Le pouvoir surprenant des coquillages : comment les déchets d’huîtres peuvent récupérer les éléments des terres rares

Sur de nombreuses côtes du monde, les tas de coquilles d’huîtres et de moules rejetées sont monnaie courante – les restes d’une industrie mondiale des produits de la mer qui produit des millions de tonnes de déchets chaque année. Dans le même temps, cachée dans des dépôts rocheux éloignés de la côte, une ressource très différente – les éléments de terres rares – est abondante. Ces métaux sont de plus en plus demandés car ils sont essentiels à des technologies telles que les éoliennes, les véhicules électriques et la plupart des appareils électroniques modernes.

Les nouvelles recherches de mon équipe explorent un lien intéressant entre ces déchets et les éléments de terres rares indispensables. Nous avons découvert que les coquillages communs, en particulier les coquilles d’huîtres, peuvent capturer et piéger les éléments des terres rares présents dans l’eau. Ce faisant, les coquillages se transforment du statut de déchet en un outil potentiel de dépollution lié à la transition énergétique verte.

Au Japon, les éléments des terres rares sont souvent décrits comme les « vitamines de l’industrie moderne » car, comme les vitamines du corps, ils sont essentiels à de nombreuses technologies modernes, mais seules de petites quantités sont nécessaires. Leur extraction et leur traitement des minéraux de terres rares peuvent générer des eaux usées contaminées, où ces éléments peuvent s'infiltrer dans l'environnement.

Dans nos laboratoires du Trinity College de Dublin, nous étudions si les déchets de coquillages pourraient contribuer à résoudre ce problème. Nous avons collecté des coquilles d'huîtres, de moules et de coques sur les plages irlandaises, les avons nettoyées et broyées en petits grains. Ces fragments ont ensuite été placés dans de l’eau contenant des éléments de terres rares – notamment du lanthane, du néodyme et du dysprosium – à des concentrations similaires à celles trouvées dans une contamination industrielle sévère.

Ce qui se passe ensuite n’est pas immédiatement visible à l’œil nu, mais au microscope, c’est saisissant – et beau. A la surface de chaque grain de coquille, une réaction chimique commence. Le carbonate de calcium qui compose la coquille commence à se dissoudre, tandis que de nouveaux minéraux contenant des éléments de terres rares commencent à cristalliser à sa place. Au fil du temps, une fine couche se forme, comme une sorte de « peau » minérale qui recouvre le grain.

À l’aide d’un microscope à haute résolution, nous avons observé ce processus en détail. De minuscules cristaux apparaissent d’abord sous la forme de structures en forme d’aiguilles, puis grandissent et fusionnent pour former une croûte continue. Dans certains cas, cette croûte finit par bloquer la réaction ultérieure, arrêtant ainsi le processus.

Mais toutes les coquilles ne se comportent pas de la même manière : il s’avère que les coquilles d’huîtres ont une structure interne unique. Ils sont constitués de fines couches et de régions poreuses et crayeuses qui permettent à l’eau et aux éléments dissous de circuler plus librement. Cela signifie que la réaction ne s’arrête pas à la surface. Au lieu de cela, il continue vers l’intérieur, remplaçant progressivement la totalité de la coque.

Dans de bonnes conditions, 1 g de coquilles d’huîtres peut capturer et emprisonner jusqu’à environ 1,5 g d’éléments de terres rares présents dans la solution. Plutôt que de simplement adhérer à la surface, ces éléments font partie d’un nouveau minéral carbonaté stable.

De la lutte contre la pollution à la valorisation des ressources

De nombreux matériaux utilisés dans le traitement de l’eau reposent sur l’adsorption, le processus par lequel les contaminants se lient ou « s’adsorbent » sur une surface. Mais dans ce cas, il s’agit d’un processus appelé transformation minérale complète qui incorpore les éléments des terres rares dans des cristaux solides. Cela les rend beaucoup moins susceptibles d’être rejetés dans l’environnement.

Une fois capturés, ces éléments pourraient suivre des chemins différents. Le matériau pourrait potentiellement être traité davantage pour récupérer les métaux. Parce qu’ils sont concentrés dans une phase solide, des méthodes d’extraction chimique établies pourraient, en principe, être utilisées pour les recycler. Potentiellement, ces coquilles de déchets pourraient être utilisées non seulement pour nettoyer la pollution, mais également pour récupérer des ressources précieuses qui autrement seraient perdues.

Les coquillages ne manquent pas. La nature les fabrique gratuitement. La conchyliculture mondiale produit chaque année de grandes quantités de déchets de coquillages, dont une grande partie finit dans les décharges ou stockée près des côtes. Les coquilles broyées pourraient être utilisées dans des systèmes de filtration, des lits de traitement ou des barrières perméables, où l'eau contaminée s'écoule à travers des matériaux réactifs. Ces approches sont déjà couramment utilisées dans le traitement de l’eau, par exemple pour éliminer les métaux lourds de l’eau de mer.

Le défi réside dans le maintien de l’efficacité. Certains types de coques développent rapidement des revêtements imperméables qui limitent leur efficacité. Nos résultats suggèrent que les coquilles d’huîtres, grâce à leur structure, sont particulièrement bien adaptées pour surmonter cette limitation.

Faire fonctionner cette technologie à plus grande échelle dépendra moins de la recherche de nouveaux matériaux que de la conception de systèmes permettant à autant d’eau que possible d’entrer en contact avec les surfaces actives, tout en empêchant ces surfaces de se boucher ou de devenir moins efficaces au fil du temps.

Cette approche ne réduira pas à elle seule le besoin d’extraction d’éléments de terres rares. La demande mondiale pour ces matériaux est vaste et croît très rapidement. Toutefois, cela ne rend pas cette solution insignifiante. Il peut contribuer à soutenir une approche moins polluante et plus « circulaire » des matériaux critiques en offrant un moyen de capturer les éléments de terres rares des flux de déchets, de réduire la contamination de l’environnement et potentiellement de récupérer une partie de ce qui est actuellement perdu lors du traitement.

Faire passer cette approche du laboratoire aux applications réelles nécessite des tests dans des conditions plus complexes, car les eaux usées industrielles contiennent des mélanges de métaux, des produits chimiques variables et des systèmes en écoulement. Des études à l’échelle pilote sont nécessaires pour évaluer les performances, la durabilité et la rapidité avec laquelle les fragments d’obus développent un revêtement minéral riche en terres rares, comme une armure, qui bloque toute réaction ultérieure avec l’eau.

Les questions pratiques sont également importantes : quelle quantité de traitement (nettoyage, concassage) est réellement nécessaire et peut-elle être réalisée de manière rentable à grande échelle ? Si l’objectif est la récupération des terres rares, des méthodes efficaces doivent être développées pour les extraire des minéraux nouvellement formés. Relever ces défis déterminera si cela deviendra une solution viable à grande échelle.

Juan Diego Rodriguez-Blanco, professeur agrégé Ussher en nanominéralogie, Trinity College de Dublin

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