Le raffinage des terres rares - Techniques, technologies et spécificités par élément

I - Introduction générale au raffinage des terres rares

Classification des terres rares

II - Procédés hydrométallurgiques de raffinage des terres rares - Fonctionnement et capacités existantes par pays

L'hydrométallurgie constitue la technologie dominante pour le raffinage des terres rares, représentant plus de 95% de la production mondiale de ces éléments purifiés. Cette approche en solution aqueuse permet de séparer les 17 éléments terres rares aux propriétés chimiques quasi-identiques, atteignant des puretés de 99,9999% pour certaines applications critiques. La maîtrise de ces procédés constitue aujourd'hui un enjeu géopolitique majeur, la Chine contrôlant près de 90% des capacités mondiales de raffinage hydrométallurgique.

1 - Fondements techniques des procédés hydrométallurgiques

A. Extraction par solvant (SX) - Technique de référence

B. Échange d'ions - Haute sélectivité

C. Techniques de purification complémentaires

La précipitation exploite les différents degrés d'oxydation du cérium (Ce4+) et de l'europium (Eu2+). Le cérium s'oxyde sélectivement en milieu basique, précipitant sous forme Ce(OH)4, tandis que l'europium se réduit en Eu2+ permettant sa séparation des autres lanthanides trivalents.

La cristallisation permet l'obtention de produits de haute pureté par cristallisations successives. Les sulfates doubles (terre rare-sodium) présentent des solubilities différentielles exploitables pour les séparations finales.

2 - Les capacités mondiales de raffinage hydrométallurgique

A - La domination de la Chine avec 90% de la capacité mondiale

La Chine concentre l'essentiel des capacités mondiales avec des installations de très grande envergure :

• Ganzhou (Jiangxi) : le hub des terres rares lourdes
  Capacité : 45 000 tonnes REO/an terres rares lourdes Technologies : SX multicascade P204/P507
  Spécialité : Dy, Tb, Ho pour aimants haute performance
• Baotou (Mongolie Intérieure) : Centre des terres rares légères
  Capacité : 35 000 tonnes REO/an terres rares légères Matière première : Minerai de Bayan Obo
  Production : 60% des oxydes de NdPr mondiaux
• Sichuan: Production intégrée
  Capacité : 25 000 tonnes REO/an mixtes
  Particularité : Intégration mine-raffinage-aimants
  Technologies : SX intégrée propriétaire

Le gouvernement chinois exerce un contrôle strict sur le secteur :

• Quotas de production et d'exportation
• Licences obligatoires pour technologies de raffinage
• Restrictions d'exportation sur équipements SX spécialisés
• Consolidation industrielle autour de 6 groupes d'État

B - Les initiatives de diversification mondiale

• Lynas LAMP (Malaisie) : Plus grande installation hors Chine
  Capacité : 10 500 tonnes REO/an après expansion 2023
  Technologies : SX continu P507/D2EHPA optimisé
  Spécialité : Premier producteur commercial de Dy/Tb hors Chine (2025) Innovation : Circuits reconfigurés pour terres rares lourdes
• Lynas Kalgoorlie (Australie) : Intégration verticale
  Capacité : 3 000 tonnes MREC/an (démarrage 2024) Fonction : Pré-traitement et craquage initial
  Objectif : Réduire dépendance logistique Australie-Malaisie

• MP Materials (California):
  La société opère la seule mine de terres rares active aux États-Unis Production mine : 45 000 tonnes concentré/an
  Raffinage actuel : 5 000 tonnes REO/an (expansion vers 15 000) Investissement DoD : 400 M$ pour sécurisation approvisionnements Technologies : SX P204/P507 + développements propriétaires
  L'accord avec le Département de la Défense garantit un prix plancher de 110$/kg pour NdPr, soit le double des prix chinois.

• La France et le leadership européen
  • Solvay La Rochelle: une expertise historique
    Capacité : 800 tonnes REO/an pour aimants (2025) Technologies : SX historique optimisée + innovations propriétaires
    Plus grande installation européenne de séparation complète
    Objectif : 30% de la demande européenne d'ici 2030
  • Caremag Lacq: L'innovation du recyclage
    Capacité : 600 tonnes REO/an (démarrage 2027) Premier recyclage industriel d'aimants + raffinage minerais
    Production : 15% de la production mondiale de Dy/Tb oxides Financement : 216 M€ incluant investissement japonais JOGMEC
• Canada : Spécialisation NdPr métallique
  Saskatchewan Research Council - Première commerciale nord-américaine
  Capacité : 400 tonnes NdPr métal/an (objectif 2025) Seule production de métaux (non oxydes) hors Chine
  Technologies : SX + électrolyse en sels fondus intégrée
  Modèle : Technologie licenciable pour reproduction

C - Les marchés émergents et leurs futurs projets

• IREL (Indian Rare Earths Limited) : monopole d'État
  Capacité totale : 3 000 tonnes REO/an répartie sur 2 sites
  • Aluva (Kerala) : 1 500 t/an, spécialisé TR légères
  • OSCOM (Odisha) : 1 500 t/an, traitement monazite
  Expansion : Doublement des capacités prévu en 2030 Limitation : Suspension exportations vers Japon pour préserver approvisionnement domestique

• Projets océaniques révolutionnaires
  Le Japon développe une approche unique avec l'extraction de boues marines :
  • Minamitori Island : Gisements à 5-6 km de profondeur
  • Démarrage pilote : Janvier 2026
  • Objectif : 350 tonnes boue/jour (2027)
  • Éléments cibles : Dy, Nd, Gd, Tb dans boues océaniques
• Partenariats internationaux
  Investissement 110 M€ dans Caremag (France) via JOGMEC Soutien technologique à installations malaysienne Lynas
  Développement technologies de recyclage avec constructeurs auto

3. Technologies et innovations des procédés hydrométallurgiques

A. Optimisations des extractants et procédés

• De nouveaux systèmes extractants
  Les développements récents se concentrent sur : Extractants biomimétiques : Protéine lanmodulin pour sélectivité accrue
  Liquides ioniques : Réduction impact environnemental
  Systèmes synergiques : Combinaisons P204/P507 optimisées
• L'automatisation et le contrôle intelligent
  Les installations modernes intègrent : IA pour optimisation en temps réel : Contrôle automatique des batteries SX
  Capteurs en ligne : Mesure continue des concentrations REE
  Modélisation prédictive : Optimisation rendements et qualité

B. Des procédés éco-efficients et durables

• Le recyclage intégré
  L'émergence du recyclage transforme l'industrie : Désaimantation thermique : Récupération aimants NdFeB usagés
  Dissolution sélective : Séparation Fe-B-REE par voies douces
  Re-raffinage : Réintégration dans circuits SX existants
• La réduction de l'impact environnemental
  Les innovations portent sur : Réduction consommation acides : Circuits fermés optimisés
  Traitement effluents : Récupération et recyclage solutions
  Énergie renouvelable : Intégration EnR dans procédés énergivores

4. Défis techniques et économiques actuels

A. Les limites technologiques actuelles

• Séparations difficiles
  Certaines séparations demeurent particulièrement complexes : Dy/Ho : Facteurs de séparation faibles (α = 1.5)
  Tm/Yb : Nécessite distillation haute température complémentaire
  Lu séparation : Coûts prohibitifs pour applications commerciales
• Terres rares lourdes critiques
  La séparation des terres rares lourdes présente des défis spécifiques : Concentrations naturelles très faibles (ppm dans minerais)
  Circuits SX extrêmement longs (>200 étages)
  Rendements globaux limités (<70% pour Dy/Tb)

B. Enjeux économiques et géopolitiques

• Structure de coûts
  L'économie du raffinage hydrométallurgique est dominée par : Investissements capitalistiques : 100-500 M$ pour installation complète
  Coûts opératoires : 40-60% du prix de vente final
  Économies d'échelle : Seuil de rentabilité >1 000 t REO/an
• Concurrence chinoise
  La compétitivité chinoise repose sur : Intégration verticale complète mine-raffinage-applications
  Économies d'échelle exceptionnelles (>10x installations occidentales)
  Soutien gouvernemental et coûts environnementaux externalisés
  Contrôle technologique via restrictions d'exportation équipements

5. Les perspectives d'évolution et recommandations stratégiques

A. Les tendances technologiques émergentes

• Procédés hybrides innovants
  Les développements futurs s'orientent vers : L'électro-extraction assistée : Couplage SX et électrochimie
  La séparation magnétique haute intensité : Pré-concentration sélective
  Les procédés membranaires : Alternatives aux solvants organiques
• L'intelligence artificielle et l'automatisation
  L'intégration IA révolutionnera les procédés : Optimisation dynamique des cascades SX
  Prédiction qualité produits en temps réel
  Maintenance prédictive des équipements critiques

B. Les stratégies de développement par région

• Recommandations pour l'Europe
  Consolidation : Coordination française-allemande sur technologies
  Spécialisation : Focus sur recyclage et terres rares lourdes
  Recherche : Programme européen sur extractants verts
• Axes pour l'Amérique du Nord
  Intégration : Coopération États-Unis-Canada sur chaîne complète
  Innovation : Développement procédés à faible empreinte carbone
  Sécurisation : Stockages stratégiques et accords d'approvisionnement
• Opportunités pays émergents
  Inde : Valorisation gisements de sables noirs côtiers
  Brésil : Développement gisements d'argiles ioniques
  Vietnam : Partenariats technologiques avec acteurs occidentaux

III - Procédés pyrométallurgiques de raffinage des terres rares

IV - Spécificités de raffinage par type de terres rares

Dans le paysage industriel mondial, chaque élément de la famille des terres rares impose des procédés de raffinage sur mesure afin d’atteindre les niveaux de pureté requis par les applications de pointe. Les quinze lanthanides, associés à l’yttrium, se classent en deux grandes catégories : les terres rares légères, qui comprennent le lanthane, le cérium, le praséodyme, le néodyme et le samarium ; et les terres rares lourdes, rassemblant de l’europium à l’yttrium. Chacune de ces sous-familles présente des caractéristiques physico-chimiques spécifiques — oxydation, volatilité, points de fusion — qui déterminent le choix des techniques hydrométallurgiques et pyrométallurgiques.

Terres rares légères : raffinage hydrométallurgique dominant

En première étape, le lanthane et le cérium bénéficient d’une extraction par solvant (SX) standard basée sur des extractants phosphorés (P204, P507). Le cérium, grâce à sa capacité à s’oxyder en Ce⁴⁺, se distingue par une précipitation sélective sous forme d’hydroxyde, simplifiant sa séparation des autres trivalents. Le praséodyme et le néodyme, composants essentiels des aimants NdFeB, sont traités via des circuits SX optimisés, où des milliers d’étages de mélange-décantation garantissent des rendements supérieurs à 99% et une pureté adaptée aux applications magnétiques. Le samarium, plus volatil, requiert un couple extraction par solvant et échange d’ions, suivi d’une distillation pour éliminer les traces de contaminations et obtenir un métal de haute pureté.

Terres rares lourdes : défis et solutions sur mesure

Les éléments lourds présentent des enjeux plus complexes. L’europium, faiblement abondant, tire parti de la réduction Eu³⁺→Eu²⁺ pour précipitation sélective, complétée par un échange d’ions ciblé afin d’atteindre les standards optiques et médicaux. Le gadolinium, employé en imagerie médicale, est raffiné principalement par SX, alors que le terbium et le dysprosium, indispensables aux phosphores et aimants haute température, passent d’abord par des oxydations Tb³⁺→Tb⁴⁺ et des longues cascades SX, puis par une réduction calciothermique pour produire le métal pur à plus de 99%.

Les lanthanides les plus lourds — holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutécium et yttrium — nécessitent souvent une combinaison extraction par solvant à haut nombre d’étages, échange d’ions et procédés pyrométallurgiques spécifiques. Les métaux faiblement volatils comme l’holmium et le lutécium requièrent des circuits SX extrêmement longs, entraînant une complexité opérationnelle et un coût énergétique élevés. Les plus volatils, thulium et ytterbium, subissent un appel à la réduction-distillation sous vide, autorisant des puretés jusqu’à 99,999% mais au prix d’installations thermiques sophistiquées.

Recommandations industrielles

Pour maximiser les performances et maîtriser les coûts de raffinage, les opérateurs sont encouragés à :

• Continuer d’optimiser les circuits SX pour les éléments clés Nd, Pr et Dy, dont la demande sur le marché des aimants ne cesse de croître.
• Renforcer les capacités d’échange d’ions et de distillation pour les terres rares volatiles (Sm, Eu, Tm, Yb), indispensable à la filière optique et médicale.
• Investir dans les technologies de réduction calciothermique à creusets alternatifs et dans la capture de sous-produits CaF₂ pour réduire les impacts environnementaux.
• Explorer des solvent systems innovants et des résines biosourcées pour diminuer l’empreinte chimique et énergétique des procédés hydrométallurgiques.

À l’heure où la transition énergétique et les technologies de défense dopent la demande en terres rares de haute pureté, la spécialisation des procédés de raffinage par élément demeure le gage d’une chaîne d’approvisionnement fiable, compétitive et respectueuse des normes environnementales.