Extraction minière et raffinage : le cuivre, le métal qui a construit la technologie

Il est difficile de savoir exactement quand, dans l’histoire, les humains sont devenus une espèce technologique. Cela s’explique en partie par le fait que la définition de la technologie est quelque peu subjective; Si vous pensez que faire un bâton assez pointu pour arracher les racines de la terre ou pour percer suffisamment de trous dans un animal pour le convaincre de vous laisser le manger est une technologie, alors notre monde d’ingénierie remonte à très loin.

Mais quelque chose à propos des bâtons pointus ne semble tout simplement pas assez transformateur, dans le sens de changer fondamentalement un matériau naturel, pour vraiment compter comme une ligne technologique dans le sable. Pour franchir cette ligne, il semble vraiment que l’utilisation de métaux devrait faire partie du package. Même si c’est le cas, notre histoire technologique remonte encore assez loin. Et le cuivre finit par être l’un des métaux qui a tout déclenché, il y a environ 11 000 ans, lorsque nos ancêtres ont découvert des gisements naturels de métal doux et rougeâtre et ont commencé à apprendre à le façonner dans les outils et les outils qui nous ont sortis de la pierre. Âge.

Notre monde ne peut littéralement pas fonctionner sans cuivre, car il forme non seulement les muscles moteurs électriques de la civilisation, mais aussi les fils et les câbles qui forment les réseaux électriques et de données qui nous unissent. Ironiquement, nous sommes tout aussi dépendants du cuivre aujourd’hui qu’à l’époque où c’était le seul métal à partir duquel nous pouvions fabriquer des outils, et peut-être plus encore. Nous examinerons ce qu’implique l’extraction et la purification du cuivre et verrons comment les méthodes que nous utilisons aujourd’hui ne sont pas entièrement différentes de celles développées il y a plus de sept millénaires.

Roches brillantes

Aussi utile que fût le cuivre aux premières civilisations et aussi facilement accessible qu’il l’était grâce aux gisements de surface de cuivre natif dispersés dans le monde entier, ce n’était pas le premier métal à être découvert et travaillé. Cet honneur revient à la fois à l’or et, assez étrangement, au fer météorique. Mais aucun de ces métaux n’était assez abondant pour avoir autre chose qu’un impact symbolique sur la technologie, et finissait surtout par enrichir et ornementer les rois et les princes.

Le cuivre, cependant, était facile à localiser et, peut-être plus important encore, facilement exploité sans avoir besoin de développer beaucoup d’infrastructures – du moins au début. Des morceaux de cuivre pouvaient être extraits des gisements de cuivre natif et travaillés à froid avec des outils en pierre pour en faire des artefacts utiles, grâce à la malléabilité du cuivre. Il n’a pas fallu longtemps avant que le point de fusion relativement bas du cuivre conduise à la découverte de la fonte, qui a conduit à davantage d’utilisations du métal et à une demande accrue.

Cristaux de chalcopyrite
Vous pouvez pratiquement voir le cuivre dans la chalcopyrite. Source : Rob Lavinsky, via Wikimedia Commons (CC-BY-SA 3.0)

Finalement, les approvisionnements en métal natif provenant de gisements facilement exploitables ont dépassé la demande et nos ancêtres ont découvert la fonte de divers minerais de cuivre. Le minerai le plus important pour la production commerciale de cuivre est appelé chalcopyrite, un minerai de sulfure de cuivre contenant du fer avec la formule chimique CuFeS2. Les gisements de chalcopyrite se trouvent partout dans le monde, avec une abondance particulière en Amérique du Nord et du Sud, ainsi qu’en Afrique et en Australie. D’autres minerais importants se présentent sous forme d’oxydes et de carbonates de cuivre, comme l’azurite et la cuprite.

Bien que certaines exploitations minières en puits profonds soient effectuées, la plupart des grandes exploitations minières de cuivre sont de vastes mines à ciel ouvert. La mine de cuivre la plus productive au monde à l’heure actuelle est la Minera Escondida dans le désert d’Atacama au Chili, qui a produit 10 milliards de dollars de cuivre en 2007 et peut produire 1,2 million de tonnes par an. Alors qu’un échantillon pur de chalcopyrite contient environ 34 % de cuivre en poids, le minéral est généralement associé à une espèce de roche hôte qui réduit le minerai à une fraction d’un pour cent de cuivre. Cela signifie que de grandes quantités de minerai doivent être traitées pour rendre une exploitation minière commercialement viable. Dans certains gisements, l’or et l’argent se substituent avec parcimonie au cuivre dans le minerai, faisant de ces métaux précieux un produit secondaire précieux qui, dans certains cas, peut en fait payer la totalité du coût d’extraction de tout le cuivre.

L’extraction dans les mines à ciel ouvert commence par des méthodes typiques d’extraction de roches dures, comme le dynamitage. La roche minéralisée est chargée de 200 à 300 tonnes à la fois par d’énormes chargeuses et pelles dans des camions de transport gigantesques, pour le voyage de la fosse à l’usine de traitement. Là, d’énormes concasseurs réduisent les rochers de la taille d’une voiture en fractions de plus en plus petites, qui sont transmises aux broyeurs à boulets pour un broyage plus fin. L’objectif est de réduire le contact physique entre les minéraux du minerai et les stériles qui l’entourent, que l’on appelle gangue.

Ce qui se passe ensuite est l’extraction du cuivre élémentaire des minéraux du minerai, mais la méthode utilisée dépend du type de minerai présent. Pour les oxydes et carbonates de cuivre, le cuivre est soluble dans les solutions acides, donc un hydrométallurgique processus est utilisé. Les détails varient, mais dans les processus de lixiviation, le minerai en poudre est généralement empilé dans de grandes fosses bordées d’une barrière imperméable. De l’acide sulfurique dilué est pulvérisé sur les tas et lessive le sulfate de cuivre des minéraux du minerai. Le cuivre est extrait du lixiviat avec des extracteurs, qui laisse l’acide sulfurique propre et prêt à être recyclé pour un autre cycle de lixiviation, ainsi qu’une solution riche en cuivre prête pour une purification supplémentaire.

Schéma de la lixiviation en tas du cuivre des tas de minerai.
Schéma de lixiviation en tas. Des tas de minerai sont saupoudrés d’acide sulfurique; le lixiviat chargé de cuivre est récupéré et concentré. Source : Centre de recherche Superfund de l’Université d’Arizona

Flotter vers le haut

Les minerais de sulfure de cuivre sont désavantagés en ce qui concerne les méthodes d’extraction chimiques, car les sulfures sont à peine solubles dans l’acide. Pour libérer le cuivre de ces minerais, les raffineurs doivent augmenter la chaleur avec pyrométallurgique méthodes. Celles-ci commencent par les mêmes étapes de concassage et de broyage qu’auparavant, ce qui donne une poudre fine qui est mélangée à de l’eau dans de grandes cuves. À la suspension sont ajoutés des produits chimiques appelés collectionneurs, dont le travail consiste à se lier aux particules minérales sulfurées. Les molécules collectrices recouvrent les particules de sulfure et augmentent leur hydrophobie, ou tendance à repousser l’eau, tout en laissant les particules de stériles seules. Lorsque de l’air est barboté à travers la solution, les sulfures désormais hydrophobes se fixent aux bulles d’air et forment une mousse à la surface de la cuve, qui est écumée du dessus et soumise à d’autres cycles de cette méthode de flottation par mousse pour augmenter la concentration de le cuivre.

La sortie de ce processus de flottation par mousse est ensuite soumise à un processus d’épaississement, pour éliminer autant d’eau que possible. Cela se fait par une combinaison d’évaporation simple dans des bassins ouverts et par filtration à l’aide de disques ou de cylindres en céramique poreuse. L’étape de filtration est critique, car elle abaisse la teneur en humidité à environ 8 % et donne un concentré de cuivre d’environ 20 à 30 % d’enrichissement qui peut être facilement expédié aux fonderies.

Schéma de la fonderie flash
Coupe transversale d’une fonderie éclair. Le concentré de minerai fond dans le souffle d’air surchauffé dans la chambre de réaction, et le cuivre mat s’accumule au fond pour le prélèvement. Source : Jylha et al, MDPI (CC-BY-4.0)

Pour extraire le cuivre du concentré, un procédé de fusion éclair est utilisé. Le concentré est pulvérisé dans une colonne de réaction dans un four éclair avec de l’air chauffé enrichi en oxygène. Les composés sulfurés contenus dans le concentré fondent instantanément et tombent dans un bassin collecteur au fond du four. Là, les matériaux fondus se séparent par densité, avec le cuivre fondu, appelé cuivre mat, s’affaissant vers le bas, tandis que les scories de fer et de silicate flottent vers le haut à l’aide de fondants ajoutés.

Le cuivre mat, maintenant pur à environ 60%, est prélevé au fond du four flash pour une purification supplémentaire par conversion, qui consiste essentiellement à souffler de l’air chaud à travers la matte fondue. L’oxygène réagit avec le soufre restant, laissant derrière lui cuivre blister c’est environ 98% pur.

bf 2 CuS + 3 O_{2} rightarrow 2 CuO + 2 SO_{2}

bf CuS + O_{2} rightarrow Cu + SO_{2}

Gagner avec l’électricité

L’étape finale de purification des produits finaux de l’extraction hydrométallurgique et pyrométallurgique est appelée électrogainer. Il s’agit simplement d’électrolyse, quoique à grande échelle. Pour le cuivre hydrométallurgique, la solution de sulfate de cuivre qui provient de la fosse de lixiviation est utilisée comme électrolyte, avec des anodes de plomb et de fines feuilles d’acier inoxydable pour les cathodes. Le courant passe à travers l’électrolyte, provoquant le dépôt du cuivre dans la solution sur les cathodes en acier inoxydable. Lorsqu’environ 100 livres (45 kg) de cuivre se sont accumulés sur les cathodes, elles sont retirées, rincées et pliées pour faire éclater les feuilles de cuivre finies à 99,99% de pureté.

Pour le cuivre pyrométallurgique, les lingots de cuivre blister servent d’anodes pour l’électrolyse. Ils sont suspendus dans un réservoir rempli de sulfate de cuivre dilué mélangé à de l’acide sulfurique, intercalés avec des cathodes en feuilles de cuivre pur ou, encore une fois, en acier inoxydable. Le courant passe à travers le réservoir et les plaques de cuivre sur les cathodes, atteignant à nouveau une pureté de 99,99% dans le processus fini.

Les déchets laissés dans les cuves d’électrolyse sont appelés boue d’anode, et malgré son nom peu attrayant, c’est un produit précieux. Selon les minéraux présents dans la matière première et la tension utilisée pour l’extraction électrolytique, la boue de l’anode peut contenir de l’or, de l’argent, du sélénium, du tellure et peut-être même des métaux du groupe du platine, ainsi qu’une bonne quantité de cuivre qui n’a pas été récupéré dans le première remise des gaz. La boue d’anode est généralement vendue à des fonderies spécialisées pour la récupération de ces métaux précieux, en utilisant des combinaisons de procédés hydrométallurgiques et pyrométallurgiques qui sont adaptés au mélange de métaux dans la boue.

Image de bannière : « Native Copper-replaced cross-bedded rocks » par James St. John, CC BY 2.0