L’innovation Sandia libère les métaux des terres rares des cendres de charbon pour les smartphones et les ordinateurs
Dans l’une des richesses inattendues de la nature, un solvant de qualité alimentaire inoffensif a été utilisé pour extraire des métaux des terres rares très recherchés des cendres de charbon, réduisant la quantité de cendres sans endommager l’environnement et augmentant en même temps une importante ressource nationale.
La cendre de charbon est le résidu indésirable mais largement présent de l’énergie alimentée au charbon. Les métaux des terres rares sont utilisés pour une variété d’équipements de haute technologie, des smartphones aux sous-marins.
La méthode de séparation, qui utilise du dioxyde de carbone, de l’eau et de l’acide citrique de qualité alimentaire, fait l’objet d’une demande de brevet Sandia National Laboratories.
Guangping Xu, chercheur au Sandia National Laboratories, ajoute des cendres de charbon dans un mélange d’acide citrique. Cette solution sera introduite dans un réacteur – fonctionnant à environ 70 fois la pression atmosphérique – où le dioxyde de carbone supercritique aide l’acide citrique à extraire les métaux des terres rares. Crédit image: Rebecca Lynne Gustaf / Sandia
« Cette technique récupère non seulement les métaux des terres rares d’une manière inoffensive pour l’environnement, mais améliorerait réellement les environnements en réduisant la toxicité des déchets de charbon qui parsèment l’Amérique », a déclaré Guangping Xu, chercheur principal de Sandia sur le projet.
« L’extraction inoffensive des métaux des terres rares à partir des cendres de charbon fournit non seulement une source nationale de matériaux essentiels pour les puces informatiques, les téléphones intelligents et d’autres produits de haute technologie – y compris les avions de combat et les sous-marins – mais rend également les cendres de charbon plus propres et moins toxiques, permettant sa réutilisation directe comme charge de béton ou terre végétale agricole », a-t-il déclaré.
La méthode, s’il est largement adopté, pourrait faire de la cendre de charbon, actuellement un paria environnemental, un produit commercialement viable, a déclaré Xu.
Méthode respectueuse de l’environnement pour l’extraction des métaux des terres rares
Les acides les plus couramment utilisés comme séparateurs chimiques dans l’exploitation minière – les acides nitrique, sulfurique ou phosphorique – sont également capables d’extraire les métaux des terres rares des cendres de charbon, mais produisent de grandes quantités de déchets acides, laissant l’environnement dans un état pire qu’auparavant, a déclaré Xu. « Les acides nocifs pour l’environnement augmenteraient les coûts de nettoyage au-delà de la faisabilité économique aux États-Unis. »
Le procédé Sandia, qui utilise l’acide citrique comme support pour les métaux des terres rares, afin qu’ils se séparent des cendres de charbon, le matériau hôte, a été mis en œuvre par Xu. Le processus d’extraction est facilité par l’utilisation d’un solvant de dioxyde de carbone supercritique. Le collègue de Xu à Sandia, Yongliang Xiong, a suggéré l’acide citrique, un produit chimique couramment utilisé et respectueux de l’environnement pour maintenir les métaux en solution.
Xu a découvert qu’en moins d’une journée, à 158 degrés Fahrenheit (70 degrés Celsius) et à une pression de 1 100 livres par pouce carré (environ 70 fois la pression atmosphérique ordinaire), la méthode a extrait 42 % des métaux des terres rares présents dans les échantillons de déchets de charbon.
Les mines chinoises, où se trouvent 95 % des ressources mondiales de métaux des terres rares, réalisent une séparation moins efficace tout en utilisant des méthodes préjudiciables à l’environnement.
Une comparaison de la méthode Sandia National Laboratories pour l’extraction des métaux des terres rares aux méthodes existantes montre comment l’utilisation de l’acide citrique est plus efficace. (Images avec l’aimable autorisation de Guangping Xu)
« Théoriquement, une entreprise américaine pourrait utiliser cette technique pour extraire du charbon et des sous-produits du charbon pour les métaux des terres rares et concurrencer l’exploitation minière chinoise », a déclaré Xu. De plus, pour des raisons de sécurité nationale des États-Unis, « il est probablement raisonnable d’avoir d’autres sources de métaux des terres rares pour éviter d’être à la merci d’un approvisionnement étranger ».
La détoxification des cendres de charbon pour une réutilisation à elle seule devrait valoir la peine, a déclaré Xu. Les cendres de charbon comme matière première ne manquent pas. Selon un article publié en 2016 dans la revue Sciences et technologies de l’environnement, « Environ 115 millions de tonnes métriques de produits de combustion du charbon sont générées chaque année, et cette somme comprend 45 millions de tonnes de cendres volantes », le type le plus léger de cendre de charbon.
Ces chiffres restent intéressants aujourd’hui, a déclaré Xu.
« Si nous ne détoxifions pas et ne réutilisons pas les cendres de charbon, elles seront abandonnées dans des étangs et des décharges et leur nettoyage coûtera des milliards de dollars à long terme », a-t-il déclaré. Pour aider à rendre ce résultat moins probable, « nous attendons des tests de nos techniques d’extraction à des volumes plus importants et sur une variété de sources à base de charbon dans un proche avenir. »
La séquestration du carbone est également une possibilité
Cette technologie pourrait également ouvrir une nouvelle voie pour la réutilisation et la séquestration du dioxyde de carbone, a déclaré Mark Rigali, collègue de Xu à Sandia, qui, avec Xu, explore l’utilisation de l’acide citrique et du dioxyde de carbone supercritique pour extraire les métaux des schistes pétroliers et gaziers qui sont souvent riches en métaux.
« En utilisant les puits de fracturation du pétrole et du gaz existants, l’acide citrique et le dioxyde de carbone supercritique peuvent être utilisés de manière rentable pour extraire les métaux tout en éliminant le dioxyde de carbone sous terre », a déclaré Rigali.
Le stockage souterrain du dioxyde de carbone devrait l’empêcher de pénétrer dans l’atmosphère et de contribuer au changement climatique, a déclaré Rigali.
Le travail est soutenu par Sandia’s Programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire.
La source: Sandia
