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Comment se forme les terres rares ?

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À Baotou en Mongolie intérieure (Chine), un lac de boues toxiques rappelle les conséquences environnementales de l’industrie électronique. Mais comment extraire vraiment des terres rares, et pourquoi est-elle si polluante ? Voici les recettes, bien sûr radioactives. Cristal Bastnäsite-cérium, l’un des trois principaux minéraux à partir desquels des terres rares sont extraites. Crédit : ButtShark//Wikimedia Commons

Baotou est la plus grande ville de Mongolie intérieure, une province du nord de la Chine. La vie de ses 2,5 millions d’habitants est marquée par l’extraction de terres rares, sort de la mine Bayan Obo à une centaine de kilomètres au nord des profondeurs. Ces atomes, essentiels à la fabrication de nombreux objets technologiques, y compris nos smartphones, se transforment dans des conditions sanitaires et environnementales dystopiques.

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A quelques kilomètres seulement du centre-ville de Baotou est un lac artificiel (lien Google Maps), fait de déchets accumulés des raffineries de terres rares. Peu d’informations filtrées sur sa composition chimique exacte. Les artistes qui fabriquaient des vases à partir de boues de lac ont rapporté une teneur radioactive et élevée en métal. Les résidents locaux sont souvent atteints de maladies, et les nouveau-nés souffrent de beaucoup de malformations.

Il faut se rappeler que les « terres rares » ne sont pas rares sur le globe. Mais ils sont le plus souvent dispersés et très polluants à extraire. Alors que la Chine dispose d’un certain nombre de réserves, elle est essentiellement la seule qui veut payer les coûts environnementaux et humains du traitement de ces métaux. 95% des terres rares extractibles proviennent de trois roches : bastnäsite, monazite et xenotime.

Les trois minerais

Le bastnasite est nommé d’après une mine suédoise à l’ouest de Stockholm et contient du carbone et du fluor couplés au cérium, au lanthane ou à l’yttrium. Il contient également souvent du néodyme et du praséodyme. Les principaux gisements sont à Mountain Pass en Californie, Bayan Obo en Mongolie intérieure et divers fermes dans le Sichuan. Comme on le verra dans cet article, le fluor de la bastnäsite forme des acides très nocifs lorsque la roche est transformée.

Le nom de la monazite signifie « qui est seul » en grec. C’est une roche de phosphate radioactif qui contient du cérium, du lanthane, du néodyme et du samarium, ainsi que d’importantes quantités de thorium et d’uranium. Beaucoup extrait au Brésil, Afrique du Sud et en Inde, monazite a perdu du terrain à la bastnäsite non radioactif, mais est intéressé par des projets potentiels centrales nucléaires dans le thorium.

Le xénotimium est aussi une roche phosphate, plus rare, contenant essentiellement de l’yttrium et des terres rares les plus lourdes (gadolinium, dysprosium, terbium, erbium, ytterbium…). Il est récupéré dans les mines d’étain en Malaisie. Comme la monazite, il contient du thorium et de l’uranium et est donc plus ou moins radioactif.

Un cristal bastnäsite-cérium. Crédit : Robert M. Lavinsky//Wikimedia Commons Un cristal xenotime associé au rutile (titane). Crédit : Robert M. Lavinsky//Wikimedia Commons

Un cristal monazite-cérium (orange) en quartz (blanc). Crédit : Robert M. Lavinsky//Wikimedia Commons Comme pour tous les minerais, l’extraction d’éléments utiles de ces roches nécessite plusieurs étapes. Voici, étape par étape, comment cela se fait dans l’industrie. Nous sommes vous promesses, ce n’est pas si compliqué en principe, mais vous devrez peut-être vous accrocher un peu.

Enrichissement

Lorsque le minerai est extrait, il contient non seulement des terres rares. Il est plein de diverses impuretés de grande taille. Enrichissement (enrichissement) est de veiller à ce que le pourcentage de terres rares soit aussi élevé que possible. Le principe général est de broyer le minerai en petits morceaux, puis d’enlever les pointes qui sont inutiles.

Le broyage se fait en deux étapes. Tout d’abord, la roche a traversé un concasseur à mâchoires. C’est une grande machine avec un mécanisme en forme de V dans lequel le minerai est réduit à gravier de moins de 1 centimètre de diamètre. Cette étape se déroule habituellement sur le site de la mine. Ensuite, le gravier est passé à travers un moulin à billes. Un tambour rempli de boules Pierre métallique broyer en poussière 40 à 100 micromètres (ou 0,04 à 0,1 millimètres, c’est-à-dire la taille d’une cellule végétale vivante).

Un concasseur à mâchoires, dans ce cas un Lokotrack LT105. Crédit : Bob Adams//Flickr

En fin de compte, une espèce de boue faite de poussière humide est obtenue. Maintenant, il est nécessaire de séparer le bon grain de l’irritations par un processus appelé flottaison (flottaison de mousse). Le principe est le même que l’eau savonneuse, où le savon s’accroche aux particules grasses et les emporte lors du rinçage.

Nous mettons la boue dans un réservoir où nous faisons de petites bulles d’air, comme dans un aquarium. Ensuite, nous ajoutons deux types de produits chimiques. Les fixations déprimantes s’attachent aux minéraux indésirables pour les couler vers le fond. Et les collectionneurs prennent les morceaux contenant des terres rares pour les accrocher aux bulles d’air, afin qu’ils puissent se déplacer vers la surface.

Les collectionneurs accrochent des pièces avec des terres rares aux bulles d’air

Lorsque vous traitez avec bastnäsite, les dépresseurs sont des acides phosphorique et dicarboxylique ; le premier est utilisé dans la transformation alimentaire pour acidifier la soude, et le second est une famille qui comprend certains acides aminés dans le corps.

Les collecteurs comprennent le silicate de sodium (irritant et utilisé dans les produits ménagers), l’hexafluorosilicate de sodium (toxique mais utilisé pour mettre du fluor dans l’eau courante) ou le sulfonate de lignine (non toxique, répandu sur les routes pour éviter la poussière).

Parmi les autres méthodes, séparation magnétique est particulièrement utile pour la monazite et le xenotime où de nombreux éléments réagissent aux aimants. La séparation par gravité, une forme de centrifugation, est également utilisée mais est considérée comme moins efficace, puisque les plus petites particules de terre rares sont généralement purgées du mélange.

À la fin de la enrichissement, c’est le déshydratation (assèchement). La boue minérale est passée à travers un concentrateur pour que la poussière se décante. Ensuite, ces derniers sont soumis à un séchage thermique.

Crédit : Mickey//Flickr

Traitement chimique

La poussière résultante est traitée chimiquement, ce qui permet d’augmenter leur pureté dans les terres rares à 90%. Deux méthodes sont possibles, l’un acide et l’autre basique (le contraire de l’acide). Les produits chimiques utilisés sont agressifs mais très ordinaires, et peuvent être achetés dans n’importe quel magasin de bricolage. Acide sulfurique (H2SO4), acide chlorhydrique (HCl), acide nitrique (HNO3), soude caustique (NaOH) et cristaux de soude (Na2Co3).

Si cette étape est si polluante, ce n’est pas tant à cause des substances utilisées que des éléments qu’elles permettent de nettoyer dans la poussière. Ici, nous allons nous concentrer sur les deux principaux minéraux, monazite et bastnäsite.

Monazite

Prenons la monazite. Le méthode traditionnelle consiste à mettre la monazite dans de l’acide sulfurique hautement concentré et laisser mijoter au four pendant plusieurs heures, à une température allant de 120°C à 300°C selon les recettes. Le mélange est agité vigoureusement, jusqu’à ce qu’il prenne la texture d’une pâte épaisse. La pâte est retirée avant de durcir et refroidie à 70°C avec de l’eau modérément chaude.

Donc nous partons tremper une journée entière. En fin de compte, nous obtenons la solution qui surnate (imaginez le jus monazite) en se débarrassant des résidus — un mélange de silicium, de titane, de zircone et d’autres impuretés. Ce jus de monazite est très acide, et nous l’adoucirons plusieurs fois avec de l’ammoniac. Comme par magie, nous verrons apparaître successivement au fond du mélange un Thorium et gâteau de phosphate (radioactif, à jeter)  ; un concentré de terres rares (à conserver) ; et un concentré d’uranium (radioactif, également à jeter) .

Une méthode de base, plus récente et efficace, est de cuisiner monazite à 140°C (thermostat 5 sur votre four domestique) dans un bain de soude caustique, puis refroidir la pâte obtenue à 100°C avec de l’eau. Cela rendra le jus plein de phosphate, qui peut être récupéré à des fins commerciales. L’acide chlorhydrique est ajouté pour révéler le jus de lanthane, récupéré pour ses terres rares. Reste seulement en dessous boues de thorium, titane et zirconium , bien toxique et radioactif.

Bastnaasite

Bastnäsite peut être grillé avec de l’acide sulfurique à plus de 100°C. et en particulier le fluor, évacué par des vapeurs toxiques . Ce fluor est principalement présent sous forme d’acide fluorhydrique (HF) — et parfois sous forme d’acide hexafluorosilicique (H2SiF6), qui est chimiquement similaire.

L’acide fluorhydrique réagit avec le calcium, un élément omniprésent dans le corps humain. Sous la forme de vapeurs, il peut provoquer un œdème pulmonaire ou le rendre aveugle. Mélangé avec de l’eau, il passe facilement à travers la peau, perturbe le fonctionnement des nerfs et peut attaquer les os ou provoquer un arrêt cardiaque.

Processus de séparation

Après ce tambour toxique — qui produit des montagnes de boues radioactives et des nuages entiers de fluor à traiter — nous obtenons ainsi un mélange de terres rares. Mais ces derniers sont tous chimiquement semblables. Lorsqu’ils sont extraits pendant le traitement chimique, nous les recueillons tous ensemble dans un seul cocktail.

Pour les séparer, divers solvants sont généralement utilisés. Ce ne sont pas les produits chimiques les plus polluants, sauf lorsqu’ils contiennent du fluor (PDF), parce que vous pouvez alors vous retrouver avec l’acide fluorhydrique terrible d’antérieurement. L’yttrium est, par exemple, isolé (PDF) avec de l’acide naphténique, le « na » du produit incendiaire napalm, dont les effets polluants sont plus visibles autour de l’extraction pétrolière.

C’est comme de la vinaigrette

L’huile d’olive.

Simplifiant un peu, chaque terre rare a son solvant préféré. Imaginez que vous préparez de la vinaigrette. Vous mettez moutarde dans le vinaigre (mélange aqueux), puis ajouter de l’huile. L’eau et l’huile ne se mélangent pas, donc si vous laissez votre vinaigrette reposer assez, elle se dépose : nous nous retrouvons avec du vinaigre et de la moutarde au fond, et en haut l’huile.

Il est presque incroyable que nos smartphones ne sentent pas le soufre

Dans cet exemple, les solvants sont comme de l’huile et des terres rares comme la moutarde. La plupart des terres rares resteront au fond, sauf celui qui aime le solvant en question et qui remontera. En répétant plusieurs fois le procédé avec différents solvants, chaque terre rare peut être récupérée à son tour, qui peut ensuite être réutilisée à des fins commerciales.

Ce n’est qu’à la fin de ce processus, radioactif et plein d’acide fluorhydrique En outre, l’yttrium et le cérium peuvent prendre leur place dans les écrans OLED, et le néodyme et le praséodyme dans les aimants des haut-parleurs. Autant dire qu’il est presque surprenant que, contrairement à l’air de Baotou, nos smartphones ne sentent pas le soufre.

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