Principales précautions à prendre lors de la conception de pièces contenant des métaux précieux

Les métaux stratégiques comme les métaux précieux et les terres rares sont utilisés en faibles quantités dans de nombreuses applications comme les composants électroniques et les circuits imprimés, les ampoules basse consommation, les pots catalytiques de voitures, etc. L’Europe est très dépendante du reste du monde en métaux stratégiques pour le développement de ses technologies. Face au risque identifié de pénurie, l’Union Européenne cherche à sécuriser ses approvisionnements en renforçant sa politique de recyclage de biens hors d’usage et en contrôlant les exportations de déchets contenant ces éléments. Elle a ainsi publié une liste des métaux stratégiques à protéger.

Le gisement des déchets contenant ces éléments fait maintenant l’objet d’une nouvelle politique d’exploitation de cette « mine urbaine ».

Le constat est qu’au niveau mondial, une faible partie de ces éléments stratégiques est recyclée :

Faute d’une collecte suffisante et du fait de la complexité des produits en fin de vie en termes de mélange de métaux, on estime qu’une grande partie des métaux stratégiques ont été enfouis depuis de nombreuses années de façon quasi irréversible. A titre d’exemple, 200 à 400 millions de tonnes de Cuivre ont été enfouies dans les décharges.
Un effort global est donc à faire pour l’ensemble des acteurs de la filière. Le rôle des concepteurs sera donc dans la mesure du possible :

• D’éviter de prendre des composants contenant des éléments qui deviennent rares (et dont les prix risquent de s’envoler) ;
• De faciliter leur recyclage, en évitant les associations incompatibles. (voir chapitre suivant) ;
• D’utiliser des métaux recyclés.

Règles d’association des éléments d’alliages pour les métaux précieux

A titre d’exemple, la roue des métaux de la figure ci-dessous illustre ce qu’adviennent les différents métaux présents dans une carte électronique et qui se retrouvent dans les filières de recyclage du fer, de l’aluminium, du cuivre, du zinc et du plomb. Chaque cercle indique la destination des différents éléments présents dans le mélange des produits en fin de vie (déchet), tout en indiquant le procédé métallurgique pour tous les métaux de base. Cette roue des métaux montre les limites et les possibilités de recyclage à l’origine des outils de DfRE (Design for Resources Efficiency) développés par Reuter et Van Schaik. Cela montre le niveau de détail physique et thermodynamique à prendre en compte dans un projet d’éco-conception.

Source: M.A. Reuter and A. van Schaik (2012). Opportunities and Limits of WEEE Recycling – Recommendations to Product Design from a Recyclers Perspective. In: Proceedings of Electronics Goes Green 2012+, 9-12 September 2012, Berlin, Germany. In press. 8 p.

La roue des métaux pour le recyclage d’une carte électronique, indiquant la destination des éléments porteurs dans les filières de traitement des métaux de base de chaque segment.

Pour les cartes électroniques, la filière de recyclage est souvent celle du Cuivre.
A titre d’exemple, nous voyons que les dissipateurs d’énergie en Aluminium doivent être extraits préalablement de la carte électronique pour être recyclés. La filière de recyclage du cuivre et des cartes électroniques n’est pas fiable techniquement et économiquement pour la récupération de l’aluminium. Ce dernier se retrouve dans les laitiers en sortie du procédé, mélangé avec d’autres métaux résiduels et est envoyé en enfouissement.

Exemple de dissipateurs thermiques montés sur des cartes électroniques

Il convient donc de faciliter l’extraction (démontage ou tri post broyage) de ces dissipateurs d’énergie en aluminium ou de les concevoir avec d’autres métaux soit compatibles avec la filière cuivre, soit de moindre impact environnemental que l’aluminium et plus faciles à trier. Un dissipateur d’énergie en acier est moins coûteux à extraire après broyage de la carte (tri magnétique) et la production de l’acier consomme moins de ressources naturelles. Au pire, s’il n’est pas extrait, l’acier se retrouvera dans les laitiers et sera enfoui. La perte sera toutefois moins impactante que la perte de l’aluminium.
Un dissipateur en laiton (Zn+Cu) sera lui totalement recyclé par cette filière sans nécessiter d’extraction préalable. L’utilisation de laiton recyclé sera encore plus bénéfique pour l’environnement.
La composition en métaux précieux de nombreux composants électroniques est maintenant disponible chez la plupart des producteurs :

Liste non exhaustive des principaux producteurs de semi-conducteurs

Prendre en compte les limites des procédés de broyage actuels

La tendance actuelle est la miniaturisation des composants électroniques pour de nombreuses applications (téléphones portables, microordinateurs,…). Toutefois, du point de vue du recyclage, les cartes avec des microcomposants supportent mal les opérations de déchiquettage et de broyage des produits électroniques ou électroménagers. Une grande partie des composants sont arrachés et se retrouvent dans la fraction ultime qui n’est pas recyclée (fraction minérale composée de verre, céramiques, de poussières de métaux et de plastiques et autres impuretés).
En pratique, il serait nécessaire de démonter les cartes électroniques avant le déchiquettage/broyage des produits. Cela aurait l’avantage de permettre un meilleur recyclage des métaux précieux et semi-précieux (Argent, Cuivre, étain,..) et d’éviter une contamination éventuelle par les métaux à caractère polluant que l’on peut trouver dans les cartes (Soudure au plomb,…)

Reuter et Van Schaik (2012) donnent un aperçu qualitatif des possibilités de recyclage/récupération pour différents matériaux critiques de plusieurs types de DEEE, en s’appuyant sur la physique et la thermodynamique des procédés de recyclage (voir tableau ci-dessous). Ce tableau illustre l’influence des choix qui peuvent être faits sur les filières de recyclage, tels que le degré de démontage. Le démontage poussé des composants diélectriques des cartes électroniques contenant des terres rares ou des « getters » contant du tungstène, du cobalt ou du tantale des télévisions à tube cathodique ou des lampes, permet la récupération de matériaux qui seraient dans le cas contraire perdus comme contaminants dans d’autres métaux ou dans les scories. Un modèle développé par Van Schaik et Reuter (2010) contient des informations précises sur les matériaux permettant à l’utilisateur d’évaluer les différentes techniques disponibles. Par exemple, la relative stabilité des oxydes de terres rares indique que leur récupération ne peut pas être réalisée à haute température, mais requiert plutôt des procédés hyrdométallurgiques.
Le tableau ci-dessous montre également que la récupération d’un métal dépend en fin de compte de ses propriétés chimiques. Ainsi, les métaux ayant des propriétés similaires ont des méthodes de récupération similaires et ce même pour des applications différentes.

La récupération des différents éléments dans une liste de produits en fin de vie en fonction de leur voie de traitement, montrant que la récupération des métaux dépend finalement de leurs propriétés chimiques. (Reuter et Van Schaik, 2012)

Cas des terres rares et des métaux stratégiques

Des études au niveaux français et européen ont récemment mis en évidence l’importance stratégique de certains métaux pour les applications de haute technologie. Ces études ont dressé une liste de 35 métaux nécessaires au développement d’applications de haute technologie utilisées en Europe et dont certaines sont liées aux technologies dites « vertes » : éolien, véhicule électrique, lampe fluo-compacte, LED.

Ces métaux se décomposent en trois catégories : les platinoïdes, les terres rares et les autres :

Familles	Métaux étudiés
Platinoïdes	Platine	Ruthénium	Rhodium
	Palladium	Iridium	Osmium
Terres rares	Lanthane	Terbium	Yttrium
	Cérium	Dysprosium	Gadolinium
	Praséodyme	Holmium	Scandium
	Néodyme	Erbium	Europium
	Prométhium	Thulium	Lutétium
	Samarium	Ytterbium
Autres métaux	Cobalt	Gallium	Bérylium
	Titane	Indium	Lithium
	Tungstène	Tantale	Argent
	Rhénium	Germanium	Vanadium

Etude : « Etude du potentiel de recyclage de certains métaux rares » BIO IS pour l’ADEME – 2010

Problématiques actuelles des Terres rares

A l’heure actuelle la principale problématique liée aux terres rares consiste en leur approvisionnement. La production mondiale de terres rares a été estimée à 130 000 tonnes en 2010. Or 97% de cette production est fournie par la Chine bien qu’elle ne possède que 37% des réserves mondiales identifiées à ce jour (100 millions de tonnes). De plus la Chine limite le volume de ses exportations à 30 000 tonnes par an.

Pour faire face au risque de rupture d’approvisionnement de ces ressources trois solutions sont envisageables :

• La substitution de ces métaux par d’autres : Malheureusement leurs propriétés particulières rendent ces métaux difficilement remplaçables ou alors au prix d’une perte de performance notable. Dans d’autres cas il est au mieux possible de remplacer un élément du groupe des terres rares par un autre.
• L’optimisation : Que ce soit sur les procédés de fabrication afin de réduire la quantité de ces métaux à mettre en Å“uvre, ou sur l’utilisation de ces métaux au sein d’un produit. C’est par exemple le cas de l’entreprise Rhodia qui à mis au point des poudres luminophores pour les écrans LCD et lampes fluo-compactes qui contiennent moins de terbium que les poudres actuelles.
• Enfin le recyclage : Cette solution est de plus en plus envisagée et encouragée pour plusieurs raisons. Elle permet de palier directement au risque de rupture d’approvisionnement de ces métaux. De plus, elle permet d’économiser les ressources disponibles car pour certains éléments (ex : le terbium) les ressources disponibles seraient en voie d’épuisement. Enfin le recyclage est favorisé par la présence directe d’un gisement en Europe au cÅ“ur même de nos déchets, notamment dans les DEEE.

Pertinence du recyclage des terres rares et des métaux stratégiques dans les DEEE

Le tableau ci-dessous dresse la liste des applications contenant des métaux rares pour lesquelles le recyclage s’avère particulièrement stratégique :

Elément	Accumulateurs Li-ion	Aimants	Cartes électroniques	Condensateurs	Écrans LCD	Lampes fluo compactes	LED
Argent			X
Cérium						X
Cobalt	X
Dysprosium		X
Europium						X
Gadolinium						X
Gallium			X				X
Germanium							X
Indium					X
Lanthanum						X
Lithium	X
Néodymes		X
Palladium			X
Platine			X
Praséodyme		X
Tantale				X
Terbium		X				X
Yttrium						X

Etude : « Etude du potentiel de recyclage de certains métaux rares » BIO IS pour l’ADEME – 2010

Pour d’autres éléments en revanche le recyclage n’a pour l’instant pas été jugé pertinent au vu de leur relative abondance (vanadium) ou du nombre très limité d’applications (osmium, iridium, prométhium, scandium, holmium, thulium, ytterbium et lutétium).

Le recyclage est d’autant plus pertinent qu’il évite l’exportation de déchets en dehors de l’Europe si ceux-ci peuvent y être recyclés, l’activité peut également être génératrice d’emploi. A titre d’exemple on estime à 17 tonnes le gisement de terres rares qui pourrait être récupéré grâce aux 4000 tonnes de lampes fluo-compactes collectées actuellement (15 tonnes d’yttrium, 1 tonne de terbium et 1 tonne d’europium).

Etat du recyclage des terres rares et des métaux stratégiques

État du recyclage	Accumulateurs Lithium-ion	Lampes LED	Aimants	Cartes électroniques	Écrans LCD
En France	Collecte et recyclage partiel du cobalt et du lithium.	Collecte mais pas de traitement	Collecte mais pas de traitement	Collecte et traitement mais pas de recyclage des métaux rares	Collecte et traitement mais pas de recyclage des métaux rares
Dans le monde	Recyclage : Canada, Singapour, Suède, Belgique, États-Unis	LED traités avec les cartes électroniques	Recyclage des chutes de production (Japon)	Cartes issues de France retraitées en Belgique, en Allemagne, en Suède, au Canada	Récupération de l'indium en Belgique et aux États-Unis
En recherche	Recyclage des accumulateurs de véhicules électriques (France)		Récupération des poudres magnétiques pour de nouveaux aimants (Royaume-Uni)	Récupération des métaux précieux (France)	Projets de recyclage de l'indium (France, Japon, Chine)

Etude : « Etude du potentiel de recyclage de certains métaux rares » BIO IS pour l’ADEME – 2010

Cas des lampes fluo-compactes :

Pour les lampes fluo-compactes la situation est quelque peu différente puisque l’entreprise Rhodia (groupe Solvay) est en train de mettre en place une filière de recyclage de six terres rares contenues dans les lampes fluo-compactes (lanthane, cérium, terbium, yttrium, europium et gadolinium). Cette opération est réalisée sur deux sites, le premier étant chargé d’extraire les terres rares des poudres luminophores, le second étant chargé de leur retraitement.

Pour l’heure, l’entreprise réalise un démonstrateur industriel afin que l’activité devienne opérationnelle en 2014.

Perspectives futures pour le recyclage des terres rares

L’ADEME a identifié les principaux freins au recyclage des terres rares et des métaux précieux. En retour, les actions proposées pour lever ces freins s’articulent autour des quatre axes suivants :

• « Agir en amont de la chaîne de recyclage » : Favoriser l’éco-conception en facilitant la séparation des composants afin qu’ils puissent subir un traitement spécifique (Accumulateurs, aimants). Impliquer les producteurs pour la recherche de solutions de recyclage pour des produits qui peuvent être spécifiques et dont la composition varie selon les producteurs (ex : les LED).
• « Mobiliser le gisement » : Il pourra être envisagé d’élargir le champ des produits collectés mais aussi de séparer certains produits pour les traiter de manière spécifique (ex : écrans LCD).
• « Orienter et soutenir la R&D » : Améliorer les techniques disponibles et développer de nouvelles techniques de recyclage pour les métaux qui ne disposent pas encore de techniques de recyclage.
• « Activer le recyclage » : Selon deux méthodes complémentaires : l’obligation réglementaire et les incitations financières.

Synthèse des règles de conception

L’utilisation de métaux précieux est justifiée par le besoin de propriétés de hautes performances pour certaines applications telles que composants, catalyseurs, traitement de surface…

Leur coût est important, leur usage est optimisé et les quantités sont réduites au maximum.

La conception portera donc sur :

• La substitution d’éléments rares par des éléments actifs moins rares, ou l’utilisation éventuelle de matières recyclées moins pures si le besoin le permet ;
• La limitation des matériaux qui se retrouveront associés aux métaux précieux et terres rares et qui seront susceptibles de contrarier le recyclage de ces derniers, ou d’être perdus pendant la phase de recyclage des métaux précieux. (cf : Règle d’association) ;
• Une accessibilité importante et un démontage rapide des cartes électroniques présentes dans les produits électroniques et ménagers afin de les extraire avant la phase de broyage.

Références

– M.A. Reuter and A. van Schaik (2012) : Opportunities and Limits of recycling – A Dynamic-Model-Based Analysis, MRS Bulletin, 37(4), pp. 339-347. – anglais

– A. van Schaik and M.A. Reuter (2010) : Dynamic modelling of E-waste recycling system performance based on product design. Minerals Engineering, Vol. 23, pp. 192-210. – anglais

– M.A. Reuter and A. van Schaik (2012). Opportunities and Limits of WEEE Recycling – Recommendations to Product Design from a Recyclers Perspective. Dans : Proceedings of Electronics Goes Green 2012+, 9-12 September 2012, Berlin, Germany. In press. 8 p. – anglais