Regardez dans la deuxième ligne à partir du bas de la plupart des tableaux périodiques et vous trouverez les lanthanides, séparés d'une archive d'éléments qui ne savent pas quoi faire. Les lanthanides sont un groupe très uni qui est difficile à distinguer les uns des autres en raison de leurs couleurs et propriétés similaires. Même pour la plupart des scientifiques, ils vivent dans une terre froide et lointaine, complètement inorganique et loin du confort de l'hydrogène, du carbone et de l'oxygène.
Mais ces métaux sont essentiels pour faire fonctionner le monde moderne. Ils sont membres d'un groupe connu sous le nom d'éléments de terres rares, ou terres rares, qui prennent en charge tout, des aimants qui alimentent la technologie de l'énergie propre aux lentilles de télescope à l'écran de l'appareil sur lequel vous lisez ceci. Et les exploiter est difficile et écologiquement coûteux.
Ainsi, chimistes et ingénieurs essaient de tirer le meilleur parti des terres rares déjà traitées en les recyclant à partir de déchets industriels et de vieux appareils électroniques. Dans une nouvelle étude publiée le 9 février dans Science Advances , ils montrent comment ils essaient de le faire avec des éclairs lumineux d'électricité.
La plupart des terres rares ne sont pas si rares (certainement pas comparées à des éléments vraiment rares comme l'iridium), mais elles ne sont pas faciles à obtenir. Une fois leur minerai extrait du sol, ils doivent être séparés pour fabriquer des produits spécialisés - un processus fastidieux, compte tenu de leurs propriétés similaires. La plupart des mines de terres rares abritent du lanthane et du cérium, mais des métaux plus lourds comme le néodyme et le dysprosium sont particulièrement souhaitables pour les aimants utilisés dans les technologies d'énergie propre.
La supermajorité (selon certaines estimations, plus de 90 %) de l'approvisionnement mondial provient aujourd'hui de la Chine, ce qui rend la ressource plus vulnérable aux tensions géopolitiques. En 2010, après qu'un bateau de pêche chinois est entré en collision avec un bateau des garde-côtes japonais dans des eaux contestées, la Chine a arrêté les exportations de terres rares vers le Japon. Le blocus n'a pas duré, mais le Japon a passé les années depuis lors à rechercher agressivement des sources alternatives de terres rares. Tout comme d'autres pays.
Plus important encore, l'extraction des terres rares a un coût environnemental. "C'est énergivore et chimiquement intensif", explique Simon Jowitt, géochimiste à l'Université du Nevada à Las Vegas, qui n'a pas participé aux dernières recherches. "Selon la façon dont vous les traitez, cela implique des acides à haute résistance." Ces acides peuvent s'infiltrer dans l'environnement.
Une façon de réduire le fardeau consiste à recycler les biens qui contiennent déjà ces éléments, mais ce n'est pas encore courant. Callie Babbitt, professeur de développement durable au Rochester Institute of Technology dans le nord de l'État de New York, qui n'a pas non plus participé à la nouvelle étude, affirme que seulement 1 à 5 % des terres rares dans le monde sont recyclées.
C'est pourquoi les chercheurs innovent pour trouver de nouvelles façons de décomposer les terres rares. Certains ont essayé des bactéries, mais nourrir ces microbes s'est avéré énergivore.
Maintenant, un groupe de l'Université Rice a mis au point une méthode de recyclage qui repose sur une électricité intense appelée «chauffage flash joule». Les chercheurs à l'origine l'avaient précédemment testé sur de vieilles cartes de circuits imprimés hachées pour les dépouiller de métaux précieux comme le palladium et l'or et de métaux lourds comme le chrome et le mercure avant de les jeter en toute sécurité dans le sol agricole.
Cette fois, ils ont appliqué le chauffage flash joule à d'autres sous-produits industriels :les cendres volantes de charbon, qui est un polluant des centrales électriques à combustibles fossiles, la boue rouge, qui est une substance toxique résultant de la transformation de la bauxite en aluminium, et, bien sûr, davantage de déchets électroniques. .
Leur processus ressemblait à ceci. Ils ont mis la substance qu'ils étaient en train de décomposer dans un tube de quartz de la taille d'un doigt, où l'électricité l'a "flashé" à environ 5400 degrés Fahrenheit. Les composants séparés ont ensuite été dissous dans une solution que les chimistes pourront récupérer plus tard.
Le processus libère certains composés toxiques, mais le système vise à les capturer et à les empêcher de pénétrer dans l'air. "Lorsque vous faites cela de manière industrielle, vous ne libérez pas simplement ces composés dans l'air", explique James Tour, chimiste à l'Université Rice et l'un des auteurs de l'étude. "Vous les piégeriez."
"Notre flux de déchets est très différent", explique Tour. Contrairement à l'acide nitrique fort qui est souvent utilisé pour extraire les terres rares du sol, leur solution est un acide chlorhydrique beaucoup plus faible et plus dilué. "Si cela vous tombait sur la main, je ne pense pas que vous le sentiriez même", déclare Tour.
Cependant, même avec une avancée dans cette recherche, il faudra encore du temps avant que les tas de déchets industriels puissent être recyclés en terres rares. "Il y a beaucoup d'activités en cours dans ce domaine, mais je n'ai rien vu de percée", déclare Jowitt.
Un problème avec le chauffage flash joule, selon Jowitt, est que les terres rares doivent encore être séparées avant de pouvoir être moulées en gadgets. De plus, l'utilisation de polluants comme les cendres volantes de charbon signifie qu'il y aura d'autres restes nocifs du processus. "L'extraction et la récupération des [terres rares] qu'elles contiennent ne sont qu'une partie d'un défi plus vaste de gestion de ces déchets", déclare Babbitt.
En ce qui concerne les déchets électroniques, il ne sera pas facile d'extraire des montagnes d'ordinateurs et de téléphones désaffectés pour des composants précieux. La quantité de terres rares dans un smartphone moyen, par exemple, s'élève à des fractions de gramme. Et de nombreux consommateurs ne sauraient pas où et comment les recycler.
Avec cela, Jowitt pense que la solution pourrait résider dans les produits augmentant la demande de terres rares. "Une chose évidente est de changer la façon de concevoir les choses pour les rendre plus recyclables."
