R et D sur le traitement des minéraux et des métaux des terres rares

Chacun des gîtes de terres rares est unique et est constitué de différents corps minéralisés renfermant plusieurs éléments des terres rares dans des proportions variables. Par conséquent, on doit mettre au point des procédés qui conviennent spécifiquement à la séparation des minéraux de chacun des gisements minéraux. On trouve parfois dans le minerai d’autres minéraux qui renferment d’autres métaux à valeur économique. Ces minéraux doivent également être séparés. Une caractérisation analytique et minéralogique exhaustive est essentielle pour concevoir des techniques de séparation ou d’enrichissement physique et chimique, sans danger pour l’environnement. Ces techniques d’enrichissement permettent de hausser la faible concentration de métaux (p. ex., 2 % dans le minerai) à une concentration plus élevée (p. ex., 40 % dans le concentré). La première étape consiste à concasser et à broyer le minerai en de très fines particules afin de dégager les minéraux contenant les éléments des terres rares des autres minéraux et des stériles (roches encaissantes). À l’étape suivante, on sépare de façon sélective les minéraux contenant des métaux des terres rares des autres minéraux, le plus efficacement possible. Cette technique de séparation initiale s’appuie sur les différences des caractéristiques physiques, chimiques et minéralogiques de chaque minéral et roche encaissante dont il faut séparer les minéraux. Si les différences magnétiques, de densité ou chimiques de surface des minéraux ne sont pas suffisantes entre les minéraux et les stériles, le procédé de séparation peut alors s’avérer très inefficace. Les concentrés ainsi produits sont ensuite soumis à une dissolution chimique. C’est à partir de cette solution que les composés mixtes des terres rares sont extraits et raffinés par la suite pour produire des métaux de grande pureté. Une recherche approfondie doit être effectuée afin de faire ressortir et exploiter les différences physiques et chimiques entre les minéraux et celles qui existent entre les métaux, pour mettre au point des procédés de production efficaces. Dans ce contexte, RNCan (CanmetMINES) a entrepris une recherche pluridisciplinaire sur la caractérisation, la séparation physique, l’hydrométallurgie et les aspects environnementaux du traitement de divers minerais des terres rares.

1.1.1 Caractérisation minéralogique

Des minerais d’éléments des terres rares (ÉTR) encaissés dans des carbonatites, tels que les gisements de Bayan Obo et de Mountain Pass (É.-U.), sont fortement enrichis en terres rares légères (ÉTR légers) et, d’après un certain consensus, les réserves actuelles d’ÉTR spécifiques, particulièrement les terres rares lourdes (ÉTR lourds), deviendront insuffisantes pour répondre à la demande accrue à l’avenir. À l’heure actuelle, l’approvisionnement mondial en ÉTR lourds est fortement dépendant des dépôts d’« argile à adsorption ionique » dans le sud de la Chine. D’importantes activités d’exploration sont en cours présentement au Canada à la recherche de gisements d’ÉTR, et particulièrement d’ÉTR lourds. Afin d’assurer un approvisionnement suffisant de ces métaux essentiels au pays, le soutien des activités de recherche axées sur le traitement des ÉTR, visant à favoriser la création d’une industrie minière économiquement viable et respectueuse de l’environnement pour l’exploitation des ÉTR, est devenu une priorité de Ressources naturelles Canada. Compte tenu de la diversité de la structure, de la morphologie et de la composition des minéraux à ÉTR, de même que la complexité des mécanismes de fractionnement et d’enrichissement naturels (p. ex., météorisation) et artificiels (p. ex., concentration physique, lixiviation), la caractérisation minéralogique est une composante essentielle à toutes les étapes, de l’exploration à la production. Une caractérisation détaillée des propriétés chimiques, structurales, texturales, morphologiques et de surface des minéraux à ÉTR dans un gisement, ainsi qu’une compréhension approfondie de l’évolution de ces propriétés constituent la base permettant de déterminer des procédés efficaces de concentration et d’extraction. Le projet de caractérisation a pour objet de fournir cette information indispensable pour d’importants gisements de type ÉTR. Sa réalisation repose sur le développement de solides méthodes de caractérisation minéralogique tirant parti des atouts respectifs des techniques avancées de microanalyse.

1.1.2 Séparation physique

Plus de 170 minéraux sont réputés contenir des métaux des terres rares (MTR). Cependant, seulement environ 60 d’entre eux contiennent ces éléments en quantité importante. À ce jour, seuls trois de ces minéraux, à savoir la bastnaésite (Ce,La,Y)CO3F, la monazite (Ce,La,Nd,Th)PO4 et le xénotime (Y(PO4)), ont été les véritables sources de l’approvisionnement actuel de MTR, en plus de ceux adsorbés par l’argile. Les minéraux contenant des MTR sont très dispersés et enchevêtrés avec plusieurs minéraux oxydés, carbonatés et phosphatés. Par conséquent, il est très difficile de les dégager par un broyage grossier; il est donc difficile de les séparer sans recourir à des méthodes spéciales et des réactifs pour obtenir des concentrés à haute teneur en minéraux des terres rares. Bien que les MTR d’une même classe minéralogique aient des comportements similaires, les minéraux dans lesquels ils se trouvent sont de nature chimique et minéralogique variable. Ainsi, contrairement aux minéraux sulfurés de métaux communs, aucun réactif ne peut être appliqué de façon généralisée pour une flottation efficace. En raison du volume relativement faible de la production annuelle, l’industrie chimique n’a pas investi dans le développement de collecteurs spécifiques (produits chimiques) pour la flottation de minéraux des terres rares individuels. La récupération relativement faible des métaux et la faible teneur des concentrés pendant le traitement peuvent être attribuables au manque de sélectivité des réactifs (produits chimiques) utilisés pour la flottation, qui ne sont pas synthétisés particulièrement pour les minéraux de terres rares. Dans l’ensemble, les défis et les problèmes liés au traitement, qui doivent être résolus par des recherches méthodiques et l’innovation, peuvent se résumer comme suit :

  • absence de collecteurs ou de dépresseurs propres aux minéraux, permettant de séparer les minéraux du minerai de façon sélective en concentrés et résidus;
  • manque de compréhension des comportements (réactions) physiques et chimiques de chacun des minéraux des terres rares ne permettant pas d’élaborer des schémas de traitement efficaces;
  • atteindre un haut niveau d’efficacité pour le procédé de séparation avec de faibles consommations de réactifs, d’eau et d’énergie;
  • produire des concentrés à teneur élevée afin de réduire l’importante consommation d’acides et d’hydroxydes nécessaires à la dissolution de tous les éléments des terres rares avant l’extraction.

1.1.3 Hydrométallurgie

La bastnaésite, la monazite et le xénotime sont les trois minéraux reconnus pour contenir des ÉTR en quantité suffisante. La plupart des concentrés obtenus par des procédés de séparation physique, tels que la flottation, la séparation magnétique, la concentration gravimétrique ou des combinaisons de ces procédés, contiennent ces minéraux ainsi que d’autres minéraux accessoires contenant également des ÉTR. Ces minéraux primaires à ÉTR constituent les principales ressources d’ÉTR en Amérique du Nord. Des ressources secondaires d’ÉTR ont également été découvertes au Canada et les éléments de ces gisements se présentent sous forme d’ions métalliques adsorbés sur des argiles ou des schistes. Les technologies d’extraction hydrométallurgique appliquées aux concentrés de minéraux sont différentes de celles appliquées aux concentrés de type ions adsorbés. La séparation des métaux des concentrés comprend un procédé initial de dissolution chimique des minéraux. La fragmentation permet une dissolution chimique complète des minéraux à ÉTR. La fragmentation peut nécessiter une torréfaction pour favoriser une attaque efficace par un agent chimique. Par inadvertance, d’autres minéraux dont la séparation n’avait pas réussi à l’étape de la concentration physique se dissolvent également, contribuant à augmenter l’utilisation de produits chimiques et à compliquer les procédés d’extraction des métaux. La quantité de produits chimiques requise est déterminée par la pureté du concentré. Étant donné que chaque concentré produit pour chaque gisement de minerai est unique, le procédé de séparation chimique ainsi que sa complexité sont également uniques. D’autres manipulations de la solution qui contient les métaux dissous sont effectuées afin d’en tirer des composés mixtes, mais plus simples, des terres rares. Les principales techniques de traitement sont la précipitation, l’extraction par solvant et l’échange d’ions. Les composés mixtes de terres rares sont raffinés davantage pour produire des métaux séparés d’une pureté supérieure à 99,9 %, selon les applications. C’est pour cette raison qu’il faut constituer une riche base de connaissances afin de produire ces métaux d’une valeur stratégique unique. Le projet permettra d’offrir le soutien technique et scientifique aux entreprises canadiennes qui travaillent à la mise en valeur de gisements pour la production de ces métaux stratégiques.

1.1.4 Environnement

Deux préoccupations environnementales sont liées à la production de métaux des terres rares. En effet, plusieurs gisements de MTR primaires contiennent des quantités importantes de métaux radioactifs, principalement du thorium ainsi que de l’uranium dans une moindre mesure. Le deuxième aspect concerne la toxicité des divers éléments des terres rares. Le présent projet traite de ce deuxième problème.

Dans les essais de toxicité des métaux en milieu aquatique, le comportement du cation métallique divalent libre – l’espèce de métal généralement considérée comme la plus toxique – est bien compris, particulièrement en ce qui concerne la liaison avec des composés organiques naturels. Ces composés organiques naturels sont très importants dans la détermination de la toxicité pour la vie aquatique parce qu’ils se lient aux cations métalliques de sorte qu’ils ne sont plus disponibles, c.-à-d. non toxiques. Toutefois, on ne peut pas affirmer la même chose pour les éléments des terres rares. La toxicité et le comportement des éléments des terres rares (ÉTR) dans des milieux naturels n’ont pas été étudiés de façon approfondie et, compte tenu de la charge trivalente de plusieurs ÉTR, il n’est pas possible de déterminer dans quelle mesure leur toxicité peut affecter les espèces aquatiques, ni comment ils interagissent avec des composés organiques naturels.

D’autres lacunes dans les données, pertinentes dans le cadre de nos travaux, ont trait aux répercussions de l’exploitation des ÉTR dans le Nord. Parmi les publications sur le sujet, aucune n’examine les effets des ÉTR sur les espèces nordiques. Une analyse documentaire récente sur la toxicité des ÉTR en milieu aquatique, réalisée par un groupe de recherche de l’Université Wilfrid Laurier, a permis de relever d’autres lacunes importantes dans les données, notamment les effets de modifications des propriétés chimiques de l’eau en cas d’exposition aux ÉTR. Notre but consiste à combler certaines des lacunes dans les données mentionnées précédemment, afin de mieux comprendre le comportement des ÉTR dans l’environnement. Nous visons à déterminer les effets des éléments des terres rares sur les espèces aquatiques du Nord. Dans l’ensemble, l’objectif du projet est de fournir une vue « post-exploitation » des ÉTR en étudiant les effets possibles de la toxicité des effluents produits par la lixiviation des minerais d’ÉTR sur les espèces aquatiques. L’impact des modifications aux propriétés chimiques de l’eau sur la toxicité des ÉTR, afin de déterminer l’effet du pH de l’eau, de la dureté ou de la concentration de matière organique dissoute, fera l’objet d’une étude. Ces métaux sont peu documentés et toute connaissance acquise dans le cadre de nos travaux sur leur comportement dans l’environnement contribuera à combler les graves lacunes dans les données. Compte tenu de l’intérêt grandissant pour l’exploitation des ÉTR au Canada, ces données permettront de déterminer les risques éventuels et les enjeux environnementaux.