La science derrière l'extraction de l'alumine

L'extraction de l'aluminium à partir de la bauxite fait partie intégrante de la science et de l'ingénierie et garantit un approvisionnement régulier en ce métal polyvalent. En raison de ses nombreuses utilisations, la recherche de moyens de production plus efficaces se poursuit depuis des décennies.

L'extraction implique une digestion avec de l'hydroxyde de sodium chaud, suivie d'une précipitation de l'hydroxyde d'aluminium à partir de sa solution et d'une calcination ultérieure pour produire de l'alumine commercialement pure.

Le processus Bayer

Karl-Josef Bayer a inventé le procédé Bayer en 1887, qui reste aujourd'hui la principale méthode industrielle de production d'alumine. La bauxite broyée est mélangée à de l'hydroxyde de sodium pour former une solution d'aluminate qui sert de point de départ aux étapes de traitement ultérieures.

La filtration élimine l'eau libre et les impuretés ; le gâteau de filtration est ensuite introduit dans une série de calcinateurs pour être chauffé à haute température jusqu'à ce que toute l'eau libre et les impuretés chimiques aient été éliminées, produisant ainsi de la poudre d'alumine utilisée dans divers procédés d'aluminium tels que la fonte et le moulage.

Le minerai de fer est utilisé dans la production d'autres métaux, notamment le magnésium et le calcium. Combiné à d'autres éléments, il peut former des alliages pour des applications spécifiques telles que les moteurs d'avion ou les piles à combustible ; il sert en outre de matériau de support pour la création de catalyseurs utilisés pour contrôler d'autres réactions chimiques.

L'aluminium ne peut être produit naturellement et doit être extrait de son minerai à l'aide de différentes techniques de raffinage. Les deux principaux procédés d'extraction sont les procédés Bayer et Hall-Heroult, qui utilisent tous deux la bauxite comme matière première.

La bauxite est une roche naturelle à gros grains contenant des quantités importantes d'oxyde d'aluminium (Al2O3). L'alumine représente une grande partie de sa valeur commerciale ; l'extraction de l'aluminium nécessite une grande consommation d'énergie et des équipements coûteux ; l'industrie a donc investi massivement dans la technologie de raffinage de la bauxite pour atteindre 30% de la production mondiale totale.

Le processus de Hall-Heroult

L'aluminium est essentiel dans de nombreuses industries et applications, mais il doit d'abord être extrait de son état naturel pour être utile. Seule une poignée d'endroits sur Terre contient sa forme élémentaire dans la nature - notamment dans la bauxite - et plusieurs processus de raffinage doivent donc avoir lieu avant de produire des produits finis en aluminium qui sont largement utilisés dans de nombreuses applications. Les fabricants d'aluminium s'appuient fortement sur des processus électrochimiques tels que Hall-Heroult pour convertir les matières premières en produits de valeur ; la compréhension de ces réactions chimiques clés permet de mieux comprendre cette industrie vitale.

Le procédé Hall-Heroult repose sur la dissolution électrochimique de l'alumine pour produire de l'aluminium métallique pur et de l'oxygène gazeux. Il s'agit d'un processus extrêmement complexe qui nécessite un contrôle précis pour une production efficace. La température, le courant et la composition de l'électrolyte doivent tous être étroitement gérés pour obtenir de bons résultats.

Charles Martin Hall, alors âgé de 20 ans et étudiant en première année à l'Oberlin College de l'Ohio, a commencé à étudier les moyens de produire de l'aluminium en 1880. Bien que ses premières tentatives d'utilisation du courant électrique pour extraire l'aluminium de l'alumine aient échoué, Hall a réalisé en 1886 une percée qui allait modifier à jamais l'histoire de l'aluminium.

Il a dissous l'alumine dans un minerai de cryolithe et a placé des électrodes en graphite dans la solution. Il a ensuite fait passer un courant électrique à travers ses électrodes pour produire de l'aluminium fondu du côté positif (cathode) tandis que la production d'oxygène gazeux se produisait du côté négatif (anode). Hall a répété ce processus avec succès et a finalement fondé la Pittsburgh Reduction Company en 1888.

Le procédé Hall-Heroult est depuis longtemps la principale méthode industrielle de production de l'aluminium. Bien qu'il soit gourmand en énergie, il a fait des progrès considérables au cours des 110 dernières années pour réduire la consommation d'électricité au cours de son processus et produire du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre qui, à son tour, pose problème. Néanmoins, des efforts continus ont été déployés au cours de cette période pour le réduire autant que possible.

Le procédé hydrochimique

La bauxite, un minéral naturel riche en aluminium, fait l'objet d'une demande sans cesse croissante et d'une application industrielle étendue, ce qui alimente les perfectionnements constants du processus utilisé pour transformer cet élément abondant en aluminium purifié. Cette procédure complexe et énergivore dépend de multiples facteurs, dont l'emplacement des réserves, la proximité des sources d'énergie pour les opérations de fusion, les mesures d'efficacité et l'engagement en faveur de pratiques durables.

Le procédé Bayer comporte plusieurs étapes : digestion avec de la soude caustique, séparation des minéraux contenant de l'aluminium de la solution (appelée boue rouge), précipitation des cristaux d'aluminate de sodium et enfin calcination. L'alumine est donc un ingrédient essentiel de la production d'aluminium : L'alumine est également une matière première indispensable à la fabrication de réfractaires coulables et d'abrasifs.

Après le procédé Bayer, l'alumine peut être transformée en aluminium pur par le procédé électrolytique Hall-Heroult. Ce processus se déroule dans une cuve recouverte de carbone et équipée d'un bain de cryolithe qui abaisse le point de fusion de l'oxyde d'aluminium ; un courant électrique traverse ce bain tandis que l'oxygène de l'air interagit avec les électrodes de la cathode pour former du gaz carbonique et de l'aluminium liquide aux électrodes de l'anode ; le gaz carbonique peut ensuite être recueilli aux électrodes de l'anode en tant que gaz carbonique, produisant du gaz carbonique qui forme ensuite de l'aluminium liquide aux anodes pour être utilisé par les utilisateurs finaux ; plus d'informations.

Les diagrammes permettent de comprendre les réactions électrochimiques qui composent le processus de Hall-Heroult. Une équation pour l'extraction de l'alumine nous permet d'observer que ses principaux processus impliquent :

La lixiviation à l'acide chlorhydrique est l'étape initiale de l'extraction de la bauxite. Les taux de lixiviation atteignent leur maximum lorsque les concentrations, le rapport volume-masse et les températures de réaction sont idéaux.

Pompé dans des réservoirs de précipitation, l'alumine se dépose et se sédimente pour produire de l'hydroxyde d'aluminium solide, avant d'être transféré ou pompé directement dans une chambre de fusion pour être chauffé jusqu'à ce que l'aluminium métallique fonde et soit ensuite coulé en lingots qui peuvent ensuite être forgés, laminés, étirés en différentes formes ou tailles pour des utilisations spécifiques.

L'aluminium peut être utilisé dans toute une série de produits finis, des automobiles aux avions. Les alliages d'aluminium possèdent également des propriétés spécifiques pour des utilisations particulières, notamment la solidité, la résistance à la corrosion et la conductivité. Ces alliages peuvent ensuite être fondus, coulés ou étirés en feuilles pour produire des composants pour les machines modernes, les matériaux de construction ou les biens de consommation.

Le processus d'oxydation

L'aluminium est l'un des trois éléments les plus abondants de la croûte terrestre, mais il n'existe pas à l'état pur dans la nature. Pour être produit commercialement, l'aluminium doit être extrait à l'aide de procédés électrochimiques avancés à partir de la matière première primaire, la bauxite. L'aluminium joue un rôle essentiel dans de nombreuses applications industrielles à travers le monde.

Le procédé Hall-Heroult fait partie intégrante de l'extraction de l'aluminium. Cette méthode consiste à utiliser un courant électrique pour déclencher des réactions chimiques qui séparent l'alumine de l'oxyde d'aluminium. Les étudiants devraient étudier le fonctionnement de cette méthode, car elle permet de comprendre à la fois sa chimie et les défis techniques qu'elle implique.

Comme pour la méthode Bayer, ce processus commence avec la bauxite comme matière première, riche en oxyde d'aluminium et devant être raffinée en métal pur. Bien qu'il s'agisse d'un processus intensif et gourmand en ressources, il a permis aux industries du monde entier d'utiliser l'aluminium.

Au début du processus, la bauxite doit d'abord être broyée et purifiée pour produire de l'alumine (Al2O3), avant d'être mélangée à de la cryolite (Na3AlF6) pour réduire son point de fusion et améliorer sa conductivité. Une fois mélangé, ce mélange est placé dans un pot en carbone ou en graphite qui sert de cellule électrolytique et l'électricité est appliquée ; de l'oxygène se forme à la cathode tandis que l'alumine est réduite en aluminium liquide à l'anode.

La filtration et la centrifugation sont utilisées pour séparer l'alumine de sa solution et la pomper vers plusieurs réservoirs de précipitation de six étages de haut où des cristaux de semences solides d'hydrate d'alumine sont ajoutés en tant que cristaux de semences solides pour la précipitation. Une fois dans ces réservoirs, l'alumine est diluée avec de l'eau jusqu'à ce qu'elle soit concentrée pour la précipitation. Elle est ensuite mélangée à de l'eau pour éliminer les impuretés avant d'être chauffée à environ 1 200 degrés Celsius pour sa réaction ; une fois celle-ci terminée, elle est à nouveau filtrée avant d'être mélangée à de la vapeur pour former une boue d'alumine destinée à la production.