Une méthode plus durable pour affiner les métaux

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Une nouvelle méthode pourrait réduire l’impact environnemental de l’extraction de métaux à partir de matières premières et d’appareils électroniques post-consommation
Une équipe de chimistes du Canada a mis au point une méthode permettant de purifier les métaux sans recourir à des solvants et à des réactifs toxiques. Beaucoup moins énergivore que les techniques traditionnelles, cette méthode pourrait réduire considérablement l’impact environnemental de la production de métaux à partir de matières premières ou d’appareils électroniques post-consommation.
 
« Avec l’épuisement des gisements naturels de métaux, l’amélioration des méthodes d’affinage et de recyclage des métaux suscite un vif intérêt, mais les technologies révolutionnaires ne sont pas légion », affirme Jean-Philip Lumb, professeur agrégé au Département de chimie de l’Université McGill. « C’est pourquoi notre découverte est si importante. »
 
Cette découverte est le fruit d’une collaboration entre le Pr Lumb et Tomislav Friščić, de l’Université McGill, à Montréal, et Kim Baines, de l’Université Western, à London, en Ontario. Dans un article publié récemment dans Science Advances, les chercheurs ont décrit leur méthode, qui repose sur l’utilisation de molécules organiques plutôt que de chlore et d’acide chlorhydrique, pour aider à purifier le germanium, métal qui entre dans la fabrication de nombreux dispositifs électroniques. Les essais en laboratoire réalisés par les chercheurs ont démontré qu’il est possible de recourir à cette méthode avec d’autres métaux, dont le zinc, le cuivre, le manganèse et le cobalt.
 
Cette étude pourrait marquer un jalon important pour le mouvement de la « chimie verte », qui vise à remplacer les réactifs toxiques utilisés dans les procédés de fabrication industriels traditionnels par des produits plus respectueux de l’environnement. Jusqu’ici, la plupart des progrès réalisés dans ce domaine reposaient sur les principes de la chimie organique – la synthèse de composés carbonés qui entrent dans la composition des produits pharmaceutiques et des plastiques, par exemple.
 
« Les applications de la chimie verte accusent un sérieux retard dans le domaine de la métallurgie », affirme le Pr Lumb. « Or, en matière de durabilité, les métaux sont tout aussi importants que les composés organiques. Ainsi, de nombreux métaux entrent dans la fabrication des dispositifs électroniques. »
 
S’inspirer de la biologie
 
Il n’existe aucun minerai riche en germanium, métal généralement obtenu au moyen de travaux d’exploitation minière et qui se présente sous forme de mélange composé de nombreux métaux. Une série de processus permet de récupérer le germanium et le zinc de ce mélange.
 
« À l’heure actuelle, il faut recourir à un processus loin d’être écologique pour isoler le germanium du zinc », explique Kim Baines. La nouvelle méthode conçue par les chimistes de McGill et de l’Université Western « permet d’effectuer cette opération sans recourir à ce processus ».
 
Pour concevoir cette méthode, les chercheurs se sont inspirés de la biologie. Les membres du laboratoire du Pr Lumb étudient depuis des années les propriétés chimiques de la mélanine, pigment que l’on trouve dans les tissus humains et qui confère leur couleur à la peau et aux cheveux. La mélanine possède également la propriété de se lier aux métaux. « Nous nous sommes demandé s’il était possible d’utiliser ce biomatériau doté d’une telle fonction comme modèle pour mettre au point des technologies plus efficientes. »
 
Les scientifiques ont fait équipe afin de synthétiser une molécule dont les propriétés imitent celles de la mélanine. Ainsi, ce « cofacteur organique » sert de médiateur qui facilite l’extraction du germanium à la température ambiante, sans utilisation de solvants.
 

Prochaine étape : utilisation à l’échelle industrielle
 
Cette méthode s’appuie également sur l’expertise du Pr Friščić en mécanochimie, nouveau domaine de la chimie qui s’intéresse à l’utilisation de forces mécaniques – plutôt que de solvants et de chaleur – dans le but de provoquer des réactions chimiques. Ainsi, des cuves de broyage dans lesquelles se trouvent des boulets d’acier inoxydable sont soumises à de rapides vibrations afin de purifier le métal.
 
« Les résultats que nous avons obtenus montrent que le travail collaboratif peut favoriser naturellement l’innovation axée sur la durabilité », affirme le Pr Friščić. « En faisant appel à un nouveau domaine noble de la chimie ainsi qu’à des techniques mécanochimiques sans solvant, nous avons pu mettre au point un processus plus écologique en évitant non seulement le traitement à base de chlore, mais également la production de déchets toxiques provenant de l’utilisation de solvants. »
 
La prochaine étape du développement de cette technologie consistera à démontrer qu’elle peut être avantageuse sur le plan économique lorsqu’elle est utilisée à l’échelle industrielle pour divers métaux.
 
« Il reste encore beaucoup de travail à faire avant que nous puissions atteindre les objectifs que nous nous sommes fixés », affirme le Pr Lumb. « Mais notre technologie fonctionne pour de nombreux types de métaux et d’oxydes métalliques, et nous croyons qu’elle pourrait être adoptée par l’industrie. Nous sommes à la recherche de partenaires avec lesquels nous pourrions exploiter encore davantage cette technologie. »
 
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Cette étude a été financée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, le Centre de recherche sur le rayonnement synchrotron de l’Université de Suzhou-Université Western et le Centre d’innovation collaborative en nanosciences et technologie de l’Université de Suzhou.
 
L’article « A chlorine-free protocol for processing germanium », par Martin Glavinović et coll., a été publié dans la revue Science Advances le 5 mai 2017. DOI : 10.1126/sciadv.1700149 http://advances.sciencemag.org/content/3/5/e1700149
 

IMAGE : Une équipe de chercheurs canadiens a développé une technique plus durable pour la purification des métaux sans avoir recours à des solvants et à des réactifs toxiques.
CRÉDIT Michael J. Krausse (Université Western)

 

VIDÉO : Grâce à la mécanochimie, les réactions chimiques sont enclenchées en secouant des billes d’acier inoxydable à très grande vitesse dans une cuve de broyage, évitant ainsi le recours à des solvants habituellement utilisés afin de purifier les métaux.
CRÉDIT :  Michael Brand (Université de Cardiff) and Jean-Louis Do (Université McGill)


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