Extraction minière et raffinage : de la saleté rouge à l’aluminium

Peu importe le nombre de syllabes que vous utilisez pour le dire, l’aluminium est l’un des métaux industriels les plus utiles que nous ayons. Léger, solide, facilement allié, hautement conducteur et facile à usiner, à couler et à extruder, l’aluminium a trouvé sa place dans pratiquement tous les processus industriels et produits commerciaux imaginables.

La vie moderne serait impossible sans l’aluminium, et pourtant le métal argenté n’est largement utilisé que depuis environ 100 ans. Il n’y a pas si longtemps, la vaisselle en aluminium était un symbole de statut social, et elle valait autrefois littéralement plus que son poids en or. La raison de sa rareté unique réside dans l’effort nécessaire pour extraire l’élément abondant des roches qui le transportent, ainsi que l’énergie pour le faire. Les forces qui empêchaient l’aluminium d’être utilisé par l’homme jusqu’à récemment ont été surmontées, et la chimie et l’ingénierie nécessaires pour y parvenir méritent d’être examinées dans notre prochain volet de « Extraction et raffinage ».

Payer la saleté

L’aluminium est l’élément métallique le plus abondant dans la croûte terrestre. Mais pour quelque chose qui représente 8% en moyenne du sol sous vos pieds, il est extrêmement difficile à trouver sous sa forme élémentaire. Il n’y a pas d’affleurements ni de veines d’aluminium métallique à exploiter; l’aluminium se trouve presque toujours sous ses diverses formes d’oxyde et doit être libéré chimiquement pour être utile en tant que métal industriel.

Bien que les roches aluminifères soient largement réparties, il n’y a que quelques gisements économiquement significatifs du principal minerai d’aluminium : la bauxite. La teneur exacte en bauxite varie, mais elle est généralement composée de minéraux d’oxyde d’aluminium en association avec des hydroxydes d’aluminium, des argiles, du quartz et des minéraux contenant du fer. Certains des gisements de bauxite les plus importants et les plus riches se trouvent sous les tropiques, où l’alternance de périodes de températures élevées et de précipitations abondantes est suivie de longues périodes sèches.

L’altération chimique que ces conditions favorisent est vraiment la première étape du traitement de l’aluminium – elle brise la bauxite, qui est déjà une roche très tendre, en morceaux de la taille d’une bouchée qui sont facilement ramassés. La plus grande partie de la bauxite est extraite à l’aide de techniques d’exploitation à ciel ouvert. Le leader mondial actuel de la production de bauxite est l’Australie, qui produit environ un quart de la production mondiale. La Chine arrive en deuxième position, avec la nation ouest-africaine de la Guinée en troisième. Il existe également d’importants gisements de bauxite au Brésil et dans les Caraïbes, principalement en Jamaïque.

Parce qu’il n’y a que quelques endroits dans le monde où la bauxite est extraite, le minerai est fréquemment expédié sur de longues distances pour un traitement ultérieur. Cela peut finir par être une proposition dangereuse lorsque le minerai est expédié à travers l’océan en raison de la liquéfaction et de la séparation dynamique. La bauxite contient généralement beaucoup d’argile et, lorsqu’elle est exposée à l’eau de pluie, elle peut former une suspension semblable à du sable mouvant qui se comporte comme un liquide. Lorsqu’elle est chargée dans les cales d’un navire vraquier, la bauxite trop humide peut clapoter et, associée à la tendance de l’eau dans le lisier à migrer vers le haut, modifier le centre de gravité du navire avec des résultats désastreux.

Si proche et pourtant si loin

Le minerai brut de bauxite doit être traité chimiquement pour éliminer les impuretés et le préparer à la fusion de l’aluminium qu’il contient. Le procédé Bayer est presque toujours utilisé pour y parvenir et consiste à cuire de grandes quantités de bauxite broyée dans un récipient sous pression avec une solution de soude caustique ou d’hydroxyde de sodium. A 150° à 200°C, les oxydes et hydroxydes d’aluminium, normalement insolubles dans l’eau, réagissent avec le sodium dans l’hydroxyde de sodium pour former de l’aluminate de sodium :

bf Al_{2}O_{3} + 2 NaOH rightarrow NaAlO_{2} + 2 H_{2}O

Cela solubilise l’aluminium dans la bauxite mais pas les impuretés, qui sont principalement des oxydes de fer. Les matières insolubles, ainsi que l’hydroxyde de sodium en excès, sont filtrés dans un déchet appelé «boue rouge». De grandes quantités de boue rouge sont produites dans les usines de traitement de la bauxite et stockées dans des lagunes, souvent formées par l’inondation de fosses de bauxite épuisées lorsque le minerai est traité à proximité de l’endroit où il a été extrait. Les oxydes contenus dans la boue rouge ont une valeur économique et peuvent être récupérés pour être utilisés dans des procédés industriels qui incluent la récupération de traces d’éléments des terres rares qui peuvent être présentes dans les résidus. La boue rouge peut également conduire à une catastrophe si elle n’est pas correctement manipulée.

La dernière étape du traitement de la bauxite consiste à précipiter l’aluminium dans le filtrat et à le purifier. Ceci est accompli en ensemençant la solution contenant l’aluminate de sodium avec des cristaux hautement purifiés d’hydroxyde d’aluminium. Cela provoque la formation et la chute de cristaux d’hydroxyde d’aluminium de la solution sursaturée :

bf bf 2 H_{2}O + NaAlO_{2} rightarrow Al(OH)_{3} ​​+ Na_{2}CO_{3}

Les cristaux d’hydroxyde d’aluminium sont collectés et traités dans un four rotatif à haute température. Dans un processus appelé calcination, l’hydroxyde d’aluminium est décomposé thermiquement en cristaux blancs purs d’oxyde d’aluminium :

bf 2 Al(OH)_{3} ​​rightarrow Al_{2}O_{3} + 3 H_{2}O

Une meilleure fusion grâce à la chimie

La prochaine étape du traitement consiste à fondre l’aluminium élémentaire à partir de l’alumine. Le processus utilisé pour y parvenir est le processus Hall-Héroult, du nom du chimiste américain Charles Martin Hall et du scientifique et inventeur français Paul Héroult, qui ont indépendamment et presque simultanément inventé le processus en 1886. Le processus cherche essentiellement à défaire les processus oxydatifs de la nature. qui à l’origine enfermait l’aluminium élémentaire dans ses oxydes pour former de la bauxite. Il le fait par voie électrolytique et nécessite donc l’accès à des quantités massives d’électricité bon marché pour être économiquement viable ; c’est pourquoi les alumineries sont souvent situées à proximité des barrages hydroélectriques.

Fonte de l'aluminiumPour électrolyser la poudre d’alumine, il faut d’abord la liquéfier. Il n’est pas possible de le faire simplement fondre, car il a un point de fusion scandaleusement élevé (2 072 ° C). La clé du procédé Hall-Héroult fut la découverte de la cryolite, un sel de sodium, d’aluminium et de fluor. La cryolite abaisse le point de fusion de l’alumine à environ 900°C, rendant possible l’électrolyse. La cryolite est présente à l’état naturel, mais elle est très rare, car elle n’est trouvée que dans quelques endroits sur Terre. La quasi-totalité de la cryolite utilisée pour la fusion de l’aluminium est maintenant produite synthétiquement.

À l’échelle industrielle, le procédé Hall-Héroult est réalisé à des niveaux presque ridicules, avec des fonderies si grandes qu’elles peuvent être vues de l’espace. Chaque cellule de réaction en acier, appelée pot, est revêtue de céramique et possède une cathode en graphite au fond. Le pot est chargé de poudre d’alumine et de cryolite, et une anode composite massive est descendue dans le mélange. L’anode est principalement constituée de coke fondu avec un cadre en cuivre ou en acier pour conduire le courant nécessaire – des centaines de milliers d’ampères – pour électrolyser la solution.

La réaction d’électrolyse provoque la formation d’aluminium métallique à l’anode de chaque cellule. Le métal en fusion étant plus dense que l’électrolyte, les gouttelettes tombent au fond du pot où elles s’accumulent sur la cathode. Les pots fonctionnent continuellement et il faut de un à trois jours pour que suffisamment d’aluminium fondu s’accumule. Le métal liquide est prélevé par un siphon, les anodes consommables sont échangées au besoin et une autre charge est ajoutée au pot.

L’aluminium qui sort du pot est d’aluminium pur à environ 99% et est généralement coulé en lingots ou en barres pour un traitement ultérieur. L’aluminium à ce niveau de pureté est principalement utilisé pour les récipients alimentaires ou comme conducteurs électriques, tels que les lignes électriques aériennes. Si un métal de pureté supérieure est souhaité, un autre procédé électrolytique connu sous le nom de procédé Hoopes peut amener la pureté jusqu’au niveau « quatre neuf » (99,99 %). Tous les métaux purs à 99 % et plus sont connus sous le nom d’aluminium de la « série 1000 ».

Cependant, l’aluminium pur n’est généralement pas très utile dans l’industrie, de sorte que la plupart de l’aluminium est allié à d’autres métaux pour obtenir d’autres caractéristiques. Par exemple, l’aluminium de la série 2000 est principalement allié au cuivre pour sa résistance et sa ténacité, et se retrouve dans la fabrication d’avions. Les métaux de la série 3000, comme l’alliage 3003 que l’on trouve dans les conduits et les ustensiles de cuisine, sont alliés au manganèse pour la maniabilité. Le silicium est allié à l’aluminium pour former les métaux de la série 4000 ; l’ajout de magnésium donne les métaux de la série 6000 comme les populaires 6061 et 6063 qui apparaissent dans tout, des extrusions d’aluminium aux blocs moteurs.