Recyclage rare

Voici des pièces électroniques d'anciens ordinateurs. Le recyclage des métaux des terres rares dans ces pièces pourrait aider à répondre à la demande de ces matériaux de grande valeur.

Adam Smigielski/iStock/Getty Images Plus

Par Erin Wayman

4 mai 2023 à 6h30

Nos vies modernes dépendent des métaux connus sous le nom de terres rares. Malheureusement, ces éléments sont si largement utilisés et populaires qu'un jour prochain, nous n'en aurons peut-être plus assez pour répondre aux besoins de la société.

En raison de leurs propriétés particulières, ces 17 métaux sont devenus essentiels pour les écrans d'ordinateur, les téléphones portables et autres appareils électroniques à haute performance. Les lampes fluocompactes les utilisent. Il en va de même pour les appareils d'imagerie médicale, les lasers, les aimants haute puissance, les fibres optiques et les pigments. Ils sont même dans les batteries rechargeables des voitures électriques. Ces éléments sont également une porte d'entrée vers un avenir à faible ou zéro carbone respectueux du climat.

En 2021, le monde a extrait 280 000 tonnes de terres rares. C'est environ 32 fois plus qu'au milieu des années 1950. D'ici 2040, les experts estiment que nous aurons besoin de sept fois plus que ce que nous utilisons aujourd'hui.

Il n'y a pas de bons substituts pour la plupart des emplois que font les terres rares. Il ne sera donc pas facile de satisfaire notre appétit pour ces métaux. On ne les trouve pas dans les gisements riches. Les mineurs doivent donc extraire d'énormes quantités de minerai pour les obtenir. Ensuite, les entreprises doivent utiliser une combinaison de procédés physiques et chimiques pour concentrer les métaux et les séparer.

Ces processus consomment beaucoup d'énergie. Ils sont également sales et utilisent des produits chimiques toxiques. Autre préoccupation : la Chine est presque le seul endroit où ces métaux sont extraits et transformés. À l'heure actuelle, par exemple, l'ensemble des États-Unis n'a qu'une seule mine de terres rares en activité.

Tout cela explique pourquoi les chercheurs cherchent à recycler ces métaux. Le recyclage « va jouer un rôle très important et central », déclare Ikenna Nlebedim. Il est spécialiste des matériaux à l'Institut des matériaux critiques du Département de l'énergie. (Il est géré par Ames National Laboratory dans l'Iowa.)

D'ici 10 ans, dit Nlebedim, le recyclage pourrait répondre jusqu'à un quart des besoins en terres rares. Si c'est vrai, dit-il, ce serait "énorme".

Aux États-Unis et en Europe, il est courant de recycler de 15 à 70 % des métaux à forte utilisation, tels que l'acier. Pourtant, aujourd'hui, seulement 1 % environ des terres rares contenues dans les anciens produits sont recyclées, note Simon Jowitt. Géologue, il travaille à l'Université du Nevada à Las Vegas.

"Le câblage en cuivre peut être recyclé en plus de câblage en cuivre. L'acier peut simplement être recyclé en plus d'acier", dit-il. Mais beaucoup de produits de terres rares ne sont "pas très recyclables".

Pourquoi? Souvent, ils ont été mélangés avec d'autres métaux. Les séparer à nouveau peut être très difficile. À certains égards, le recyclage des terres rares à partir d'objets jetés est à peu près aussi difficile que de les extraire du minerai et de les traiter.

Le recyclage des terres rares a tendance à utiliser des produits chimiques dangereux, tels que l'acide chlorhydrique. Il utilise également beaucoup de chaleur - et donc beaucoup d'énergie. Et cet effort ne peut récupérer qu'une infime quantité de métal. Le disque dur d'un ordinateur, par exemple, peut ne contenir que quelques grammes (moins d'une once) de métaux de terres rares. Certains produits pourraient en avoir juste un millième de plus.

Mais les scientifiques essaient de développer de meilleures approches de recyclage pour réduire le besoin d'extraire davantage de ces métaux.

Une approche recrute des microbes. Les bactéries Gluconobacter produisent naturellement des acides organiques. Ces acides peuvent extraire les terres rares - telles que le lanthane et le cérium - des catalyseurs usagés ou des phosphores incandescents qui font briller les lampes fluorescentes. Les acides bactériens sont moins nocifs pour l'environnement que les autres acides de lixiviation des métaux, explique Yoshiko Fujita. Elle est biogéochimiste au Laboratoire national de l'Idaho à Idaho Falls.

Dans les expériences, ces acides bactériens ne récupèrent qu'environ un quart à la moitié des terres rares des catalyseurs et des phosphores. Ce n'est pas aussi bon que l'acide chlorhydrique, qui dans certains cas peut extraire jusqu'à 99 %. Mais l'approche bio-sourcée pourrait encore en valoir la peine, rapportent Fujita et son équipe.

D'autres bactéries peuvent également aider à extraire les terres rares. Il y a quelques années, des chercheurs ont découvert que certains microbes produisaient une protéine capable de s'accrocher aux terres rares. Cette protéine peut séparer les terres rares les unes des autres, comme le néodyme du dysprosium utilisé dans de nombreux aimants. Un tel système pourrait éviter le recours à de nombreux solvants toxiques. Et les déchets laissés par ce processus se biodégraderont.

Une autre nouvelle technique utilise des sels de cuivre - et non des acides - pour extraire les terres rares des aimants mis au rebut. Les aimants en néodyme-fer-bore (NIB) sont les plus grands utilisateurs de terres rares. Les terres rares représentent près d'un tiers de ces aimants en poids. D'ici sept ans, le recyclage du néodyme des aimants NIB des disques durs américains pourrait répondre à environ 5 % de la demande mondiale pour ce métal (hors Chine).

Nlebedim a dirigé une équipe qui a développé une technique qui utilise des sels de cuivre pour lixivier les terres rares des aimants dans l'électronique déchiquetée. Le processus a également été utilisé sur les restes de la fabrication d'aimants. Là, il pourrait récupérer 90 à 98 % des terres rares. Les métaux extraits sont suffisamment purs pour fabriquer de nouveaux aimants, a montré l'équipe de Nlebedim. Leur procédé pourrait aussi être meilleur pour le climat. Comparée à l'une des principales façons dont les terres rares sont extraites et traitées en Chine, la méthode cuivre-sel a moins de la moitié de son empreinte carbone.

Une société de l'Iowa appelée TdVib vient de construire une usine pilote pour utiliser ce procédé cuivre-sel. Elle vise à produire deux tonnes d'oxydes de terres rares par mois. Il recyclera les terres rares des anciens disques durs des centres de données.

Noveon Magnetics est une entreprise de San Marcos, au Texas. Il fabrique déjà des aimants NIB recyclés. Après avoir démagnétisé et nettoyé les aimants mis au rebut, il broie le métal en poudre. Cette poudre est utilisée pour fabriquer de nouveaux aimants. Ici, il n'est pas nécessaire d'extraire et de séparer au préalable les terres rares. Le produit final peut être un aimant recyclé à plus de 99 %.

Par rapport à la manière habituelle de fabriquer des aimants NIB, cette méthode réduit la consommation d'énergie d'environ 90 %, ont rapporté des chercheurs dans un article de 2016. Noveon estime également qu'il n'émet qu'environ la moitié de dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre.

De nombreuses communautés ont des programmes de collecte de métal, de papier ou de verre pour le recyclage. Rien de tel n'existe pour la collecte de produits jetés contenant des terres rares, explique Fujita, au Laboratoire national de l'Idaho. Avant que le recyclage des terres rares puisse commencer, vous devrez vous rendre aux morceaux qui contiennent les métaux précieux.

Apple a lancé des efforts pour recycler certains de ses appareils électroniques. Son robot Daisy peut démonter les iPhones. Et l'année dernière, Apple a annoncé une paire de robots - Taz et Dave - qui aident au recyclage des terres rares. Taz peut rassembler des modules contenant des aimants qui sont généralement perdus lors du déchiquetage de l'électronique. Dave peut récupérer des aimants d'une autre partie des iPhones.

Pourtant, ce serait beaucoup plus facile si les entreprises concevaient simplement les produits de manière à faciliter le recyclage, explique Fujita.

Mais quelle que soit la qualité du recyclage, Jowitt ne voit pas la nécessité de stimuler les efforts miniers. La faim de la société pour les terres rares est tout simplement trop grande et croissante. Il convient cependant que le recyclage est nécessaire. "Mieux vaut essayer d'extraire ce que nous pouvons", dit-il, "plutôt que de simplement le jeter à la décharge."

bactéries: (adj.bactérien ) Organismes unicellulaires. Ceux-ci habitent presque partout sur Terre, du fond de la mer à l'intérieur d'autres organismes vivants (tels que les plantes et les animaux). Les bactéries sont l'un des trois domaines de la vie sur Terre.

biodégradable : Adjectif pour quelque chose qui est capable de se décomposer en matériaux plus simples, basé sur l'activité des microbes. Cela se produit généralement en présence d'eau, de soleil ou d'autres conditions qui aident à nourrir ces organismes.

biogéochimiste : Quelqu'un qui étudie les processus qui cyclent (ou éventuellement déposent) des éléments purs ou des composés chimiques (y compris des minéraux) entre les espèces vivantes et les aspects non vivants (tels que la roche, le sol ou l'eau) d'un écosystème. Ce domaine d'étude est connu sous le nom de biogéochimie.

gaz carbonique : (ou CO2) Gaz incolore et inodore produit par tous les animaux lorsque l'oxygène qu'ils inhalent réagit avec les aliments riches en carbone qu'ils ont consommés. Le dioxyde de carbone est également libéré lorsque la matière organique brûle (y compris les combustibles fossiles comme le pétrole ou le gaz). Le dioxyde de carbone agit comme un gaz à effet de serre, emprisonnant la chaleur dans l'atmosphère terrestre. Les plantes convertissent le dioxyde de carbone en oxygène lors de la photosynthèse, le processus qu'elles utilisent pour fabriquer leur propre nourriture.

empreinte carbone : Un terme populaire pour mesurer le potentiel de réchauffement global de divers produits ou processus. Leur empreinte carbone se traduit par la quantité de certains gaz à effet de serre - généralement du dioxyde de carbone - que quelque chose libère par unité de temps ou par quantité de produit.

catalyseur : (v. catalyser) Une substance qui aide une réaction chimique à se dérouler plus rapidement. Les exemples incluent des enzymes et des éléments tels que le platine et l'iridium.

climat: Les conditions météorologiques qui existent généralement dans une zone, en général, ou sur une longue période.

collègue : Quelqu'un qui travaille avec un autre; un collègue ou un membre de l'équipe.

centre de données : Une installation qui contient du matériel informatique, tel que des serveurs, des routeurs, des commutateurs et des pare-feu. Il abritera également des équipements pour prendre en charge ce matériel, y compris la climatisation et les alimentations de secours. Un tel centre varie en taille d'une partie d'une salle à un ou plusieurs bâtiments dédiés. Ces centres peuvent abriter ce qu'il faut pour créer un "nuage" qui rend possible l'informatique en nuage.

développer: Émerger ou faire naître, soit naturellement, soit par une intervention humaine, comme par la fabrication.

électronique: Appareils alimentés par l'électricité mais dont les propriétés sont contrôlées par les semi-conducteurs ou d'autres circuits qui canalisent ou contrôlent le mouvement des charges électriques.

élément : Un bloc de construction d'une structure plus grande. (en chimie) Chacune de plus de cent substances pour lesquelles la plus petite unité de chacune est un atome unique. Les exemples incluent l'hydrogène, l'oxygène, le carbone, le lithium et l'uranium.

creuser : (n. excavation) Pour creuser quelque chose hors du sol ou de la roche (comme des os de dinosaures); enlever la partie intérieure de quelque chose pour y faire un trou (cavité).

extrait : (v.) Séparer un produit chimique (ou composant de quelque chose) d'un mélange complexe. (nom) Une substance, souvent sous forme concentrée, qui a été retirée d'un matériau source. Les extraits sont souvent tirés de plantes (comme la menthe verte ou la lavande), de fleurs et de bourgeons (comme les roses et les clous de girofle), de fruits (comme les citrons et les oranges) ou de graines et de noix (comme les amandes et les pistaches). De tels extraits, parfois utilisés en cuisine, ont souvent des odeurs ou des saveurs très fortes.

la fibre optique: Utilisation de fibres de verre minces et flexibles (appelées fibres optiques) ou d'autres solides transparents pour transmettre des signaux lumineux, principalement pour les télécommunications.

fluorescent : (v. fluorescer) Adjectif pour quelque chose qui est capable d'absorber et de réémettre de la lumière. Cette lumière réémise est connue sous le nom de fluorescence.

gaz à effet de serre : Gaz qui contribue à l'effet de serre en absorbant la chaleur. Le dioxyde de carbone est un exemple de gaz à effet de serre.

lixivier: (en géologie et en chimie) Processus par lequel l'eau (souvent sous forme de pluie) élimine les minéraux solubles ou d'autres produits chimiques d'un solide, tel que la roche, ou du sable, de la terre, des os, des déchets ou des cendres.

aimant: Un matériau qui contient généralement du fer et dont les atomes sont disposés de manière à attirer certains métaux.

scientifique des matériaux : Un chercheur qui étudie comment la structure atomique et moléculaire d'un matériau est liée à ses propriétés globales. Les scientifiques des matériaux peuvent concevoir de nouveaux matériaux ou analyser ceux qui existent déjà. Leurs analyses des propriétés globales d'un matériau (telles que la densité, la résistance et le point de fusion) peuvent aider les ingénieurs et autres chercheurs à sélectionner les matériaux les mieux adaptés à une nouvelle application.

métal: Quelque chose qui conduit bien l'électricité, a tendance à être brillant (réfléchissant) et est malléable (ce qui signifie qu'il peut être remodelé avec de la chaleur et pas trop de force ou de pression).

microbe : Abréviation de micro-organisme. Un être vivant qui est trop petit pour être vu à l'œil nu, y compris les bactéries, certains champignons et de nombreux autres organismes tels que les amibes. La plupart consistent en une seule cellule.

microscopique : Un adjectif désignant des choses trop petites pour être vues à l'œil nu. Il faut un microscope pour voir des objets aussi petits, comme des bactéries ou d'autres organismes unicellulaires.

module : Un ensemble de pièces standardisées ou d'unités indépendantes utilisées pour assembler une structure plus complexe. Le module pourrait être utilisé pour créer une maison ou un meuble "préfabriqué" - ou même un vaisseau spatial.

néodyme : Un élément chimique qui apparaît comme un métal doux et argenté lorsqu'il est pur. Il se trouve dans certains minéraux et peut être utilisé pour retracer la source de grains minéraux transportés sur de longues distances par l'eau ou le vent. Son symbole scientifique est Nd.

optique: Relatif à la vision ou à ce qui peut être vu.

minerai: Une roche ou un minéral naturellement formé qui contient un métal qui peut être extrait pour une nouvelle utilisation.

BIO : (en chimie) Un adjectif qui indique que quelque chose contient du carbone; également un terme qui se rapporte aux produits chimiques de base qui composent les organismes vivants. (en agriculture) Produits agricoles cultivés sans l'utilisation de produits chimiques non naturels et potentiellement toxiques, tels que les pesticides.

oxyde : Un composé obtenu en combinant un ou plusieurs éléments avec de l'oxygène. La rouille est un oxyde; l'eau aussi.

phosphore : Un produit chimique synthétique qui brille lorsqu'il est excité par des électrons. Il est généralement utilisé (souvent en combinaison avec d'autres) pour revêtir des LED, des lampes fluorescentes ou des tubes à rayons cathodiques afin de produire une couleur de lumière souhaitée.

physique : (adj.) Un terme pour les choses qui existent dans le monde réel, par opposition aux souvenirs ou à l'imagination. Il peut également faire référence aux propriétés des matériaux qui sont dues à leur taille et à leurs interactions non chimiques (comme lorsqu'un bloc claque avec force sur un autre).

pigment : Un matériau, comme les colorants naturels de la peau, qui modifie la lumière réfléchie par un objet ou transmise à travers celui-ci. La couleur globale d'un pigment dépend généralement des longueurs d'onde de la lumière visible qu'il absorbe et de celles qu'il réfléchit. Par exemple, un pigment rouge a tendance à très bien refléter les longueurs d'onde rouges de la lumière et absorbe généralement les autres couleurs. Pigment est également le terme désignant les produits chimiques que les fabricants utilisent pour teinter la peinture.

protéine : Un composé constitué d'une ou plusieurs longues chaînes d'acides aminés. Les protéines sont une partie essentielle de tous les organismes vivants. Ils forment la base des cellules vivantes, des muscles et des tissus ; ils font aussi le travail à l'intérieur des cellules. Les anticorps, l'hémoglobine et les enzymes sont tous des exemples de protéines. Les médicaments agissent souvent en s'accrochant aux protéines.

radioactif : Un adjectif qui décrit des éléments instables, tels que certaines formes (isotopes) de l'uranium et du plutonium. De tels éléments sont dits instables car leur noyau libère de l'énergie qui est emportée par des photons et/ou et souvent une ou plusieurs particules subatomiques. Cette émission d'énergie se fait par un processus connu sous le nom de désintégration radioactive.

terres rares: (en sciences de la Terre) Il s'agit d'un groupe d'éléments métalliques qui ont tendance à être mous, pliables et chimiquement réactifs.

recycler: Pour trouver de nouvelles utilisations pour quelque chose - ou des parties de quelque chose - qui pourraient autrement être jetées ou traitées comme des déchets.

sel : Un composé obtenu en combinant un acide avec une base (dans une réaction qui crée également de l'eau). L'océan contient de nombreux sels différents, appelés collectivement "sel de mer". Le sel de table commun est composé de sodium et de chlore.

solvant: Un matériau (généralement un liquide) utilisé pour dissoudre un autre matériau dans une solution.

système : Un réseau de pièces qui travaillent ensemble pour réaliser une fonction. Par exemple, le sang, les vaisseaux et le cœur sont les principaux composants du système circulatoire du corps humain. De même, les trains, les plates-formes, les voies, les signaux routiers et les viaducs font partie des composants potentiels du système ferroviaire d'un pays. Le système peut même être appliqué aux processus ou aux idées qui font partie d'une méthode ou d'un ensemble ordonné de procédures pour accomplir une tâche.

toxique : Toxique ou capable de nuire ou de tuer des cellules, des tissus ou des organismes entiers. La mesure du risque posé par un tel poison est sa toxicité.

Revue :​ Y. Fujita, SK McCall et D. Ginosar. Recyclage des terres rares : perspectives et avancées récentes. Bulletin MRS. Vol. 47, mars 2022, p. 283. doi : 10.1557/s43577-022-00301-w.

Revue :​ SM Jowitt. Economie minérale des éléments de terres rares. Bulletin MRS. Vol. 47, mars 2022, p. 276. doi : 10.1557/s43577-022-00289-3.

Revue :​ NA Chowdhury et al. Recyclage durable des éléments de terres rares des copeaux d'aimants NdFeB : perspectives technico-économiques et environnementales. ACS Chimie & Ingénierie Durables. Publié en ligne le 17 novembre 2021. doi.org : 10.1021/acssuschemeng.1c05965.

Revue :​ H. Jin et al. Biolixiviation d'éléments de terres rares à partir de déchets industriels à l'aide de déchets agricoles. ACS Chimie & Ingénierie Durables. Publié en ligne le 20 août 2019. doi : 10.1021/acssuschemeng.9b02584.

Revue :​ H. Jin et al. Analyse comparative du cycle de vie des aimants NdFeB : production vierge versus recyclage aimant à aimant. Procédure CIRP. Publié en ligne le 27 juillet 2016. doi : 10.1016/j.procir.2016.03.013.

Revue :​ M. Zakotnik et al. Analyse de la consommation d'énergie dans l'aimant Nd-Fe-B pour le recyclage de l'aimant. Technologie et innovation environnementales. Vol. 5, avril 2016, p. 117. doi : 10.1016/j.eti.2016.01.002.

Erin Wayman est la rédactrice en chef du magazine Science News. Elle est titulaire d'une maîtrise en anthropologie biologique de l'Université de Californie à Davis et d'une maîtrise en rédaction scientifique de l'Université Johns Hopkins.

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