09.06.2022 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.

Raretés en lévitation

Le piégeage magnétique des ions de terres rares pourrait conduire à une technologie pratique pour leur séparation

Certaines matières premières sont considérées comme critiques par la Commission européenne. Il s'agit notamment de nombreux représentants du groupe des éléments de terres rares, pour lesquels des goulets d'étranglement en matière d'approvisionnement sont imminents et pour lesquels il n'existe aucune option de substitution simple dans les applications technologiques. En l'absence d'exploitation minière économiquement viable en Europe, une source importante est le recyclage des déchets électroniques qui contiennent des quantités considérables de ces métaux. L'inconvénient : le processus de concentration du matériau précieux en quantités considérables dépend de produits chimiques nocifs pour l'environnement. Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) pourraient avoir une solution à ce problème, comme ils le rapportent dans le Journal of Physical Chemistry C: ils utilisent de simples aimants pour piéger les ions de terres rares en solution.

Les champs magnétiques sont un choix courant pour séparer les particules en fonction de leurs différentes propriétés magnétiques. Il s'agit d'une technique bien établie pour les matériaux que l'on peut fortement magnétiser dans un champ magnétique appliqué, comme le fer. Mais cette technique est-elle également applicable à des matériaux beaucoup plus faiblement magnétiques, tels que les ions paramagnétiques de métaux de terres rares ? "La formation d'une accumulation localement confinée de tels ions à proximité de champs magnétiques à partir d'une solution homogène est un effet stupéfiant observé mais qui nécessite une compréhension physique", explique le Dr Zhe Lei de l'Institut de la dynamique des fluides de la HZDR. Son équipe s'efforce depuis un certain temps déjà d'élucider les détails de la physique sous-jacente de ce phénomène complexe.

De la cartographie d'un paysage à la lévitation optimale

La force motrice agissant sur les particules magnétisées dans les champs magnétiques dépend de l'intensité et de la nature du champ, ce qui entraîne une magnétisation caractéristique pour chaque matériau. L'équipe de Lei tire parti de ce fait, comme l'explique le chercheur : "Pour séparer efficacement les ions de terres rares qui étaient initialement répartis dans toute la solution, nous devons d'abord faire en sorte qu'ils s'accumulent en une seule couche. C'est ce que nous réussissons à faire avec notre aimant."

Sa force permet de mettre les objets en état de lévitation, leur permettant de s'accumuler dans une couche distincte. L'ajout d'eau au système permet également de maintenir les objets macroscopiques en suspension, la flottabilité facilitant le processus de soulèvement. Cependant, lorsque les chercheurs ramènent la dimension des particules considérées à la taille d'ions, ils doivent également tenir compte des collisions des molécules environnantes, qui sont en mouvement thermique constant dans la solution. Leur énergie cinétique dépasse l'énergie magnétique, et l'effet de soulèvement "disparaît". Un processus supplémentaire est ici nécessaire : "Nous avons constaté qu'une certaine évaporation de l'eau doit avoir lieu à la surface de la solution pour que l'enrichissement réussisse. Au cours de ce processus, la densité de la couche proche de la surface nouvellement formée augmente, ce qui entraîne une tendance à se mélanger avec la couche inférieure. Cependant, le gradient de champ magnétique ascendant s'oppose à la gravité et maintient la zone d'enrichissement en lévitation, la protégeant ainsi du mélange", rapporte Lei.
Ces connaissances pourraient être appliquées en tant que technologie autonome ou être intégrées dans des processus d'extraction par solvant à l'échelle industrielle. Cependant, la conception d'un prototype utilisant ce principe nécessite une compréhension quantitative de la stabilité du système. "Pour résoudre le problème, nous avons dû fusionner les contributions individuelles de la gravité, de la flottabilité et du champ magnétique en quelque chose de très similaire à un paysage : la surface d'énergie potentielle, une structure topologique semblable à une carte de randonnée. Mais au lieu de montrer des montagnes et des chutes d'eau, elle nous donne une idée de l'emplacement des fortes concentrations d'ions métalliques qui se forment au fil du temps", décrit Lei pour décrire la partie numérique du voyage.

Des aimants peu coûteux font l'affaire

L'un des principaux défis de la technologie de séparation magnétique est la disponibilité de champs magnétiques puissants. Les aimants supraconducteurs sont une solution, mais leur prix est élevé. L'équipe de Lei propose une approche plus économique : un réseau intelligent d'aimants à base de néodyme, les aimants permanents les plus puissants disponibles dans le commerce : Un aimant en forme de barreau inséré dans un aimant en forme d'anneau de manière à ce que les magnétisations respectives pointent dans des directions opposées donne les meilleurs résultats en termes de processus de séparation optimal.

Les chercheurs ont maintenant examiné la force réelle du champ fourni par leur assemblage d'aimants. Ils ont constaté que la force du gradient magnétique de l'ensemble de Lei est environ cinquante fois plus forte que celle des systèmes référentiels conçus à l'université de Harvard, aux États-Unis. "Grâce à la modélisation informatique, nous avons également pu quantifier l'emplacement exact où nos particules d'essai s'accumulent sous l'influence du champ magnétique, quelle que soit leur position initiale dans la solution. En parallèle, nous avons mesuré ces emplacements par microscopie. Les données expérimentales concordent avec les résultats de la modélisation à tel point que, à l'inverse, nous pouvons désormais reconstituer de manière rentable les informations relatives au champ magnétique par des mesures optiques uniquement", résume Lei. Entre-temps, les chercheurs ont déposé un brevet pour une méthode permettant de déterminer la force du gradient magnétique et sa distribution spatiale.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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