Enrichissement en lithium à partir d’eaux de mine par désalinisation basée sur les hydrates de CO2

Transformer les eaux usées en source de métal pour batteries

Alors que le monde s’efforce de produire davantage de voitures électriques et de stocker l’énergie renouvelable, la demande en lithium — l’ingrédient clé de la plupart des batteries rechargeables — explose. Parallèlement, les mines du monde entier génèrent d’importants volumes d’eaux salines coûteuses à gérer et potentiellement nuisibles aux rivières et lacs voisins. Cette étude explore une façon d’aborder simultanément ces deux problèmes : utiliser un procédé proche du gel, piloté par un gaz, pour épurer l’eau de mine tout en concentrant ses traces de lithium dans une forme beaucoup plus facile à récupérer.

Une nouvelle manière de nettoyer et de concentrer

Plutôt que de recourir à des filtres et membranes conventionnels, les chercheurs se sont tournés vers un phénomène peu courant : les hydrates de gaz. Ce sont des cristaux semblables à de la glace qui se forment lorsque des molécules de gaz, ici du dioxyde de carbone, sont piégées dans des cages d’eau sous des conditions de basse température et haute pression. Quand des hydrates se forment à partir d’eau salée, les cristaux qui croissent sont majoritairement constitués d’eau pure et ont tendance à laisser les sels dissous et les métaux dans le liquide restant. En formant puis en faisant fondre ces cristaux, il est possible d’obtenir une eau plus propre et une saumure résiduelle enrichie en éléments de valeur tels que le lithium. L’équipe a conçu un réacteur pressurisé et agité pour tester cette approche sur une eau de mine réelle d’un site canadien.

Des auxiliaires cachés déjà présents dans l’eau

Un des principaux obstacles à l’utilisation des hydrates pour le traitement est leur formation souvent lente, ce qui rend le procédé inefficace. Habituellement, les ingénieurs ajoutent des produits chimiques ou des particules pour accélérer la réaction — mais ces additifs doivent ensuite être éliminés. Dans ce travail, les auteurs ont découvert que l’eau de mine fournissait elle-même le renfort nécessaire. Elle contenait naturellement de minuscules particules minérales, principalement des grains de silicates et d’aluminosilicates comme la cristobalite et l’albite, à raison d’environ 15 milligrammes par litre. Des analyses microscopiques et chimiques soignées ont montré que ces particules portent une faible charge de surface négative et restent bien dispersées. Dans des expériences où certaines de ces particules étaient filtrées, les cristaux d’hydrate mettaient beaucoup plus de temps à apparaître. Quand toutes les particules natives étaient laissées en place, les hydrates se formaient en quelques minutes, révélant que ces minéraux agissent comme des « semences » intégrées qui favorisent l’amorçage et la croissance des cristaux sans promoteurs chimiques ajoutés.

Adapter le mouvement et le temps pour de meilleures performances

L’équipe a ensuite étudié comment la vitesse d’agitation et la durée de réaction affectaient à la fois l’épuration de l’eau et la concentration en lithium. Une agitation plus rapide fragmente le dioxyde de carbone en bulles plus fines et améliore son mélange dans l’eau. L’augmentation de la vitesse de 200 à 600 tours par minute a réduit le temps d’attente pour la formation d’hydrates d’environ huit minutes à presque zéro et a augmenté la fraction d’eau capturée dans les hydrates de 29 % à 53 %. Dans le même temps, le lithium dans la saumure résiduelle est devenu environ 1,6 fois plus concentré que dans l’eau de mine initiale. Prolonger le temps de réaction de 30 à 60 minutes a encore amélioré la récupération d’eau et l’enrichissement en lithium. Au-delà d’une heure cependant, les gains disparaissent : les cristaux deviennent rigides et plus difficiles à séparer de la saumure, et les bénéfices d’un fonctionnement plus long sont compensés par des problèmes pratiques de manipulation.

Enchaîner les étapes pour un enrichissement plus élevé

Pour explorer le potentiel maximal de la méthode, les chercheurs ont enchaîné plusieurs étapes de traitement en série. Chaque étape prenait l’eau dérivée des hydrates ou la saumure concentrée de l’étape précédente et la soumettait de nouveau aux mêmes conditions de formation d’hydrates. Après trois étapes, la concentration en lithium dans la saumure est passée d’environ 180 milligrammes par litre dans l’eau de départ à environ 500 milligrammes par litre — un niveau suffisant pour les méthodes de récupération chimique standard utilisées en industrie. Parallèlement, le flux d’hydrate, semblable à de la glace, devenait progressivement plus pur, la teneur en sels globale de l’eau traitée diminuant d’environ 80 % par rapport à l’alimentation initiale. Cela suggère qu’avec une optimisation supplémentaire, le procédé pourrait à la fois fournir de l’eau réutilisable pour les opérations minières et créer un flux riche en lithium pour l’extraction.

Pourquoi cela compte pour les mines et les batteries

En termes simples, ce travail montre que l’eau de mine — souvent considérée uniquement comme un problème de déchet — peut aussi servir de ressource faiblement concentrée en lithium si elle est traitée intelligemment. En utilisant du dioxyde de carbone pour former et faire fondre des cristaux analogues à de la glace, le procédé concentre le lithium et purifie l’eau sans recourir à des membranes coûteuses et facilement encrassables ni à des additifs chimiques supplémentaires. La poussière minérale naturellement présente dans l’eau réalise une grande partie de l’effort cinétique, agissant comme de minuscules échafaudages qui aident les cristaux à se former rapidement. Bien que des défis subsistent pour l’industrialisation et la minimisation de la consommation énergétique, l’étude ouvre la voie à un avenir où les sites miniers pourraient récupérer un métal précieux pour batteries tout en recyclant l’eau, contribuant ainsi à une gestion plus durable des ressources et de l’eau.

Citation: Khajvand, M., Kolliopoulos, G. Lithium enrichment from mine waters using CO₂ hydrate-based desalination. Sci Rep 16, 13871 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43925-7

Mots-clés: récupération du lithium, eau de mine, hydrates de gaz, désalinisation, matériaux pour batteries