Découvrir le rhénium et ses utilisations industrielles

L’industrie utilise de nombreux métaux souvent mélangés à d’autres. Plusieurs d’entre eux sont utilisés en faibles quantités et sont inconnus du grand public. Dans cet article nous allons vous faire découvrir l’un de ces métaux méconnus et longtemps ignoré, le rhénium. Ce métal étant l’un des derniers éléments du tableau de Mendeleïev à avoir été découvert, est très rare. Vous allez découvrir ses caractéristiques et ses principales utilisations industrielles. 

I. Qu’est-ce que le rhénium ?

Le rhénium est le dernier élément stable du tableau périodique des éléments à être découvert, des chercheurs allemands le découvrent en 1925 et lui donne comme nom un dérivé de « rhenus » le nom latin pour désigner le fleuve Rhin. Il faudra attendre trois années après sa découverte pour que le premier gramme de rhénium puisse être obtenu. La production de ce premier gramme fut très complexe, 660 kg de molybdénite, le minerai qui en contient, furent nécessaires.

Sa production étant compliquée et extrêmement coûteuse ne commença réellement qu’au début des années 1950 quand son utilisation au sein d’alliages se développa dans l’industrie.

Les concentrations de rhénium dans la croûte terrestre sont faibles, il faut de grandes quantités de minerais pour pouvoir en produire. Le rhénium est principalement contenu dans la molybdénite, minerai du molybdène, le rhénium est un sous-produit du molybdène qui lui-même est un sous-produit de la production de cuivre. Il n’existe donc pas de mines dédiées au rhénium.

Le rhénium possède des caractéristiques très intéressantes notamment face à la chaleur, c’est le métal qui possède le point d’ébullition le plus élevé et le troisième plus haut point de fusion juste derrière le tungstène et le carbone. Il résiste bien à la corrosion, seul l’acide nitrique peut le dissoudre. En termes de densité il se situe dans les cinq premiers, il se situe juste derrière l’osmium, l’iridium et le platine. Lorsque la température descend en dessous de -271,45°C, le rhénium devient supraconducteur d’électricité. Ce seuil peut être abaissé à -263,15°C dans l’alliage rhénium-molybdène.

Du fait de sa rareté, le rhénium est un métal très coûteux qui est peu utilisé à grande échelle. Ses principales applications se font dans des milieux soumis à de fortes contraintes notamment dans l’aéronautique.

II. Ses utilisations industrielles

En 2018 la consommation mondiale de rhénium était de 75 tonnes. Il existe deux grands secteurs d’utilisation du rhénium : les superalliages et la catalyse.

En 2017, 80% du rhénium était utilisé dans la fabrication de superalliages, et 15% comme catalyseurs. Les 5% restants correspondent aux autres utilisations qui consomment de faibles quantités.

1) Les superalliages contenant du rhénium

La plus grande part du rhénium est utilisée dans la conception de superalliages à base de nickel. Ces superalliages sont utilisés dans des environnements qui doivent résister à de hautes contraintes telles que la température, la corrosion et la pression. Une de ses grandes utilisations est pour fabriquer des pales monocristallines de turbines. Ces pales sont utilisées dans les moteurs à haute pression des turbines industrielles à gaz et dans les turboréacteurs des avions.

Le rhénium est consommé à hauteur de 50 à 55 tonnes par an pour la fabrication de ces superalliages. De par son coût élevé et sa rareté, ce métal est stratégique pour les industries utilisant ces alliages, c’est notamment le cas pour l’aéronautique. En 2008, la Commission européenne déclarait que les alliages contenant du rhénium étaient indispensables afin de produire des avions modernes.

Cette déclaration s’explique par les caractéristiques qu’apporte le rhénium à l’alliage. Le rhénium possède une bonne résistance thermique ce qui permet de renforcer celle de l’alliage, les pièces fabriquées dans ce matériau se trouveront dans les zones les plus proches de la chambre de combustion. La résistance de l’alliage permet de faire fonctionner le moteur à des températures plus élevées que les autres moteurs construits avec d’autres matériaux, ce qui permet une combustion plus efficace du carburant réduisant ainsi les émissions d’oxydes d’azote. Ces propriétés permettent également de prolonger la durée de vie du moteur et d’améliorer son efficacité opérationnelle. Les moteurs de nouvelle génération contiennent plus de rhénium que celles précédentes, les nouveaux moteurs qui équiperont les Airbus A320neo sont fabriqué avec des superalliages qui contiennent du rhénium à des teneurs entre 3 et 6%, ce qui constitue environ 5,4Kg de rhénium par moteur.

A de faibles températures, inférieures à zéro, le rhénium conserve sa ductilité ce qui ne le fragilise pas en comparaison à d’autres métaux. Cette caractéristique intéressante le rend idéal pour la fabrication des tuyères des lanceurs de fusées.

2) Les catalyseurs à base de rhénium

L’industrie pétrolière utilise le rhénium dans l’élaboration de catalyseurs entrant dans la production d’essence sans plomb. Ce secteur compte pour environ 15 % de la consommation mondiale de rhénium, avec une quantité estimée à 15 tonnes par an.

Le rhénium est utilisé avec le platine comme catalyseur dans le reformage catalytique du pétrole. Le catalyseur platine-rhénium permet d’augmenter l’indice d’octane des carburants raffinés, il entre en jeu pendant le processus d’hydrodésulfurisation. Cette étape et ce catalyseur sont présents durant la fabrication du benzène, du toluène, des xylènes et des carburants à partir de méthane. 

Le rhénium en tant que catalyseur permet d’améliorer l’efficacité des raffineries.

3) Les autres utilisations du rhénium 

Le rhénium est également utilisé dans des alliages avec le tungstène et le molybdène. Les alliages tungstène-rhénium entrent dans la composition de thermocouples permettant de mesurer des températures jusqu’à 2300°C, la teneur en rhénium peut atteindre les 26%. Le rhénium peut se retrouver allié au molybdène ou au tungstène dans les anodes tournantes des tubes à rayons X. Le rhénium permet d’augmenter la ductilité et la résistance de l’alliage. En fonction de l’alliage la teneur en rhénium peut varier, elle peut atteindre 50% en poids dans l’alliage avec le molybdène, et 27% avec le tungstène.

Le rhénium est utilisé comme joint entre les deux diamants dans les cellules à enclume de diamant (CED). Ce dispositif permet de générer de fortes pressions semblables à celles présentes dans la croûte terrestre.

D’autres utilisations telles que certaines résistances chauffantes et la fabrication de certains points de contacts électriques comprennent un peu de rhénium.

Le rhénium peut être présent dans des applications thérapeutiques en médecine nucléaire dans certains pays, néanmoins c’est des applications très récentes qui n’en sont qu’à leurs débuts.

III. L’état du recyclage du rhénium dans le monde

En 2019, la production mondiale de rhénium a permis de récupérer entre 20 et 25 tonnes du métal. Cette quantité provient essentiellement du retraitement des déchets de production de superalliages et des catalyseurs usagés. Du fait de sa rareté et de son prix élevé, le rhénium possède un bon taux de recyclage, en 2014 il atteignait 41% du rhénium consommé cette année-là. 

Le recyclage des catalyseurs de l’industrie pétrolière est effectué à 80% en boucle fermée, le rhénium extrait servira de nouveaux à la conception de catalyseurs. Le recyclage en boucle fermée permet de diminuer le plus possible le recours à du métal vierge. Chaque année environ 15 tonnes de catalyseurs sont recyclées et retransformées.

Pour recycler vos catalyseurs à base de rhénium vous pouvez contacter Valorema, une entreprise spécialisée dans le recyclage et le retraitement de métaux précieux et spéciaux.

Le rhénium est devenu un élément stratégique dans la conception des superalliages qui constituent les pales des turbines à gaz ou des turboréacteurs. La demande mondiale augmentant mais la production ne pouvant pas suivre l’évolution cela entraîne une hausse des prix. De nombreux pays veulent assurer leur approvisionnement pour cela ils se tournent vers le recyclage.

La production de rhénium est soumise à celle de deux autres métaux : le cuivre et le molybdène. L’offre de rhénium dépend donc des facteurs qui peuvent avoir un impact sur la production de ces deux métaux. Pour pouvoir produire plus de rhénium il est donc indispensable d’augmenter la production de cuivre et de molybdène, ainsi que les infrastructures et les technologies de séparation des métaux. Mais l’alternative la plus simple est le recyclage. Le recyclage de rhénium permet de faire des économies d’énergie en raison des conditions difficiles d’extraction du fait de la faible concentration dans les minerais. Il est d’autant plus facilité par le fait que le rhénium utilisé dans les moteurs d’avions sera bien recyclé à la fin de la vie du moteur.