Fiche technique ISE 2019

Terres rares - ressources importantes pour la haute technologie

Les applications de haute technologie et environnementales des terres rares ont considérablement augmenté en diversité et en importance au cours des quatre dernières décennies. Beaucoup de ces applications sont très spécifiques, puisque les substituts des terres rares sont inférieurs ou inconnus, les terres rares ont acquis une importance technologique bien supérieure aux attentes en raison de leur relative inconnue. Bien qu'elles soient en fait plus courantes que de nombreux métaux industriels connus, les terres rares ont tendance à se concentrer sur les gisements de minerai non utilisables. En conséquence, la majeure partie de l'approvisionnement mondial ne provient que de quelques sources. Les États-Unis et l'Europe étaient auparavant largement autosuffisants en terres rares, mais sont devenus dépendants des importations en provenance de Chine au cours de la dernière décennie.

Les éléments de terres rares (terres rares) forment le plus grand groupe chimiquement cohérent du tableau périodique. Bien que généralement inconnues, les terres rares sont essentielles pour plusieurs centaines d'applications. La polyvalence et la spécificité des terres rares ont reçu un degré d'importance technologique, environnementale et économique supérieur à celui que l'on pourrait attendre de leur relative méconnaissance. Dans 1999 et 2000, plus de 90 des terres rares proviennent de gisements en Chine.

Figure 1. Production mondiale d'éléments de terres rares (1 kt = 106 kg) de 1950 à 2000 dans quatre catégories: États-Unis, presque exclusivement à Mountain Pass, Californie; La Chine, à partir de plusieurs gisements; tous les autres pays ensemble, principalement composés de placers portant des oursons lunaires; et somme globale. On distingue quatre périodes de production: l’ère des monazites, qui a débuté à la fin du 19e et s’est terminée brusquement en 1964; l'ère de Mountain Pass, qui a débuté sous 1965 et s'est terminée autour de 1984; une période de transition d'environ 1984 à 1991; et l'ère chinoise, qui a commencé autour de 1991. Source de l'image: USGS

Bien que les terres rares naturelles de 15 (tableau 1) aient des propriétés géochimiques similaires, leurs occurrences individuelles sur Terre ne sont pas les mêmes. Dans la croûte continentale et ses gisements de terres rares, concentrations des ordres de magnitude les plus courants et les plus rares (Fig. 2). À mesure que les applications technologiques des terres rares se sont multipliées au cours des dernières décennies, la demande pour certaines des terres rares les moins communes (et jusque-là tout à fait incontestées) a considérablement augmenté.

Les diverses propriétés nucléaires, métallurgiques, chimiques, catalytiques, électriques et optiques des terres rares sont devenues des applications de plus en plus variées. Ces applications vont du banal (briquets, polissage du verre) au high-tech (fluorescents, lasers, aimants, batteries, refroidissement magnétique) aux hydrocarbures futuristes (supraconductivité à haute température, stockage sûr et transport de l'hydrogène rentable).

Quelques applications d'éléments de terres rares

De nombreuses applications des terres rares se caractérisent par une spécificité élevée et une valeur unitaire élevée. Par exemple, les tubes cathodiques couleur et les écrans à cristaux liquides utilisés dans les écrans d'ordinateur et les téléviseurs utilisent l'Europium comme fluorescent rouge; Un remplacement n'est pas connu. En raison de l'apport relativement faible et de la forte demande, l'UE est très précieuse - 250 à 1,700 2 USD / kg (pour Eu3OXNUMX) au cours de la dernière décennie.

Les câbles de télécommunication à fibres optiques offrent bien plus que la bande passante. Les câbles à fibres optiques peuvent transmettre des signaux sur de longues distances car ils contiennent périodiquement des longueurs espacées de fibres dopées à l'erbium. Il est utilisé dans ces répéteurs laser malgré son coût élevé (700 USD / kg) car il possède à lui seul les propriétés optiques nécessaires.

La spécificité ne se limite pas aux terres rares les plus exotiques telles que Eu ou He. Cer, la terre rare la plus courante et la plus rentable, a des dizaines d'applications, dont certaines très spécifiques. Par exemple, l'oxyde de Ce convient particulièrement bien comme agent de polissage du verre. L'effet de polissage de CeO2 dépend à la fois de ses propriétés physiques et chimiques, y compris des deux étapes d'oxydation accessibles du cérium, Ce, 3 + et Ce4 +, en solution aqueuse. Pratiquement tous les produits en verre poli, des miroirs ordinaires aux lunettes de précision, sont équipés de CeO2.

Des aimants petits, légers et légers en terres rares ont été utilisés dans les appareils ménagers, les équipements audio et vidéo, les ordinateurs , l’automobile, les systèmes de communication et l’équipement militaire peuvent être utilisés. Un grand nombre des dernières innovations technologiques (telles que les lecteurs portables miniaturisés de plusieurs gigaoctets et les lecteurs de DVD) ne serait pas possible sans aimants en terres rares.

Les applications environnementales des terres rares ont considérablement augmenté au cours des trois dernières décennies. Cette tendance se poursuit sans aucun doute face aux préoccupations croissantes concernant le réchauffement de la planète et l’efficacité énergétique. Certaines terres rares sont des composants essentiels à la fois des catalyseurs de craquage pour fluides pétroliers et des catalyseurs destinés à lutter contre la pollution automobile. L'utilisation d'aimants de terres rares réduit le poids des véhicules à moteur. L'introduction généralisée de nouvelles lampes fluorescentes à faible consommation d'énergie (utilisant Y, La, Ce, Eu, Gd et Tb) pour l'éclairage institutionnel pourrait potentiellement conduire à une réduction des émissions de dioxyde de carbone aux États-Unis. les États-Unis. voitures sur la route. L'application à grande échelle de la technologie de refroidissement magnétique (décrite ci-dessous) pourrait ainsi réduire considérablement la consommation d'énergie et les émissions de CO2.

Situation dans le tableau périodique

Figure 2. Tableau périodique chimique avec les éléments des terres rares 16: le lanthanand Lao Lu et Y, dont le comportement géochimique est similaire à celui du lanthanoïde plus lourd. Prométhium n'a pas d'isotopes à vie longue et n'est libéré sur Terre qu'en quantités infimes. An représente les premiers éléments actiniden 14; Lr est le dernier actinide.

Dans de nombreuses applications, les terres rares sont dues à leur toxicité relativement faible. Par exemple, les types les plus courants de piles rechargeables incluent le cadmium (Cd) ou le plomb. Les piles rechargeables au nickel-hydrure de lanthane (La-Ni-H) remplacent progressivement les piles Ni-Cd et pourraient éventuellement remplacer les piles plomb-acide dans les véhicules automobiles. Bien que les batteries La-Ni-H soient plus chères, elles offrent une densité d'énergie plus élevée, de meilleures propriétés de charge et de déchargement et moins de problèmes environnementaux en termes d'élimination ou de recyclage. Comme autre exemple, les pigments rouges et orange rouge produits avec La ou Ce remplacent les pigments commerciaux classiques contenant du Cd ou d'autres métaux lourds toxiques.

La prochaine application high-tech des terres rares pour atteindre la maturité pourrait être le refroidissement magnétique. Les six ions de terres rares Gd3 + à Tm3 + ont des moments magnétiques inhabituellement importants en raison de leurs multiples électrons non appariés. Un alliage nouvellement développé, Gd5 (Si2Ge2), avec un "effet magnétocalorique gigantesque" proche de la température ambiante, permettrait au refroidissement magnétique de devenir compétitif par rapport au refroidissement par compression de gaz classique. Cette nouvelle technologie pourrait être utilisée dans les réfrigérateurs, les congélateurs et les systèmes de climatisation pour les ménages, les véhicules utilitaires et les véhicules automobiles. Le refroidissement magnétique est beaucoup plus efficace que le refroidissement par compression de gaz et ne nécessite pas de réfrigérant inflammable ou toxique, qui appauvrit la couche d'ozone terrestre ou ne contribue pas au réchauffement climatique.

Occurrences de terres rares

Les éléments de la Terre «rares» sont un abus de langage historique. La persistance du terme reflète une méconnaissance plutôt qu'une vraie rareté. Les terres rares les plus courantes sont similaires dans leur concentration en croûte aux métaux industriels courants tels que le chrome, le nickel, le cuivre, le zinc, le molybdène, l'étain, le tungstène ou le plomb (Fig. 4). Même les deux terres rares les moins communes (Tm, Lu) sont presque 200 fois plus communes que l'or. Contrairement aux métaux basiques et précieux ordinaires, cependant, les terres rares ont à peine tendance à se concentrer sur les gisements de minerai utilisables. En conséquence, la plupart de l'offre mondiale de terres rares ne provient que de quelques sources.

Les différences de fréquence des terres rares individuelles dans la croûte continentale supérieure de la terre (Fig. 3, 4) représentent la superposition de deux effets, l'un nucléaire et l'autre géochimique. Premièrement, les terres rares à numéros atomiques pairs (58Ce, 60Nd, ...) ont une fréquence cosmique et terrestre plus élevée que les terres rares voisines à numéros atomiques impairs (57La, 59P, ...). Deuxièmement, les terres rares plus légères sont plus incompatibles (car elles ont des rayons ioniques plus importants) et donc plus concentrées dans la croûte continentale que les terres rares plus lourdes. Dans la plupart des gisements de terres rares, les quatre premières terres rares - La, Ce, Pr et Nd - représentent 80 à 99 du total. Par conséquent, les gisements contenant des degrés relativement élevés de terres rares lourdes plus rares et plus précieuses (Terres rares lourdes: Gd à Lu, Y) et Eu sont particulièrement souhaitables.

Figure 3. Prix ​​et fréquence des terres rares. Les prix sont exprimés en kilogrammes pour 1999 ou 2000.Le métal des terres rares est exprimé sous deux formes: (1) 2 25 95 à 99.99; (2) de 0.1 à 0.45 kg Metal Block avec une pureté de 99.9. Deux minerais représentatifs de terres rares - le minerai de carbonatite à haute teneur de Mountain Pass, en Californie, et le minerai d'adsorption des ions de latérite du sud de la Chine - constituent la croûte continentale supérieure de la Terre. z Numéro atomique. Source de l'image USGS

Le diagramme montrant la fréquence des éléments chimiques dans la croûte continentale supérieure de la Terre en fonction du numéro atomique montre la figure 4. Fréquence (fraction de l'atome) des éléments chimiques dans la croûte continentale supérieure en fonction du numéro atomique. Un grand nombre des éléments sont placés dans des catégories (se chevauchant partiellement) divisées en: (1) éléments formant des roches (éléments principaux dans la zone verte et éléments secondaires dans la zone vert clair); (2) Eléments de terres rares (lanthanides, La-Lu et Y; (3) Principaux métaux industriels (dans le monde  production de 3x107 kg / an; imprimé en gras); (4) Métaux précieux (italiques); et (5) les neuf «métaux» les plus rares - les six éléments du groupe du platine plus Au, Re et Te (un métalloïde). Source de l'image: USGS

Ressources d'éléments de terres rares

Depuis la découverte de terres rares (de la période 1794-1907) jusqu'aux 1950 moyens, certaines de ces terres rares ont été produites dans des placers et des veines contenant du monazite, des pegmatites et des carbonatites, ainsi que des sous-produits d'uranium et extraction niobiale. Pendant ce temps, les terres rares moyennes et lourdes étaient principalement des curiosités chimiques.

En 1949, une attaque de carbonatite avec une teneur exceptionnelle en terres rares légères (8 à 12 oxydes de terres rares [REO]) a été découverte à Mountain Pass dans le haut désert de Mojave en Californie (Fig. 5). Les terres rares au col de montagne proviennent principalement de Bastnäsit, (Ce, La, Nd, ...) CO3F et minéraux associés. Jusqu'en 1966, ce gisement unique de première classe (propriété de Molycorp, Inc.) était la principale source de terres rares aux États-Unis. Le développement précoce a été largement soutenu par la demande soudaine pour l'UE générée par la commercialisation de la télévision couleur. Avec une teneur moyenne de 9.3 tonnes (Mt) REO (avec une limite de 5), le col de montagne est le seul grand gisement de minerai à être exploité uniquement sur la base de sa teneur en terres rares. Le minerai du col de montagne est fortement dominé par les terres rares légères (Fig. 3, 6). Néanmoins, les grandes quantités de minerai traité et le développement de techniques d'extraction par solvant pour la séparation à grande échelle des terres rares individuelles les unes des autres ont permis l'extraction de plusieurs terres rares moyennes. La disponibilité accrue, à son tour, a conduit à des applications pour ces éléments autrefois exotiques.

Du 1965 au milieu du 1980, Mountain Pass était la source dominante de terres rares, tandis que les États-Unis et l’Europe étaient largement autosuffisants en terres rares. Depuis 1985, la production de terres rares en Chine a considérablement augmenté (Fig. 1). La production de terres rares en Chine provient principalement de deux sources. Bayan Obo en Mongolie intérieure. Ce gisement a des affinités géologiques avec les gisements de terres rares de carbonatite et les gisements d’oxydes de fer hydrothermaux (Cu-Au de terres rares), ainsi qu’avec Olympic Dam en Australie et Kiruna en Suède. Les grades de Bayan Obo sont 3 à 6 REO; Vous êtes au moins 40 Mt. La deuxième source principale de terres rares chinois est l’adsorption d’ions dans les croûtes latéritiques altérantes se développant sur des roches de granite et de syénite dans le sud tropical de la Chine. Ces minerais oxydés se caractérisent par une proportion relativement élevée de terres rares lourdes (figure 6) et en particulier par une simple extraction de terres rares.

Le nombre de dépôts de terres rares modifiables, qui sont déjà fortement limités par les propriétés géochimiques des terres rares, a donc été influencé par des facteurs environnementaux et réglementaires au cours des dernières années. La monazite, le minéral de terre rare le plus répandu, contient généralement des concentrations élevées de thorium. Thoi est faiblement radioactif, mais s'accompagne d'intermédiaires filles hautement radioactifs, en particulier de radium, qui peuvent s'accumuler pendant le traitement. Il existe notamment des bastnäsite dans d'autres minéraux à faible teneur en TH.

Problèmes d'approvisionnement en éléments de terres rares

Ces dernières années, la mine a été occupée sporadiquement. En raison de problèmes environnementaux et réglementaires liés à la canalisation principale d’eaux usées, l’usine de séparation des terres rares (extraction par solvant) a été fermée. Mountain Pass produit actuellement uniquement des concentrés et des ventes de bastnäsite. Même une fois la situation réglementaire clarifiée, la viabilité à long terme de Mountain Pass en tant que fournisseur de terres rares distinctes pour des applications de haute technologie est menacée par des facteurs de marché.

Photo avec le col de montagne de la mine de terres rares

Mine Molycorp, montagne Clark

Clark Mountain

Mine de Molycorp

En 1999 et 2000, la quasi-totalité (plus de 90) des terres rares distinctes utilisées aux États-Unis et en Europe ont été importées directement de Chine ou de pays qui ont importé leurs aliments végétaux de Chine. La transition étonnamment rapide de l'autosuffisance avant environ 1990 à une dépendance presque totale à l'égard des importations en provenance d'un seul pays est désormais associée à un certain nombre de facteurs de causalité. Cela comprend des coûts de main-d'œuvre et de réglementation bien inférieurs en Chine qu'aux États-Unis et en Europe. Poursuite de l'expansion de l'électronique et d'autres industries manufacturières en Asie; le nombre, la taille et la teneur favorables en terres rares lourdes favorables des gisements chinois; et les problèmes environnementaux et réglementaires persistants au col du mont Mountain. La Chine domine désormais les marchés mondiaux des terres rares (Fig.1) et soulève d'importantes questions d'approvisionnement en terres rares pour les États-Unis, l'Europe et l'UE:

(1) Les États-Unis et l'Europe risquent de perdre leur leadership de longue date dans de nombreux domaines de la technologie des terres rares. En transférant son expertise dans la technologie de traitement des terres rares et les applications des terres rares des États-Unis et de l'Europe vers l'Asie, la Chine a été en mesure de créer une importante industrie des terres rares que tous les autres pays sont capables de produire du minerai et des produits raffinés. Le ministère chinois de la science et de la technologie a récemment annoncé un nouveau programme national de recherche fondamentale. Parmi les 15 premiers projets financés figurait «Recherche fondamentale sur les terres rares» (Science, 18 décembre 1998, p. 2171).

2. Systèmes de guidage de missiles, contre-mesures électroniques, détection de mines sous-marines, défense antimissile, mesure de distance, satellite spatial les systèmes d'alimentation et de communication sont devenus de plus en plus importants.

(3) La disponibilité des terres rares chinoises sur les marchés américains dépend de la stabilité continue de la politique et de l'économie intérieures de la Chine, ainsi que de ses relations avec d'autres pays.

(4) Bien que les prix bas actuels des terres rares, dus à l'abondance de l'offre en Chine, pèsent sur les producteurs, en particulier le col de Molycorp, mais les bas prix encouragent également le développement de nouvelles applications. Par exemple, un texte récent de chimie déclare que "... pendant de nombreuses années, l'application principale du lutétium était l'étude du comportement du lutétium ..." Plusieurs applications prometteuses pour Lu sont connues, mais la plupart sont associées à des coûts élevés. Si le prix de Lu tombait de plusieurs milliers de dollars le kilogramme (fig. 3), des applications de haute technologie supplémentaires suivraient sans aucun doute, même pour ces terres rares les moins courantes. Dans quelle mesure le rôle des États-Unis et de l'Europe dans l'expansion future de la technologie et des marchés des terres rares reste une question importante mais ouverte.

Figure 6. Actions de terres rares individuelles dans deux minerais représentatifs: Bastnäsit, dominé par La, Ce et Nd, où Eu à Lu plus Y ne sont que 0.4; et minerai d’adsorption des ions latéritiques, dominé par Y. Les secteurs bleu foncé et bleu clair désignent les Lanthanides de numéro droit ou impair ou de numéro atomique (voir Fig. 2, 3). L'yttrium est marqué en vert. Source de l'image: USGS

Les éléments de terres rares sont essentiels pour une variété et une gamme croissante d'applications de haute technologie qui constituent une partie importante de l'économie industrielle des États-Unis et de l'Europe. Une pénurie ou une indisponibilité à long terme des terres rares constituerait un changement important dans de nombreux aspects de la société occidentale. Les sources d'informations connues et potentielles deviennent donc des questions de plus en plus importantes pour les scientifiques et les décideurs des secteurs public et privé.

Sources: US Geological Survey | Département de géologie | Équipe ressources minérales | Ministère de l'intérieur | Roskill | Institut des terres rares et des métaux

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