De la chimie verte
pour extraire les terres rares
Chercheur au CEA dans le cadre de l’axe Métaux stratégiques du PEPR Recyclage, Clément Fleury vient d’achever son post-doctorat, qui a permis de développer une solution à base d’hydrotropes, innovante et plus respectueuse de l’environnement pour le recyclage des Terres rares à partir de déchets d’aimants permanents.
Par Clément Fleury, post-doctorant au CEA
Depuis 2020, l’Union européenne a listé les éléments de Terres rares parmi la trentaine de métaux considérés comme « stratégiques » en raison du rôle clé qu’ils jouent notamment dans le développement et l’optimisation des technologies d’énergies bas carbone (éolien et mobilité électrique). Les Terres rares, et en particulier le néodyme, le dysprosium et le praséodyme, sont utilisés sous la forme d’aimants permanents NdFeB dans diverses applications liées aux énergies renouvelables et à la mobilité électrique. La création de ressources secondaires à partir des déchets d’aimants peut être une réelle opportunité pour les pays qui ne peuvent plus compter sur la production de métaux à partir de minerais pour alimenter leurs économies.
Ainsi, en adéquation avec les principes de l’économie circulaire, ces ressources secondaires permettraient de pallier au manque de disponibilité et prix élevés du marché des Terres rares. Néanmoins, les taux de recyclage des Terres rares restent inférieurs à 1 %, ce qui met en évidence la nécessité de progrès significatifs pour atteindre une économie véritablement circulaire [1], [2], [3], [4]. Le recyclage des aimants permanents peut être réalisé par deux voies : voie courte, en recréant l’alliage NdFeB, ou voie hydrométallurgie en lixiviant l’aimant, en séparant et en purifiant les Terres rares présents par extraction liquide-liquide. L’avantage de cette voie réside dans le fait de pouvoir traiter tous les types d’aimants NdFeB possible, quelle que soit leurs compositions.
B : Composition massique moyenne des aimants NdFeB
C : Analyse comparative de la teneur en Terres rares dans les éoliennes et les véhicules électriques de tourisme
Une solution plus efficace et plus durable
La lixiviation est le processus hydrométallurgique permettant de mette en solution les Terres rares provenant des déchets des aimants NdFeB. Les réactifs les plus souvent utilisés pour réaliser cette opération sont des acides minéraux forts tels que l’acide sulfurique, l’acide chlorhydrique et l’acide nitrique mais leur utilisation conduit à la mise en solution non sélective des Terres rares et du fer. Ainsi, une étape supplémentaire d’extraction liquide-liquide doit être ajoutée pour permettre une séparation efficace et sélective des Terres rares du Fe, du Co et du B [5].
L’extraction liquide-liquide est le processus de transfert d’une substance dissoute d’une phase liquide A à une autre B (immiscible ou partiellement miscible) en contact avec celle-ci [6], [7]. Ce processus permet de transférer sélectivement le Nd et/ou Pr et/ou Dy et non le Fe d’une phase aqueuse vers une phase organique, constituée d’une molécule extractante solubilisée dans un diluant organique, tout en minimisant les effluents et l’énergie consommée.
B : Formule semi-développée de la TODGA utilisée comme molécule extractante dans les systèmes TODGA/hydrotrope
Les hydrotropes sont des molécules amphiphiles, composées d’une partie hydrophile et d’une partie hydrophobe, capables de se placer à l’interface entre une phase aqueuse et une phase organique et de permettre la solubilisation de ces deux phases originellement non miscibles. De plus, ces composés sont non toxiques et éco-compatibles et apparaissent comme une alternative prometteuse aux diluants conventionnels, souvent volatils, toxiques et nocifs pour l’environnement.
Cette approche vise à développer des procédés d’extraction plus durables, en conciliant efficacité de séparation et réduction de l’impact environnemental.
Notre étude a permis de montrer que l’utilisation des systèmes TODGA/ hydrotrope permet de réduire la viscosité du solvant, tout en augmentant les performances d’extraction et en évitant la formation d’une troisième phase [8]. Également, les systèmes TODGA/hydrotrope permettent d’obtenir une meilleure séparation du dysprosium vis-à-vis du fer, du néodyme et du praséodyme en milieu sulfurique. Une fois le transfert du dysprosium dans cette phase organique, il est nécessaire de le transférer de nouveau dans une phase aqueuse pour cette fois-ci, le récupérer sous la forme d’un précipité solide pour fermer son cycle. L’acide oxalique permet de précipiter le dysprosium avant une étape de calcination pour une récupération finale sous sa forme oxydée qui pourra être réinjecter dans l’industrie. L’hydrotrope quant à lui est extrait des phases aqueuses à l’aide d’un solvant organique biosourcé puis réinjecter à l’étape d’extraction après évaporation du solvant utilisé.
En conclusion, les systèmes TODGA/hydrotropes offrent des perspectives novatrices dans le développement de solutions respectueuses de l’environnement pour le recyclage des Terres rares à partir de déchets d’aimants permanents.
La nouvelle voie des hydrotopes
Dans le prolongement de ces travaux de recherches, il serait pertinent d’envisager la montée en échelle vers une échelle plus représentative de l’industrie de recyclage des Terres rares. Également, ces systèmes à base d’hydrotropes peuvent être envisagés pour augmenter la sélectivité vis-à-vis du fer et vis-à-vis des Terres rares entre elles lors de l’étape de lixiviation de la poudre d’aimants NdFeB ayant subi un grillage oxydant [9]. L’utilisation d’équipements tels que des mélangeurs-décanteurs, des colonnes pulsées ou des mélangeurs-centrifuges à température contrôlée, permettrait d’étudier ces systèmes dans des conditions industrielles plus réalistes.
De telles études permettraient de caractériser précisément les flux entrants et sortants, afin de proposer un schéma de procédé optimisé pour la récupération des Terres rares, et le cas échéant, pour la séparation intra-terres rares en définissant un nombre d’étages d’extraction adapté. Cette démarche expérimentale à plus grande échelle permettrait de réaliser une analyse de cycle de vie (ACV) du procédé utilisant le système TODGA/hydrotrope le plus adapté pour le comparer à ceux déjà existants. Dans la perspective d’une économie circulaire de l’ensemble des métaux stratégiques, les systèmes à base d’hydrotropes ouvre de nouvelles possibilités permettant de potentiellement réduire l’empreinte carbone d’un procédé de recyclage.
[1] V. Balaram, “Rare earth elements: A review of applications, occurrence, exploration, analysis, recycling, and environmental impact,” Geosci. Front., vol. 10, no. 4, pp. 1285–1303, Sep. 2019, doi: 10.1016/j.gsf.2018.12.005.
[2] G. Gaustad, E. Williams, and A. Leader, “Rare earth metals from secondary sources: Review of potential supply from waste and byproducts,” Resour. Conserv. Recycl., vol. 167, no. November 2020, p. 105213, 2021, doi: 10.1016/j.resconrec.2020.105213.
[3] R. Schulze and M. Buchert, “Estimates of global REE recycling potentials from NdFeB magnet material,” Resour. Conserv. Recycl., vol. 113, pp. 12–27, 2016, doi: 10.1016/j.resconrec.2016.05.004.
[4] Y. Ghorbani, I. M. S. K. Ilankoon, N. Dushyantha, and G. T. Nwaila, “Rare earth permanent magnets for the green energy transition: Bottlenecks, current developments and cleaner production solutions,” Resour. Conserv. Recycl., vol. 212, no. February 2024, p. 107966, 2025, doi: 10.1016/j.resconrec.2024.107966.
[5] S. Belfqueh, A. Seron, S. Chapron, G. Arrachart, and N. Menad, “Evaluating organic acids as alternative leaching reagents for rare earth elements recovery from NdFeB magnets,” J. Rare Earths, vol. 41, no. 4, pp. 621–631, 2023, doi: 10.1016/j.jre.2022.04.027.
[6] M. Nic, J. Jirat, and B. Kosata, “IUPAC. Compendium of Chemical Terminology,” 2nd ed. (t., 2017. [Online]. Available: http://goldbook.iupac.org/index.html
[7] N. M. Rice, H. M. N. H. Irving, and M. A. Leonard, “Nomenclature for liquid-liquid distribution (solvent extraction) (IUPAC Recommendations 1993),” Pure Appl. Chem., vol. 65, no. 11, pp. 2373–2396, Jan. 1993, doi: 10.1351/pac199365112373.
[8] A. El Maangar, T. Zemb, C. Fleury, J. Duhamet, J. F. Dufrêche, and S. Pellet-Rostaing, “Decreasing viscosity and increasing accessible load by replacing classical diluents with a hydrotrope in liquid–liquid extraction,” Front. Chem. Eng., vol. 6, no. January, pp. 1–17, 2024, doi: 10.3389/fceng.2024.1476214.
[9] A. El Maangar, C. Fleury, S. Pellet-Rostaing, and T. Zemb, “Leaching and recycling of NdFeB permanent magnets using ionic non-toxic hydrotropes instead of extractants,” Front. Chem. Eng., vol. 6, no. September, pp. 1–12, 2024, doi: 10.3389/fceng.2024.1420008.
Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet CYCLAMET, de l’axe Métaux stratégiques du PEPR Recyclage. Les objectifs de ce projet sont de :
- Fournir le cadre nécessaire à l’évaluation socio-économique et environnementale du recyclage des métaux stratégiques, intégrant le développement d’indicateurs d’impacts environnementaux pour évaluer la durabilité de leur gestion.
- Développer des opérations unitaires permettant d’optimiser la récupération et la valorisation des métaux contenus dans les objets en fin de vie et de produire des sels ou des métaux commercialisables (épurés, sous forme d’alliage),
- Fournir des outils et des méthodes destinées à alimenter les autres projets ciblés,
- S’alimenter des autres projets ciblés en données sur la composition des matériaux et les interconnexions entre phases (métalliques, minérales, organiques) reflétant la complexité des matrices étudiées.
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