Recyclage avancé des aimants en terres rares
Les terres rares, pierre angulaire de la technologie moderne, sont indispensables à l'énergie verte, aux véhicules électriques, à l'énergie éolienne et à l'électronique haut de gamme, en particulier avec les aimants au néodyme qui en sont le cœur. Cependant, le coût environnemental de l'extraction des terres rares est élevé et les risques géopolitiques liés à une chaîne d'approvisionnement très concentrée sont de plus en plus évidents. La réutilisation des aimants en terres rares permet non seulement de réduire considérablement les coûts de production, mais aussi d'atténuer les dommages causés à l'environnement, de renforcer la résilience de la chaîne d'approvisionnement et d'allonger le cycle de vie des ressources. Grâce à de nouvelles technologies telles que le procédé HPMS de HyProMag, le recyclage des terres rares est en train de devenir l'une des principales voies vers la réalisation d'un approvisionnement écologique et de gains économiques. Les aimants permanents, notamment aimant en néodyme, samarium-cobalt, et alnico magnet, contiennent des éléments critiques des terres rares.
La stratégie de recyclage des terres rares
Les terres rares sont un groupe d'éléments chimiques comprenant les lanthanides, le scandium et l'yttrium, le praséodyme et le néodyme étant particulièrement importants dans les applications industrielles. Les concentrations dans les minerais naturels sont généralement inférieures à 5%. Les aimants mis au rebut constituent donc une "mine urbaine" de grande valeur. Le recyclage est le processus par lequel ces matériaux de terres rares peuvent être réintroduits dans le cycle de production, créant ainsi un système économique en boucle fermée. D'autre part, le processus de fabrication des aimants au néodyme est extrêmement complexe et implique l'extraction et le raffinage des éléments de terres rares. Le processus de production comprend l'extraction du minerai, la séparation chimique, la préparation de l'alliage et la formation de l'aimant, qui consomment beaucoup d'énergie et nécessitent de grandes quantités de réactifs chimiques, ce qui entraîne facilement des dommages écologiques et la pollution des ressources. En outre, la chaîne d'approvisionnement en terres rares dans le monde entier se trouve principalement en Chine (le pays représente plus de 80% de la production). Elle est donc sensible aux changements de l'environnement géopolitique et aux restrictions commerciales qui peuvent entraîner des interruptions de l'approvisionnement et des fluctuations de prix.
Le recyclage des aimants en terres rares est l'un des moyens les plus efficaces de résoudre les problèmes susmentionnés. Le recyclage, qui consiste à extraire les aimants NdFeB des appareils électroniques mis au rebut, des véhicules en fin de vie et des équipements industriels, réduit la dépendance à l'égard des nouvelles mines, diminue les coûts de production et améliore l'efficacité des ressources.
Les défis du recyclage des aimants en terres rares
Le recyclage des aimants en terres rares est devenu le fondement du secteur de l'énergie propre, qui offre une capacité considérable à écologiser l'environnement, à réduire le risque de perturbation des matières premières et à améliorer la durée de vie des matériaux en terres rares. Bien que le recyclage des aimants au néodyme présente un potentiel économique et écologique considérable, sa mise en œuvre effective est encore semée d'embûches.
1. Faibles taux de recyclage
Seulement 1-2% d'aimants NdFeB sont recyclés dans le monde, contre 50% pour l'aluminium ou 40% pour le cuivre. Pourquoi cet écart ? Beaucoup de gens ne savent pas que ces aimants peuvent être recyclés, et l'infrastructure fait souvent défaut. Le programme des Nations unies pour l'environnement estime que 50 millions de tonnes de déchets électroniques contiennent jusqu'à 100 000 tonnes d'aimants NdFeB recyclables chaque année, mais que moins de 1% sont récupérées.
2. Défis techniques de la séparation
Bien que les aimants NdFeB contiennent des concentrations de terres rares plus élevées que les minerais naturels, ils sont souvent mélangés à des matériaux tels que le plastique, le cuivre et l'acier dans les déchets, ce qui dilue la teneur en terres rares. Par exemple, les aimants NdFeB contenus dans les disques durs mis au rebut ne représentent que 1-2% du poids total. L'extraction de ces faibles concentrations nécessite des technologies de triage avancées, mais les méthodes de séparation physique conventionnelles sont inefficaces et peinent à obtenir une récupération de haute pureté. Les procédés hydrométallurgiques permettent d'extraire les terres rares, mais ils font appel à des acides puissants et à de grands volumes d'eau, ce qui génère des eaux usées très polluantes.
Les aimants NdFeB sont généralement recouverts de nickel, de zinc ou de résine époxy pour éviter la corrosion, et ces revêtements sont difficiles à enlever lors du recyclage. En outre, de nombreux aimants sont fixés dans des produits à l'aide d'adhésifs complexes, ce qui complique encore la séparation en raison de leurs propriétés chimiques.
3. Obstacles économiques au recyclage
Comparé à l'extraction de terres rares primaires, le recyclage des aimants NdFeB implique des investissements initiaux et des coûts opérationnels élevés. Selon les estimations, le recyclage d'une tonne d'aimants NdFeB coûte environ $50-70 par kilogramme, alors que le prix du marché des terres rares primaires se situe entre $30-50 par kilogramme. La réduction des coûts nécessitera des avancées technologiques et une expansion du marché. Pour rendre le recyclage plus abordable, les gouvernements pourraient offrir des subventions ou des crédits carbone, encourageant ainsi les entreprises à construire davantage d'usines de recyclage.
4. Acceptation du marché et préoccupations en matière de qualité
L'acceptation par le marché des aimants NdFeB recyclés dépend de leur qualité et de leurs performances. Certains matériaux recyclés sont moins performants que les matériaux primaires en raison d'impuretés ou de limitations du processus. Les aimants recyclés doivent avoir la même qualité que les aimants neufs pour être utilisés dans des applications de haute technologie telles que les moteurs de voitures électriques.
Technologies de recyclage des aimants en terres rares
Les méthodes de recyclage traditionnelles telles que la réutilisation directe, l'hydrométallurgie et la pyrométallurgie ont jeté les bases, mais leur consommation d'énergie élevée et la pollution de l'environnement limitent leur adoption à grande échelle. Ces dernières années, des technologies émergentes telles que la biolixiviation, l'extraction par liquide ionique et le traitement par l'hydrogène ont redessiné le paysage du recyclage des terres rares, favorisant le développement de l'industrie avec une plus grande efficacité et une empreinte carbone plus faible.
1. Réutilisation directe et métallurgie des poudres
La réutilisation directe consiste à démonter les aimants NdFeB des produits mis au rebut et à les retraiter pour en faire de nouveaux aimants. Cette pratique est courante pour les aimants dont la forme et les propriétés répondent encore aux exigences. Après le démantèlement, les aimants sont nettoyés, décorés et soumis à des tests de performance ; s'ils répondent aux normes, ils peuvent être directement utilisés dans des applications à faible demande. La métallurgie des poudres permet de réduire les aimants en poudre, qui est ensuite frittée pour former de nouveaux aimants. Cette méthode permet d'éviter un traitement chimique complexe et est moins coûteuse, mais son applicabilité est limitée.
2. Hydrométallurgie : Lixiviation acide et extraction par solvant
L'hydrométallurgie extrait les éléments de terres rares des aimants NdFeB par dissolution chimique et séparation. Les aimants usagés sont d'abord dissous dans des sels métalliques liquides à l'aide d'acides, puis extraits par solvant pour séparer les éléments tels que le néodyme et le dysprosium. Cette méthode permet d'obtenir des taux de récupération élevés (jusqu'à 95%) et de traiter des déchets complexes. Elle présente toutefois des inconvénients importants : l'utilisation de grandes quantités d'acides forts et de solvants organiques génère des eaux usées très polluantes, produisant 10 à 15 tonnes d'eaux usées par tonne de terres rares récupérée.
3. Pyrométallurgie : Traitement à haute température et arc plasma
La pyrométallurgie décompose les aimants NdFeB en oxydes métalliques ou en alliages par fusion à haute température (généralement >1000°C), suivie d'une électrolyse ou d'une réduction chimique pour extraire les éléments de terre rare. La technologie de l'arc plasma améliore l'efficacité en utilisant un plasma à haute température (>6000°C) pour décomposer rapidement les aimants, ce qui convient au traitement de déchets complexes contenant des revêtements ou des adhésifs. Cependant, la pyrométallurgie est extrêmement énergivore, avec des émissions de carbone environ 1,5 fois supérieures à celles de l'hydrométallurgie, et les températures élevées peuvent entraîner la volatilisation des terres rares, ce qui se traduit par des taux de récupération de seulement 70-85%.
4. Biolixiviation : extraction microbienne
La biolixiviation utilise des micro-organismes acidophiles pour extraire les éléments de terres rares des aimants usagés. Les micro-organismes produisent des acides organiques par le biais de leur métabolisme, dissolvant les terres rares en composés séparables. Cette méthode est respectueuse de l'environnement, car elle pollue beaucoup moins les eaux usées que l'hydrométallurgie et consomme environ un tiers d'énergie par rapport aux méthodes traditionnelles.
5. Extraction par liquide ionique
Les liquides ioniques (LI) sont des solvants verts recyclables à faible volatilité utilisés pour remplacer les solvants organiques dans l'hydrométallurgie traditionnelle. Ils dissolvent sélectivement les éléments des terres rares pour une séparation de haute pureté. Par exemple, les liquides ioniques à base d'imidazolium permettent d'obtenir des rendements d'extraction allant jusqu'à 98% pour le néodyme et le dysprosium, avec une réduction de 70% de la production d'eaux usées.
6. Traitement à l'hydrogène des déchets magnétiques (HPMS)
La technologie Hydrogen Processing of Magnet Scrap (HPMS) de HyProMag utilise de l'hydrogène à pression ambiante pour décomposer les aimants NdFeB en poudre de NdFeB de haute pureté. Ce procédé ne nécessite pas de températures élevées ni d'acides forts, avec des émissions de carbone inférieures de 70% à celles de l'hydrométallurgie et des taux de récupération supérieurs à 90%. La poudre obtenue peut être directement utilisée pour fritter de nouveaux aimants, dont les performances diffèrent de celles des aimants vierges de moins de 5%.
7. CO2 supercritique et méthodes électrochimiques
Le dioxyde de carbone supercritique (SC-CO2) tire parti de sa perméabilité et de sa solubilité élevées, associées à des ligands organiques, pour extraire les éléments des terres rares. Fonctionnant à haute pression et à température modérée, cette méthode génère peu d'eaux usées et permet d'atteindre des taux de récupération de 85-90%. Les méthodes électrochimiques déposent sélectivement les éléments de terres rares en solution par électrolyse, évitant ainsi les eaux usées acides.
8. Méthode du sel de cuivre
La méthode du sel de cuivre consiste à faire réagir des aimants NdFeB avec une solution de sel de cuivre pour dissoudre préférentiellement les éléments des terres rares et former des composés séparables. Cette méthode offre des taux de récupération élevés (>95%) et une empreinte carbone inférieure de 50% à celle de l'hydrométallurgie. Des recherches menées par l'université de Tohoku, au Japon, montrent qu'elle permet de traiter efficacement les aimants enrobés avec des eaux usées facilement neutralisées. Toutefois, elle nécessite un tri préalable précis des déchets, et le recyclage des sels de cuivre doit encore être optimisé pour réduire les coûts.
Résumé : La valeur à long terme du recyclage des terres rares
L'exploitation minière des terres rares revient à utiliser des excavatrices géantes pour arracher la "peau" de la Terre, laissant des "cicatrices" de pollution de l'eau, de dégradation des sols et d'émissions massives de carbone. Les zones d'extraction des terres rares génèrent chaque année des millions de tonnes de résidus toxiques qui contaminent les rivières et les terres agricoles. Le recyclage d'une tonne d'aimants permet de réduire d'environ 12 tonnes l'extraction du minerai et de 15 tonnes les émissions d'eaux usées. Cette technologie minimise les dommages causés à la Terre.
Le projet européen REE silience estime que d'ici 2030, le recyclage pourrait répondre à 15-20% de la demande européenne en terres rares, tandis que le projet américain ReCycle vise à atteindre une autosuffisance de 10% en néodyme d'ici 2027. Les aimants recyclés coûtent 20-30% de moins que les aimants extraits, ce qui fait du recyclage des terres rares un pilier essentiel de l'économie circulaire et une solution à long terme pour la durabilité. La loi européenne sur les matières premières critiques exige que 15% de la demande en terres rares soient satisfaites par le recyclage d'ici à 2030, et le plan de développement de l'économie circulaire de la Chine fait également progresser l'industrialisation du recyclage des terres rares. La sensibilisation croissante des consommateurs crée une demande de recyclage sur le marché et, à long terme, le recyclage des terres rares ne soutient pas seulement les objectifs d'émissions nettes zéro, mais favorise également une croissance économique durable grâce à une utilisation efficace des ressources.
Je me consacre à la rédaction d'articles de vulgarisation scientifique sur les aimants. Mes articles portent principalement sur leurs principes, leurs applications et les anecdotes de l'industrie. Notre objectif est de fournir aux lecteurs des informations précieuses, afin de les aider à mieux comprendre le charme et l'importance des aimants. Par ailleurs, nous sommes impatients de connaître votre avis sur les besoins liés aux aimants. N'hésitez pas à nous suivre et à vous engager avec nous pour explorer ensemble les possibilités infinies des aimants !
