Les lanthanides ou terres rares

Introduction

Contrairement à leur dénomination, ces éléments métalliques sont assez répandus (autant que le zinc, 10 fois plus que le plomb, 1000 fois plus que l’argent). L’élément le plus répandu du groupe (environ 1/3) est le cérium dont la présence se situe entre celle du cuivre et de l’étain. Les deux plus rares, le thulium et le lutétium se situent pour leur part entre le mercure et le cadmium. C’est leur grande dispersion à la surface du globe et leur découverte progressive qui leur a valu cet adjectif de « rare ». Leur utilisation est grandissante dans les TICs, les technologies vertes et les applications militaires (voir ci-dessous).

La production

Dominée à plus de 95% par la Chine, la production de terres rares va devenir un enjeu stratégique dans les TICs comme dans les technologies vertes. La Chine détient les plus importantes ressources mondiales de terres rares, elle en est le plus gros producteur mais également le premier consommateur [1]. En effet, la Chine a commencé à réduire ses exportations de terres rares depuis quelques années (de manière significative en 2009) dans le but d’imposer l’implantation d’usines exploitant ces minerais sur son sol pour en tirer économiquement la valorisation (source www.metalpages.com). Dans le même temps, sa demande intérieure, qui atteint déjà 60% de la demande mondiale, croît de 20% par an et sa production, pour des prétextes environnementaux, va diminuer, ce qui va encore réduire les exportations et ainsi tendre le marché des terres rares. Pour contourner cette décision réduisant les exportations, le marché noir s’installe pour alimenter une demande mondiale croissante. Les industries étrangères à la Chine commencent à pâtir de cette situation, alors que celles ayant accepté de s’installer sur le sol chinois (la décision d’Apple de fabriquer les Ipods, Iphones et autres Ipads en Chine n’est certainement pas un hasard) bénéficient de l’accès à ses mines (source Novethic). De même, la Chine est devenue en 2010 le premier fabriquant de panneaux solaires et de turbines éoliennes au monde, deux industries grosses consommatrices de ces éléments.

Environnement et aspects sociaux

Comment expliquer la suprématie chinoise dans la production des terres rares ? Tout d’abord, les gisements chinois sont plus riches en terres rares et plus faciles à exploiter. Mais l’explication ne s’arrête pas là. La recherche minière est de plus en plus onéreuse : l’ère de l’exploitation des gisements faciles est révolue ; les opinions publiques sont de plus en plus sensibles au respect des conditions de travail et aux impacts environnementaux engendrés par ces activités. La raréfaction du crédit ne facilite pas l’investissement dans de nouvelles campagnes de prospection. Pour finir, entre le moment où on signe un contrat d’exploitation et la production du 1er kg, il se passe entre 8 et 12 ans quand tout va bien (source Georges Pichon, PDG de Mars Metal). En l’état actuel des choses, la Chine est le seul état capable de déplacer une main d’œuvre abondante, rémunérée selon le niveau en vigueur dans ce pays, dans des conditions sanitaires, sociales et environnementales que nous avons déjà décrit dans notre article sur les conditions de travail dans les centres de production de l’industrie électronique chinoise. Bien évidemment, ces conditions sont totalement inacceptables dans les pays occidentaux.

Un traitement lourd pour l’environnement

Cet aspect est une vraie source de préoccupation dans un pays où le respect des contraintes environnementales comme sociales ne sont pas la priorité. En effet, les terres rares étant des sous-produits de ressources minières, l’obtention d’un produit pur est un processus extrêmement long, gourmand en ressources naturelles et polluant. Trois étapes sont nécessaires à cette élaboration après l’extraction :

 Le traitement du minerai
 L’isolement du groupe
 La séparation des éléments du groupe

Zoom : Un reportage présentant le traitement des terres rares en Chine qui est loin d’être aussi vert que les produits high-tech qui en découlent : un process dangereux, polluant qui utilise des produits chimiques toxiques, des acides ; des ouvriers avec pas ou peu de protections ; une pollution de l’air avec des éléments comme le fluor et le souffre, des eaux usées contenant des acides et des matières radioactives. Avec 95% de la production mondiale, la Chine extrait et sépare les éléments sur son sol et en supporte pleinement les impacts environnementaux. La principale source des terres rares se situe dans un mine en Mongolie, Le minerai extrait est ensuite stocké sur les bords d’un lac gelé où le minerai mélangé à de la boue attend d’être traité par les usines proches. Cette industrie d’où provient la majorité des terres rares que nous utilisons dans nos équipements (ordinateurs, téléphones portables, ampoules à basse consommation) a rendu impropre à la consommation (même pour les animaux), à l’arrosage, l’eau des nappes phréatiques avoisinantes. Les populations rurales de cette région en paye le prix fort. Les terres rares semblent être l’or noir du 21ème siècle et la Chine projette de bâtir une "Silicon Valley" des terres rares pour attirer les investisseurs.  Rare Earth Mineral Mining in China (Reportage en anglais - 5mn40s)

L’extraction passe par une concentration mécanique puis un traitement par des appareils à triage gravimétrique en courant d’air. Cette opération a des conséquences sur l’environnement et la santé des travailleurs. Ensuite, le minerai est décomposé par une attaque chimique à l’acide chlorhydrique, sulfurique, nitrique ou par une solution alcaline (soude ou carbonate). La séparation des terres rares se fait soit par des opérations chimiques classiques, par oxydation sélective, par réduction sélective ou par les techniques d’échanges d’ions. La séparation des lanthanides à l’échelle industrielle a validé le développement d’un procédé d’extraction par solvants (sources Sciences et Avenir, docstoc.com).

La purification rejette des métaux lourds comme le plomb, le mercure ou le cadmium. Ainsi la rivière Xiang, dans la province du Hunan, présente à certains endroits une concentration en métaux lourds près de 100 fois supérieure aux standards nationaux. Dans une étude [2] publiée en 2001, il a été mis en évidence que les concentrations de chaque élément des terres rares dans l’atmosphère de 3 sites de la ville de Pékin éteint environ de 10 à 40 fois supérieures à celles enregistrées en Hollande. Ce résultat pourrait être attribué à la richesse des ressources en terres rares et à une utilisation et une production très large en Chine. Une autre étude sur l’accumulation de révsidus de terres rares dans l’environnement [3] prévoit que l’utilisation agricole et industrielle des terres rares et les contaminations qui en découlent vont croître rapidement dans les prochaines décénies (Volokh et al.,1990). Une exposition prolongée dans le cadre professionnel, l’environnement ou une alimentation contaminée par les terres rares peut affecter la santé humaine. Certaines maladies ont été identifiées comme étant imputables à l’exposition au terres rares (Sabbioni et al., 1982 ; Ding and Ma, 1984). Ces éléments nous en rappellent malheureusement d’autres mis en lumière dans les dossiers des filières clandestines de traitement des DEEE en Chine et on s’aperçoit qu’aux deux bouts de la chaîne du cycle de vie des produits « high tech », le tribut payé par l’environnement est très lourd. Pour ce qui est de l’aspect social, une brochure de l’INRS (infosud.org) (Institut National de Recherche et de Sécurité) sur l’exposition professionnelle aux poussières de terres rares montre que l’exposition aux poussières issues de l’exploitation de ces minerais peut être susceptible d’entrainer des pathologies pulmonaires si des précautions ne sont pas prises pour limiter le niveau de poussière sur le lieu de travail. Le peu d’études et de recul sur l’exploitation des terres rares entraînerait dans nos pays des mesures préventives relevant du principe de précaution. Qu’en est-il en Chine au niveau de l’extraction, du traitement du minerai comme de l’industrialisation des terres rares ?

Perspectives

L’essor grandissant des TICs ces dernières années et plus récemment celui des technologies vertes repose et reposera sur l’emploi des terres rares. Comment présenter des applications dites « vertes » ou dont l’utilisation aura un effet positif sur l’environnement, quand leur production repose sur l’exploitation de ressources dans des pays qui ne s’embarrassent ni de préoccupations environnementales ni sociales ? Devant la prévisible tension sur le marché des terres rares, une des solutions (à part la découverte hypothétique de nouveaux gisements), est l’organisation de la filière recyclage. A titre d’exemple, l’Indium recyclé devance aujourd’hui l’Indium produit. Mais comme la demande ne cesse de croître… A titre d’exemple, 2g d’Indium sont nécessaires à la fabrication de chaque ordinateur portable. Cependant, malgré la conventionde Bâle qui règlemente l’exportation des DEEE hors de la Communeauté Européenne (la France a ratifié cette convention, mais pas les Etats-Unis), de nombreux DEEE retournent vers ces pays souvent sous couvert de dons de matériel fonctionnel. Ces déchets coûteux à recycler dans les pays occidentaux deviennent une matière première valorisable dans les pays où la main d’oeuvre est bon marché. La multiplication de matériaux à base de terres rares ne fera qu’amplifer l’impact environnemental du recyclage réalisé dans des conditions artisanales. "Le recyclage des composites et hybrides est un défi en raison même de leur aspect multimatériaux." (cf. Les enjeux des nouveaux matériaux métalliques - BRGM en bas de cette page). Une étude sur les rejets de substances dangereuses dans le cadre d’opérations de de recyclage des DEEE en Chine et en Inde [4] , montre que les personnes et l’environnement exposés directement et indirectement, sont gravements affectés par ces activités.

Article rédigé en mars 2010 par Eric Drezet

Mis à jour en mai 2010

Pour aller plus loin :

 Lanthanides : nom générique des éléments des terres rares, doués de propriétés chimiques très voisines, et dont le premier est le lanthane. (Ils sont souvent représentés par le symbole Ln.)
 Les lanthanides comprennent le lanthane et les 14 éléments chimiques qui le suivent dans le tableau de classification périodique des éléments (numéros atomiques allant de 57 à 71). On les classe dans le tableau de Mendeleïev avec la série des actinides. Le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) a séparé les lanthanides en deux sous-groupes suivant la solubilité de leurs sulfates : le groupe du cérium, qui rassemble le lanthane, le cérium, le praséodyme, le néodyme, le prométhéum et le samarium (éléments de numéros atomiques Z = 57 à 63, ou terres cériques) ; et le sous-groupe de l’yttrium, qui comprend l’europium, le gadolinium, le terbium, le dysprosium, l’holmium, l’erbium, le thulium, l’ytterbium et le lutécium (éléments de numéros atomiques allant de Z = 64 à 71, ou terres yttriques). Tout en formant un autre sous-ensemble de terres rares, le scandium et l’yttrium, de formules électroniques comparables, présentent peu de différences avec les lanthanides et sont le plus souvent étudiés ensemble

 Début de l’utilisation des terres rares dans l’industrie : fin des années soixante, début des années soixante-dix
 La production mondiale est minuscule : environ 125 000 tonnes par an (110 000 pour la Chine)
 Prévisions : augmentation de leur consommation de 50% chaque année d’ici à 2015
 Applications :

• TICs : Ecrans plats, téléphones portables, batteries rechargeables, CD, DVD, consoles de jeux, GPS, disques durs
• Technologies vertes : pots catalytiques, éoliennes, lampes basse consommation, additifs pour le diésel et bientôt production de froid grâce à des aimants remplaçant le fréon
• Applications Militaires : missiles, appareils de vision nocturne, télémètres

On leur associe souvent deux autres éléments dont les formules électroniques sont proches :

Références :

 Définition (Larousse)
 Les Lanthanides (Wikipédia)
 Rare Earth Elements—Critical Resources for High Technology (U.S. Geological Survey Fact Sheet 087-02)
 Les terres rares (Les techniques de l’ingénieur)
 Des éoliennes aux téléviseurs (Nouvel Obs.com)
 Chine : la ruée vers les terres rares (Novethic)
 Tempête sur les terres rares : l’économie verte en danger (France Tibet)
 Terres rares (OverBlog.com)
 Les Terres rares : composition et utilisation (docstoc.com)
 Pénurie de terres rares à l’horizon (L’usine nouvelle)
 Pékin fait main basse sur les « terres rares » (Science et avenir)
 Hygiène et sécurité du travail (La revue scientifique et technique de l’Institut National de Recherche et de Sécurité
 BRGM : Les enjeux des nouveaux matériaux métalliques (Bureau de recherche géologiques et minières)