Cette eau de mer contient du magnésium, du lithium, du nickel et du platine. Depositphotos

« Sous la mer, chérie, c’est mieux, là où c’est plus humide, crois-moi ! » chantait un certain crabe jamaïcain dans La Petite Sirène . Il semblerait qu’il ait eu raison. Les scientifiques affirment que 0,1 % de l’eau de mer mondiale contient suffisamment d’éléments essentiels pour subvenir aux besoins de l’humanité pendant 50 000 ans, et ils étudient actuellement des moyens de les extraire.

Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du département américain de l’Énergie développent trois technologies et procédés distincts qui rendent ce « minerai liquide » plus pratique à exploiter ou en font un « outil » utile dans l’exploitation minière conventionnelle.

Le premier procédé extrait directement l’hydroxyde de magnésium de l’eau de mer, éliminant ainsi plusieurs étapes complexes nécessaires aux techniques conventionnelles. Le deuxième transforme la saumure concentrée issue du dessalement en acides et bases, puis les utilise comme agents de lixiviation pour extraire d’autres métaux des minerais terrestres. Enfin, le troisième procédé exploite les algues pour collecter des minéraux trop dilués pour être extraits directement.

Grâce à ces procédés, le PNNL affirme avoir récupéré du magnésium, du lithium, du nickel, des métaux du groupe platine et des terres rares, en utilisant soit de l’eau de mer, soit des produits chimiques dérivés de celle-ci.

La chimiste Chinmayee Subban tient un appareil du PNNL capable d’extraire l’oxyde de magnésium de l’eau de mer. Edward Pablo | Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest

L’eau de mer contient d’énormes quantités de minéraux essentiels, tels que le magnésium, le nickel, les terres rares et même le lithium. Bien que vous l’appreniez peut-être seulement maintenant, ce fait est connu depuis longtemps. En effet, les États-Unis ont exploité le magnésium contenu dans l’eau de mer pendant 50 ans avant de se tourner vers les importations dans les années 1990. Par ailleurs, des scientifiques du PNNL sont parvenus à extraire 5 grammes d’uranium de l’eau de mer lors de recherches menées il y a huit ans.

Le hic, comme souvent, c’est que les éléments critiques sont généralement présents en concentrations trop faibles pour être extraits de manière rentable. D’après les chercheurs, 2 271 247 litres d’eau, soit le volume d’une piscine olympique, ne contiennent que 0,42 kg de lithium et 0,00095 kg de nickel, moins qu’un trombone. Le magnésium, en revanche, présente un potentiel bien plus important : la même quantité d’eau en contient 2 980 kg, soit environ le poids d’un pick-up Ford F-250 Super Duty de 2024… une quantité considérable.

Il existe des techniques d’extraction du magnésium à partir de l’eau de mer. Cependant, ces techniques sont complexes et impliquent de nombreuses étapes. De plus, elles sont très spécifiques au magnésium. Les chercheurs du PNNL s’efforcent de créer des techniques qui simplifient l’extraction du magnésium tout en permettant d’extraire d’autres minéraux à partir du même flux d’eau.

« Notre objectif est de maximiser le rendement financier par mètre cube d’eau de mer pompée et d’utiliser cette eau de manière efficace et responsable », explique Chinmayee Subban, chimiste et responsable du projet. « Nous pouvons extraire de l’eau de mer des matériaux essentiels. Le défi consistera à industrialiser ces technologies pour les rendre économiquement viables. »

La solution proposée par les chercheurs repose sur trois projets distincts mais liés et intégrables, le premier consistant à extraire le magnésium. L’extraction traditionnelle du magnésium utilise le procédé Dow , un processus chimique long et complexe qui fait appel à la chaux (oxyde de calcium) pour précipiter l’hydroxyde de magnésium, suivi d’un traitement à l’acide chlorhydrique pour former du chlorhydrate de magnésium, puis d’une électrolyse pour obtenir du magnésium métallique. Voilà, en résumé.

Les chercheurs ont mis au point une approche différente.

Au lieu d’incorporer de la chaux pour obtenir de l’hydroxyde de magnésium, le PNNL fait circuler de l’eau de mer en parallèle avec une base, telle que l’hydroxyde de sodium, dans un réacteur à co-courant. Les ions magnésium réagissent avec les ions hydroxyde à l’interface étroite entre les deux flux, produisant de l’hydroxyde de magnésium solide. La formation de ce solide crée une fine barrière qui limite le mélange et empêche le calcium présent dans l’eau de mer de se dissoudre dans le précipité.

De l’eau fraîche traverse continuellement l’interface de réaction avant que le système n’atteigne l’équilibre chimique, ce qui permet au réacteur de produire de l’hydroxyde de magnésium de haute pureté sans les étapes de séparation du calcium supplémentaires requises après le mélange en masse, caractéristique du procédé Dow.

Gros plan sur le système d’extraction du magnésium de l’eau de mer : un flux d’hydroxyde de sodium et d’eau de mer s’écoulent côte à côte, provoquant la précipitation de l’oxyde de magnésium. Chinmayee Subban | Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest

L’équipe s’arrête à l’hydroxyde de magnésium, car il s’agit déjà d’un matériau commercialement précieux que les États-Unis importent actuellement en grande partie. Le PNNL affirme que son procédé de co-flux, qu’il a breveté, permet de réduire d’au moins quatre étapes le processus traditionnel.

Pour réduire les coûts et les efforts liés au pompage de millions de litres d’eau de mer destinés uniquement à l’extraction de minéraux, les chercheurs proposent d’installer des réacteurs modulaires sur les usines de dessalement côtières, qui traitent déjà d’énormes quantités de ces substances. Brooke Marten, ingénieure environnementale au PNNL, a modélisé ce concept en s’appuyant sur l’usine de dessalement de Carlsbad, en Californie.

« L’usine de Carlsbad traite 108 millions de gallons d’eau de mer par jour », a déclaré Marten. « Avec un taux de récupération du magnésium de 100 %, cela permettrait de produire 524 000 kilogrammes d’hydroxyde de magnésium par jour, soit plus du triple de la consommation actuelle d’hydroxyde de magnésium aux États-Unis. »

Après récupération du magnésium, l’eau pourrait être traitée par osmose inverse comme d’habitude, produisant de l’eau douce et laissant derrière elle une saumure très concentrée. Dans le procédé de dessalement conventionnel, le traitement de cette saumure résiduelle pose principalement un problème d’élimination, car sa forte concentration exige une gestion rigoureuse. Ceci nous amène à un autre aspect de la solution proposée par le PNNL.

La saumure résiduelle est traitée par électrodialyse à membrane bipolaire (BPMED), un procédé qui utilise l’électricité et des membranes spécifiques pour séparer la solution ultra-salée en flux acide et alcalin. Le flux alcalin est rejeté à la mer, laissant derrière lui le sous-produit acide, que les chercheurs du PNNL exploitent pour un autre procédé minier.

Dans l’exploitation minière conventionnelle, les acides extraient les métaux par lixiviation, en les dissolvant de la roche concassée. Les chercheurs ont utilisé cet acide comme agent de lixiviation pour l’olivine, un minéral verdâtre courant contenant de faibles quantités de nickel. Lorsqu’ils ont traité de l’olivine contenant seulement 0,27 % de nickel avec de l’acide usé provenant d’un système BPMED à l’échelle pilote, ils ont obtenu, à température ambiante, une lixiviation de 37 % de nickel en plus qu’avec de l’acide chlorhydrique commercial de même concentration.

Le nickel peut être extrait de l’olivine à l’aide d’un acide résiduel produit par la séparation de l’eau de mer en une base et un acide. Chinmayee Subban | Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest

Ceci nous amène à la dernière technologie sur laquelle travaillent les chercheurs du PNNL : l’extraction de métaux à partir de plantes marines. Ils ont découvert que les algues accumulent dans leurs tissus des minéraux essentiels présents dans l’eau de mer environnante, parfois à des concentrations exponentielles.

« Certains matériaux essentiels se retrouvent dans les algues à des concentrations un million de fois supérieures à celles de l’eau de mer environnante », a déclaré Scott Edmundson, botaniste chercheur au Laboratoire de recherche marine du PNNL.

Pour extraire les minéraux, les algues récoltées sont broyées en une pâte humide, auxquelles on ajoute un liquide de lixiviation acide, puis on applique de la chaleur afin de rompre les liaisons chimiques qui retiennent les éléments dans les tissus. Leur objectif initial est de récupérer au moins 50 % des minéraux, mais le PNNL indique qu’atteindre ce seuil de manière efficace reste difficile.

Parallèlement, les chercheurs étudient comment transformer la biomasse d’algues résiduelle en produits chimiques, en carburant et en engrais. La technologie de l’Institut coréen des géosciences et des ressources minérales, qui transforme le marc de café humide en biocarburant comparable au charbon d’anthracite, pourrait s’avérer utile pour la production de carburant.

Schéma du processus d’électrodialyse à membrane bipolaire. Sara Levine | Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest

Vous souvenez-vous des « déchets » acides issus du procédé BPMED précédent, utilisés comme agent de lixiviation ? Dans une autre expérience, des chercheurs du PNNL ont alimenté des cultures de microalgues à croissance rapide avec ce flux acide de BPMED. L’acide a rendu le dioxyde de carbone déjà dissous dans l’eau de mer plus disponible pour la photosynthèse, et les microalgues ont triplé de vitesse. Précisons que cela n’a rien à voir avec l’extraction minière, car les microalgues en question ne sont pas des espèces accumulatrices de minéraux. L’expérience met simplement en évidence une autre utilisation potentielle de cet acide résiduel.

En résumé, des équipes de chercheurs du PNNL ont développé des projets distincts mais liés pour l’extraction de métaux à partir de l’eau de mer. Le procédé de co-écoulement produit de l’hydroxyde de magnésium, un composé commercialement précieux. L’eau de mer restante, ou eau de mer ordinaire, est ensuite dessalée et séparée en sous-produits acides et alcalins. Le sous-produit acide peut alors servir d’agent de lixiviation pour extraire le nickel de l’olivine (une roche, et non un minéral marin) ou de supplément de croissance pour les algues. Parallèlement, des chercheurs s’efforcent de trouver un moyen d’extraire des minéraux critiques des algues marines.

Quelques réserves s’imposent. Le PNNL a récupéré les matériaux mentionnés à l’échelle de la recherche, mais n’a pas démontré la viabilité économique d’une usine d’exploitation minière sous-marine à des fins commerciales. De plus, les questions environnementales, notamment les rejets chimiques, la gestion des saumures, les effets des prélèvements et la perturbation des écosystèmes, sont prises en compte mais non entièrement résolues. Enfin, les travaux sur les algues semblent encore à un stade préliminaire et nécessiteraient une culture, une récolte et une extraction en aval à très grande échelle.

Quoi qu’il en soit, ces projets interdisciplinaires recèlent un potentiel passionnant et sont actuellement développés en vue d’une viabilité commerciale.

https://www.pnnl.gov/news-media/ocean-teeming-critical-minerals-heres-how-we-could-get-them