Fiche de révision : Matières premières critiques et recyclage

📋 Plan du Cours

1. Caractéristiques et criticité des matières premières
2. Histoire et classification des métaux
3. Applications industrielles des matières critiques
4. Métaux de la transition énergétique
5. Formation et extraction des gisements
6. Exemples du nickel et du lithium
7. Réserves et impacts miniers
8. Production primaire de l’aluminium
9. Besoins futurs et risques d’approvisionnement
10. Recyclage et ressources secondaires
11. Hydrométallurgie et développement technologique
12. Aluminium secondaire et économie circulaire

📖 1. Caractéristiques et criticité des matières premières

🔑 Notions clés & Définitions

• Matières premières critiques : Éléments ou matières essentiels aux applications modernes et exposés à des risques d’approvisionnement liés à leur rareté, à la localisation des mines ou à la difficulté d’exploitation.

📝 Points essentiels

• Les caractéristiques principales sont:
  • la rareté ou concentration géographique
  • l’importance économique
  • la dépendance industrielle
  • la vulnérabilité aux perturbations

• L’Union européenne révise sa liste des matières premières critiques tous les trois ans ; elle comptait 14, 20, 27, 30 et 34 matières en 2011, 2014, 2017, 2020 et 2023, et la liste de 2023 incluait 16 matières premières stratégiques.

💡 Astuce mémo

Rareté et concentration → dépendance industrielle → risque d’approvisionnement

📖 2. Histoire et classification des métaux

★ À maîtriser

• Le nombre de métaux connus ou exploités est passé d’environ 7 dans l’Antiquité à moins de 20 en 1970 et à environ 60 en 2000. - Bihouix P., De Guillebon B., Quel avenir pour les métaux ? Raréfaction des métaux : un nouveau défi pour la société, 2010

Compléments

• En 1730–1750, le développement de la métallurgie et de la chimie industrielle a permis l’exploitation accrue du zinc, du cobalt et du nickel.

• L’aluminium a été identifié en 1827.

💡 Astuce mémo

Métaux natifs → réduction thermique → métallurgie industrielle → métaux nouveaux

📖 3. Applications industrielles des matières critiques

★ À maîtriser

📌 Les métaux de base sont produits en grande quantité, facilement disponibles et peu coûteux, tandis que les petits métaux sont généralement produits en faibles quantités, souvent comme sous-produits d’un métal de base, et ont des applications spécifiques.

• Les associations de sous-produits citées sont:
  • cobalt avec nickel et cuivre
  • gallium avec aluminium
  • germanium et cadmium avec zinc
  • rhénium avec zirconium

Compléments

• Les principaux métaux de base comprennent:
  • le fer
  • le cuivre
  • l’aluminium
  • le zinc
  • le nickel
  • le plomb
  • l’étain
  • le molybdène
  • le tungstène

📖 4. Métaux de la transition énergétique

★ À maîtriser

• Les terres rares, notamment le néodyme et le dysprosium, sont utilisées dans les aimants permanents des moteurs électriques et des éoliennes ; un moteur d’éolienne offshore peut contenir 0,5 à 1 tonne de ces éléments.

• Une batterie lithium-ion comprend un électrolyte, deux électrodes, une cathode de type LiMeO et une anode en graphite ; le lithium représente environ 10 % de la masse de la batterie et le nickel peut atteindre 70 %.

Compléments

• Les couches conductrices des panneaux photovoltaïques peuvent utiliser l’indium, le gallium, le tellure ou le sélénium, tandis que les panneaux à cellules C-Si utilisent une couche conductrice en argent.

💡 Astuce mémo

Moteurs : terres rares ; batteries : lithium, nickel, cobalt et graphite

📖 5. Formation et extraction des gisements

★ À maîtriser

• Les gisements de métaux critiques peuvent être primaires, comme les gisements de sulfures, d’oxydes et de carbonates, ou secondaires, comme les dépôts alluvionnaires.

• 🔄 L’exploitation suit généralement les étapes suivantes:

  1. exploration géologique
  2. extraction minière
  3. traitement du minerai
  4. purification du métal

Compléments

• Les techniques d’exploration comprennent:
  • la géophysique
  • la cartographie géologique
  • les forages
  • l’analyse chimique

💡 Astuce mémo

Explorer → extraire → traiter → purifier

📖 6. Exemples du nickel et du lithium

★ À maîtriser

📌 Les gisements de sulfures de nickel sont associés à des roches ignées et à des environnements volcaniques, tandis que les gisements latéritiques se forment sous des climats tropicaux ou subtropicaux chauds et humides.

• Le lithium est extrait soit de saumures par pompage et évaporation solaire, soit du spodumène LiAlSi2O6 exploité en mine à ciel ouvert.

Compléments

• Les principaux producteurs de lithium sont:
  • l’Australie
  • le Chili
  • la Chine
  • l’Argentine
  • le Zimbabwe

💡 Astuce mémo

Nickel : sulfures ou latérites ; lithium : saumures ou spodumène

📖 7. Réserves et impacts miniers

🔑 Notions clés & Définitions

• Réserve exploitable : Tonnage d’un métal contenu dans un gisement démontré par des forages et des modèles numériques avec une probabilité supérieure à 90 %.

📝 Points essentiels

• Le seuil de coupure est la teneur minimale acceptable qui sépare le minerai du stérile et dépend des choix des États, de la demande du marché et des méthodes d’exploitation.

• L’exploitation minière peut provoquer la déforestation, la consommation d’eau, la pollution de l’eau et de l’air, la production de déchets, l’altération des sols et la perte de biodiversité.

💡 Astuce mémo

Extraction intensive → consommation d’eau, pollution, déchets et perte d’habitats

📖 8. Production primaire de l’aluminium

★ À maîtriser

• 🔄 La production primaire suit les étapes suivantes: extraction de la bauxite, production d’alumine par le procédé Bayer, électrolyse de l’alumine par le procédé Hall-Héroult, production d’aluminium

• Le procédé Hall-Héroult représente environ 70 % des émissions totales de gaz à effet de serre de la production d’aluminium, contre environ 16 % pour le procédé Bayer.

Compléments

• Le procédé Bayer produit 1 à 1,5 tonne de boues rouges par tonne d’alumine raffinée ; ces résidus sont très alcalins et contiennent principalement des oxydes de fer, de calcium et de titane.

💡 Astuce mémo

Bauxite → Bayer → alumine → Hall-Héroult → aluminium

📖 9. Besoins futurs et risques d’approvisionnement

📝 Points essentiels

• Selon le scénario 2040 présenté, les besoins par rapport à 2020 pourraient être multipliés par 13 à 42 pour le lithium, 6 à 21 pour le cobalt, 6 à 19 pour le nickel et 8 à 25 pour le graphite.

• La demande européenne de lithium pour les batteries des véhicules électriques et le stockage de l’énergie pourrait atteindre 18 fois l’approvisionnement actuel en 2030 et près de 60 fois en 2050.

• Les principaux risques sont:

  • les risques géographiques
  • les risques géopolitiques
  • les risques économiques
  • les risques sanitaires
  • les risques environnementaux
  • les risques sociaux

📖 10. Recyclage et ressources secondaires

★ À maîtriser

📌 Les métaux de base, précieux et certains métaux courants sont généralement recyclés à plus de 50 %, tandis que les taux sont inférieurs à 25 % pour le cadmium, le ruthénium et le tungstène, inférieurs à 10 % pour l’antimoine et le mercure, et inférieurs à 1 % pour les autres métaux, dont les terres rares.

• Le recyclage des métaux comprend la collecte, le tri, le prétraitement, les procédés de récupération et la purification.

Compléments

• Dans un téléphone portable, environ 60 éléments métalliques sont présents et, en Europe, seuls les métaux précieux comme l’or, l’argent et le platine sont souvent récupérés de manière rentable.

💡 Astuce mémo

Collecter → trier → prétraiter → récupérer → purifier

📖 11. Hydrométallurgie et développement technologique

★ À maîtriser

• 🔄 Les étapes de l’hydrométallurgie sont:
  1. prétraitement
  2. lixiviation
  3. séparation
  4. purification

Compléments

• Le broyage des cellules de batteries lithium-ion produit une matière appelée black mass après retrait de l’enveloppe plastique, de l’électronique et de l’aluminium.

• Les axes de recherche comprennent:

  • la lixiviation sélective
  • la biolixiviation
  • l’optimisation des solvants
  • la modélisation des cinétiques
  • la montée en échelle

💡 Astuce mémo

Lixivier → extraire → séparer → purifier

📖 12. Aluminium secondaire et économie circulaire

★ À maîtriser

• L’aluminium secondaire est produit par recyclage de déchets industriels ou ménagers et peut nécessiter 10 à 15 fois moins d’énergie que l’aluminium primaire.

Compléments

• Environ 35 millions de tonnes d’aluminium secondaire sont produites, soit 40 % de la production mondiale d’aluminium, et cette proportion pourrait atteindre environ 50 % en 2050.

• Les composants et matériaux cités sont:

  • panneaux photovoltaïques : Ag, Cu, Al et Si
  • aimants permanents : terres rares
  • circuits imprimés : Au et Pd
  • batteries lithium-ion : Li et métaux de transition

💡 Astuce mémo

Aluminium primaire énergivore ; aluminium secondaire nécessitant 10 à 15 fois moins d’énergie

📊 Tableaux de synthèse

Principales familles de métaux

Voies d’extraction du lithium