L'Agence nationale de la recherche Des projets pour la science

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Ecotechnologies & EcoServices (ECO-TS)
Edition 2013


EXTRADE


Extraction des Terres Rares contenues dans les aimants parmanents des Déchets des équipements électriques et électroniques

EXtraction des Terres Rares contenues dans les Aimants permanents des Déchets des Equipements Electriques et Electroniques
Les technologies nouvelles qui utilisent de plus en plus des terres rares (TR) contribuent à la demande croissante et durable, dans le temps, de ces substances. L’Europe constitue une des plus importantes régions de consommation de TR. Elle a en outre accumulé pendant des dizaines d’années des biens de consommation (équipements électriques et électroniques) qui, arrivés en fin de vie, constituent des ressources secondaires d’où pourraient être extraites de ces TR.

Développement de techniques physiques et physico-chimiques innovantes pour recyclage des aimants permanents à terres rares contenus dans les disques durs, haut-parleurs et petits moteurs électriques
Les pays développés font face à une inquiétude persistante au sujet de l’approvisionnement en métaux rares. Ces métaux rares, dont le TR, sont essentiels au développement d’industries innovantes de haute technologie, et tout particulièrement celles associées aux énergies vertes. La récente crise politique provoquée par la Chine vis-à-vis du Japon en mettant l’approvisionnement en TR dans la balance (95% des besoins mondiaux) n’a fait qu’amplifier ces inquiétudes. La question fondamentale est d’assurer l’approvisionnement des industries manufacturières pour lesquelles ces alliages et composés chimiques élaborés à partir de métaux rares sont indispensables, alors même que leur disponibilité présente des vulnérabilités à différents niveaux de leur chaîne d’approvisionnement. Dans ce contexte,
l’Union Européenne publie son rapport « Critical raw materials for the EU » qui identifie 20 métaux qualifiés de stratégiques pour l’ensemble de l’économie européenne. Au niveau français, la feuille de route pour améliorer la productivité des ressources est marquée par la mise en place du Plan métaux stratégiques et la création du COMES (Comité pour les métaux stratégiques). Parmi ces métaux stratégiques, les terres rares contenues dans les aimants permanents de certaines catégories de D3E constituent une cible d’intérêt grandissant et devenant prioritaire. Depuis le développement des aimants puissants à base de Néodyme (Nd–Fe–B) en 1980, le volume de production de ce matériau a augmenté de façon spectaculaire. Le développement d’une filière spécifique visant à récupérer ces aimants permanents contenus dans les D3E et à recycler les terres rares qu’ils contiennent doit donc devenir une priorité. L’objectif principal de ce projet est la mise en place de techniques performantes de récupération, de traitement et de valorisation des aimants permanents contenus dans les D3E.

La caractérisation approfondie des aimants à terres rares, le recyclage des poudres de déchets pour fabrication d’aimants et/ou l’extraction des terres rares des aimants des D3E
L'approche scientifique et technique choisie combine et fait interagir les savoir-faire des partenaires en matière d’identification des gisements (Ecosystèmes en collaboration avec tous les partenaires), d'échantillonnage, de caractérisation et de techniques séparatives (BRGM, GPM-Rouen, Galloo, Cyclamen et Selfrag), d’aimantation et de fabrication de nouveau aimants (GPM-Rouen). Enfin les évaluations technico-économiques ainsi que les ACV sont prises en considération par tous les partenaires.
Les phases successives de l'étude sont les suivantes :
- échantillonnage des trois cibles du projet (disques durs, petits moteurs électriques et haut-parleurs) sur les sites de Galloo et sur des équipements professionnels prélevés par Cyclamen. Le défi pour obtenir des échantillons représentatifs réside dans la variabilité des gisements. La mise en forme des échantillons de ces trois cibles pour la caractérisation chimique a nécessité plusieurs étapes de préparation ;
- Identification et isolation des composants contenants des aimants à terres rares qui nécessitent des tris manuels et mécaniques ;
- développement de techniques physiques et chimiques de séparation destinées en premier lieu à l’extraire des aimants de ces trois cibles, puis à permettre leur traitement selon les objectifs du projet, étude expérimentale de l’extraction du revêtement des aimants à base de nickel, reproduction des aimants à partir des poudres purifiées et récupération des terres par l'expérimentation, l'étude des mécanismes chimiques, et la modélisation thermodynamique de la mise en solution des TRs des aimants permanents des D3E ;
- évaluation technique et économique du procédé extrade développé, par les modèles numériques de conduite de ces procédés.
Pour assurer un maximum d'efficacité, les phases ci-dessus sont organisées de manière à permettre les interactions, notamment entre la modélisation technique et le développement des techniques séparatives.

Résultats

Le partenariat du projet EXTRADE est pluridisciplinaire et complémentaire ; il implique trois industriels (Galloo, Selfrag et Cyclamen), un laboratoire CNRS (GPM-Rouen), un Eco-organisme (Eco-Systèmes) et un EPIC coordinateur du projet (BRGM). Le projet commencé en janvier 2014 a d’ores et déjà permis :
Synthèse bibliographique sur une estimation du gisement des composants électriques et électroniques contenant des aimants à terres rares ;
Proposition d’un protocole d’échantillonnage et mise en oeuvre sur site industriel ayant abouti à la réalisation de deux campagnes d’échantillonnage sur le site de Galloo pour prélever des lots représentatifs de différentes fractions de tri des PAM des D3E ;
Choix des techniques analytique pour caractériser les terres rares des aimants permanents
présents dans les PAM et les TIC ;
Isolation des composants contenants des aimants permanents des D3E par des tris manuels et mécaniques ;
Etude thermodynamique qui a permis la compréhension des mécanismes de dissolution des terres dans les aimants l’aide du logiciel HSC, version 5.1 ;
Autre résultat majeur du projet concernant l’identification des techniques de tri physique et chimique permettant d’améliorer la qualité des terres rares récupérées et/ou les poudres d’aimant purifiées pour fabriquer des nouveaux aimants.
Les résultats à mi-parcours concernent une meilleure connaissance des produits, de l’inventaire précis des difficultés à lever ainsi que la qualité moyenne des produits issus des traitements pour chaque filière.

Perspectives

Les techniques séparatives innovantes de tris physique et chimique développées dans le projet EXTRADE pourraient permettre soit de recycler les aimants permanents des D3E soit d’extraire les terres rares contenues. Le travail important réalisé sur la caractérisation et le tri des trois cibles du projet (haut-parleurs, disques durs et petits moteurs électriques) peut ainsi apporter une contribution majeure dans la gestion économique et environnementale des D3E, améliorer la qualité du recyclage des D3E, réduire les émissions de CO2, diminuer la consommation de la ressource primaire (terres rares), réduire significativement les pertes des métaux stratégiques et les volumes des déchets industriels mis en décharge). En outre, au-delà des objectifs du projet EXTRADE, les techniques de tri physique et de traitements chimiques étudiés dans le projet, pourraient trouver des applications pour d’autres catégories de D3E, comme par exemple les éoliennes afin d’y récupérer les métaux stratégiques.

Productions scientifiques et brevets

Outre les communications réalisées dans le cadre des journées ANR, les résultats issus du projet EXTRADE ont déjà donné lieu à la production d’une enveloppe soleau dès le démarrage du projet, de 11 communications, ENVIRONORD TEAM² EVENTS (Lille, 2014), Matériaux conf. (Montpellier, 2014), Care innovation conf. (Vienne, Autriche, 2014), Fête de la Science, Saint Etienne du Rouvray, 2014), deux sélections dans le congrès pollutec, 2014, magazine Mat Environnement, N°55 Sept. 2014, Chimie-Paritech, (Paris, 2015), JCM, 2015, deux brevets sont en cours de dépôts et de deux mémoires de stage (licence IUT, 2014 et 2015). Toutes ces informations sont reportées dans le site web : http://extrade.brgm.fr

Partenaires

 BRGM

Eco-systèmes Eco-systèmes

GALLOO France GALLOO France HALLUIN

GPM Université de Rouen

Selfrag AG Selfrag AG

SR France SR France

Aide de l'ANR 686 152 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2014 - 42 mois

Résumé de soumission

L’utilisation croissante des terres rares (TR) dans bon nombre d’innovations technologiques récentes ont conduit à une augmentation rapide (plus 50% ces dix dernières années) de leur demande. Le développement continu de « technologies vertes » particulièrement friandes de ces éléments, contribue largement à cette demande croissante et qui sera durable dans le temps.
Dans ce contexte, l’Europe dans sa stratégie « Matières premières », met le recyclage au centre de ses préoccupations pour assurer une partie de la sécurisation de ses approvisionnements en TR. Le recyclage des TR, à l’échelle industrielle, demeure assez peu développé alors qu’il présente de nombreux avantages par rapport à l’exploitation des ressources primaires :
­ l’Europe constitue une des plus importantes régions de consommation de TR au travers de ses industries à haute valeur ajoutée. Elle a en outre accumulé pendant des dizaines d’années des biens de consommation qui, arrivés en fin de vie, constituent des ressources secondaires d’où pourraient être extraites des TR ;
­ la dépendance européenne et française vis-à-vis des ressources provenant de pays étrangers peut être réduite au travers du recyclage des déchets post-consommation ;
­ le traitement de ressources secondaires pour la production de TR n’entrainerait pas de risques sanitaires et environnementaux induits liés à la présence de cortèges de radionucléides présents dans les gisements primaires ;
­ la production de ressources métalliques par exploitation des ressources secondaires se fait le plus souvent avec des consommations énergétiques bien inférieures à celles observées pour l’exploitation des ressources primaires. On s’attend également à ce que la plupart des opérations de recyclage présentent un bénéfice environnemental.
Par ailleurs, l’examen des substitutions potentielles des TR par d’autres métaux ou alliages montrent que cette substitution difficile, voire impossible, et qu’elle requerrait le plus souvent de repenser totalement les produits.
Ainsi, afin d’accroitre l’efficacité de l’utilisation des TR et de diminuer la dépendance européenne vis-à-vis de ces éléments stratégiques, un effort de recherche et développement doit être réalisé dans tous les domaines de leur cycle de vie qu’il s’agisse de l’exploitation des minerais (minéralurgie, métallurgie extractive) ou de celle des équipements en fin de vie tels que ceux qui constituent la cible du projet EXTRADE, à savoir les Déchets des Equipements Electriques et Electroniques (D3E).
Dans ce contexte, le projet EXTRADE ambitionne de développer de nouvelles filières de valorisation des aimants permanents à terres rares (APTR) présents dans les D3E en ciblant 3 types d’équipements que sont i) les disques durs d’ordinateurs, ii) les haut-parleurs des matériels audio et vidéo et iii) les petits moteurs électriques présents dans les TIC (Technologies de l’Information et de la Communication) et les PAM (Petits Appareils Managers). EXTRADE propose d’aborder le recyclage des APTR en considérant la filière dans son ensemble en partant du gisement de DEEE, en développant des opérations unitaires de traitements des DEEE destinées à récupérer le contenu en APTR massifs, et en mettant au point des traitements thermiques, physiques et physico-chimiques destinés à produire de nouveaux aimants et/ou des fractions enrichies en alliages de TR compatibles avec une valorisation dans les circuits hydro-métallurgiques de production de TR. Tout au long du projet et à mesure que les informations provenant des recherches seront collectées, les filières développées seront évaluées du point de vue de leur efficacité environnementale, de leur rendement de récupération et de valorisation de la matière (TR) et de leur viabilité économique (calcul des CAPEX , OPEX et temps de retour sur investissement).

 

Programme ANR : Ecotechnologies & EcoServices (ECO-TS) 2013

Référence projet : ANR-13-ECOT-0006

Coordinateur du projet :
Monsieur Nourredine Menad (BRGM)
n.menad@nullbrgm.fr

Site internet du projet : http://extrade.brgm.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.