d'autant plus regrettable que leur production est très chère et peut poser des problèmes sociétaux et environnementaux.

Nos résultats montrent que l'association de deux molécules extractives spécifiques permet d'extraire les terres rares avec une efficacité presque 100 fois supérieure à l'efficacité des extractions avec les molécules utilisées séparément. En outre, nous avons démontré une extraction efficace à des concentrations d'acide 10 à 100 fois inférieures à celles utilisées dans l'industrie, qui génère moins de pollution. Nous avons également identifié des combinaisons de paramètres qui permettent de séparer beaucoup plus efficacement les terres rares les unes des autres, ce qui est classiquement très difficile à réaliser en quelques étapes. Nous étudions maintenant la transposition de ces résultats, obtenu à très petite échelle, à celui de l'outil de production industrielle.

Finalement, notre approche microfluidique est modulaire ce qui signifie que chacun des modules peut trouver son utilité dans d'autres cas, par exemple, le module d'extraction liquide-liquide peut être utile pour l'étude de procédés d'extraction de molécules organiques (huiles essentielles); ou encore le module de spectroscopie infrarouge pour le suivi en ligne des procédés agroalimentaires ou pharmaceutiques. Il vous permet de déterminer la quantité d'eau non liée - c'est l'eau qui entoure les molécules qui y sont dissoutes, mais qui n'interagissent pas avec eux, un paramètre clé à suivre dans de nombreuses formulations de ces industries.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.