Aluminium : production, propriétés et impact environnemental

---

L'aluminium est le troisième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, constituant environ 8 % du sol et des roches. L'oxygène et le silicium dominent le reste, à 47 % et 28 % respectivement. Dans la nature, l'aluminium n'existe que sous forme de composés avec des éléments comme le soufre, le silicium et l'oxygène. L'aluminium métallique pur ne peut être extrait que des minerais d'oxyde d'aluminium.

L'aluminium métallique est prisé pour sa légèreté, sa haute résistance, sa nature non magnétique et non toxique. Il conduit la chaleur et l'électricité, reflète la lumière, et maintient sa résistance à des températures extrêmes sans devenir cassant. Une fine couche d'oxyde invisible se forme rapidement à la surface, offrant une résistance naturelle à la corrosion. De plus, l'aluminium est l'un des matériaux les plus recyclables au monde, avec des retours économiques élevés à partir de matières recyclées.

Contexte

Les composés d'aluminium sont utilisés depuis des millénaires. Vers 5000 av. J.-C., les potiers perses créaient les récipients en argile les plus résistants en ajoutant de l'alumine. Les Égyptiens et Babyloniens anciens utilisaient des sels d'aluminium dans les teintures, cosmétiques et médicaments. Ce n'est qu'au début du 19e siècle que l'élément a été isolé sous forme pure. En raison de la difficulté de l'extraire, l'aluminium est resté aussi rare et précieux que l'argent pendant des décennies.

En 1886, deux jeunes scientifiques — Hall aux États-Unis et Héroult en France — ont indépendamment développé le procédé électrolytique Hall-Héroult, rendant la production à grande échelle faisable. Le procédé Bayer, breveté en 1888 par le chimiste autrichien Karl Bayer, a raffiné le minerai et est devenu essentiel à la croissance de l'industrie. En 1884, les États-Unis produisaient 60 kg d'aluminium, au prix approximatif de l'argent. En 1995, les usines américaines produisaient 3,6 millions de tonnes d'aluminium, tandis que l'argent restait soixante-quinze fois plus cher à l'unité.

Matières premières

Le minerai le plus précieux pour produire de l'aluminium pur est la bauxite, qui contient 45-60 % d'oxyde d'aluminium avec des impuretés comme le sable, le fer et des métaux en traces. Bien que certains gisements soient de roche dure, la plupart sont tendres, facilement exploités par des méthodes à ciel ouvert. L'Australie fournit plus d'un tiers de la bauxite mondiale. Environ 2 kg de bauxite sont nécessaires pour produire 0,5 kg d'aluminium.

La soude caustique (hydroxyde de sodium) dissout les composés d'aluminium dans la bauxite, les séparant des impuretés. Selon la composition du minerai, de petites quantités d'amidon, chaux ou sulfure de sodium peuvent aussi être ajoutées.

La production d'aluminium implique deux étapes principales : le procédé Bayer, qui raffine la bauxite en alumine (Al₂O₃), et le procédé Hall-Héroult, qui réduit électrolytiquement l'alumine en métal pur.

La cryolite (Na₃AlF₆) sert d'électrolyte à l'étape de réduction. Historiquement extraite au Groenland, elle est maintenant synthétisée. Le fluorure d'aluminium est ajouté pour abaisser le point de fusion de l'électrolyte.

Les électrodes en carbone conduisent le courant électrique à travers l'électrolyte. Pendant la réduction, le carbone réagit avec l'oxygène pour former du CO₂. Environ 0,2 kg de carbone est consommé par 2,2 kg d'aluminium produit. Une partie du carbone provient de sous-produits du raffinage du pétrole, le reste du charbon.

Puisque le procédé Hall-Héroult nécessite de forts courants, il consomme une énergie électrique significative. Produire 1 kg d'aluminium demande typiquement 15 kWh d'électricité, représentant environ un tiers du coût de la réduction.

Le processus de fabrication

La production d'aluminium est divisée en procédé Bayer et procédé Hall-Héroult.

Le procédé Bayer

• 1. La bauxite est mécaniquement concassée et mélangée avec de la soude caustique, puis broyée pour produire une boue fine.
• 2. La boue est pompée dans un digesteur — essentiellement une cocotte-minute — chauffée à 110-270 °C sous 340 kPa pendant 30 minutes à plusieurs heures. De la soude caustique additionnelle assure la dissolution complète des composés d'aluminium.
• 3. La boue chaude, maintenant une solution d'aluminate de sodium, passe par des flash tanks qui abaissent la pression et récupèrent la chaleur pour réutilisation.
• 4. Dans un bassin de décantation, les impuretés non dissoutes se déposent au fond comme « boue rouge ». L'aluminium soluble reste dans le liquide.
• 5. Le liquide clair est filtré à travers un tissu pour piéger les dernières fines particules. Le lavage du filtre fournit de l'alumine et de la soude caustique réutilisables.
• 6. Des cristaux germe d'hydrate d'alumine sont introduits dans une série de bassins de précipitation de six étages. En refroidissant, les cristaux grossissent et se déposent au fond.
• 7. Les cristaux sont lavés, puis calcinés dans un four à 1 100 °C pour éliminer l'eau liée, produisant de l'alumine anhydre. Un refroidisseur suit le four pour amener le produit à température ambiante.

Le procédé Hall-Héroult

La réduction se déroule dans des cuves en acier revêtues de carbone. Les électrodes supérieures sont des tiges de carbone suspendues juste au-dessus de l'aluminium fondu. Les cuves sont disposées en lignes (lignes de cuves) de 50-200 unités, chaque ligne produisant 60 000-100 000 t d'aluminium par an. Une usine typique contient deux ou trois lignes de cuves.

• 8. À l'intérieur de chaque cuve, l'alumine se dissout dans la cryolite fondue à 960-970 °C, formant un électrolyte. Un courant continu de 4-6 V et 100 000-230 000 A traverse, brisant les liaisons Al-O. L'oxygène réagit avec les tiges de carbone pour former du CO₂ ; l'aluminium fondu se collecte au fond.
• 9. Le processus est continu : l'alumine est ajoutée au fur et à mesure de sa décomposition, tandis qu'un courant et une chaleur constants maintiennent le mélange fondu. Périodiquement, la croûte qui se forme sur le dessus est brisée pour permettre plus d'alumine. L'aluminium siphonné est collecté dans un creuset qui descend le long de la ligne de cuves, accumulant 4 000 kg de métal pur à 99,8 %. La fonte est ensuite coulée dans des moules horizontaux longs, refroidie à l'eau, et découpée en lingots.

Sous-produits et déchets

L'alumine, le produit intermédiaire du procédé Bayer, est elle-même précieuse. C'est un matériau poudreux blanc utilisé dans les détergents, dentifrices, lampes fluorescentes, céramiques (fausses dents, bougies d'allumage, verre pare-brise militaire), composés de polissage, convertisseurs catalytiques, explosifs et même carburant de fusée — chaque lancement de navette consomme 180 000 kg d'alumine. Environ 10 % de l'alumine produite annuellement est vendue pour ces usages alternatifs.

Le déchet principal du raffinage de la bauxite est la « boue rouge ». Pour chaque tonne d'alumine produite, environ une tonne de boue rouge est générée. Bien qu'elle contienne du fer, titane, soude et alumine résiduelle, aucune méthode de récupération rentable n'existe. Elle est généralement stockée dans des bassins jusqu'à séchage, puis épandue sur les terres.

La réduction génère aussi des gaz à effet de serre. Les usines américaines émettent environ 5,5 millions de tonnes de CO₂ et 3 300 tonnes de perfluorocarbures par an. De plus, environ 120 000 tonnes de revêtement de cuve usagé (SPL) — classé comme dangereux par l'EPA — sont retirées chaque année. La première installation de recyclage SPL a ouvert en 1996, convertissant le matériau en fritte de verre utilisée dans les carreaux céramiques, fibres de verre et bardeaux d'asphalte.

L'avenir

La plupart des producteurs d'aluminium américains appartiennent au Partenariat Volontaire de l'Industrie de l'Aluminium (VAIP), collaborant avec l'EPA pour relever les défis environnementaux. La recherche actuelle se concentre sur le développement de matériaux d'électrode inertes pour remplacer le carbone. Un composite prometteur de titane-diborure-graphite pourrait éliminer les émissions de gaz à effet de serre et réduire l'énergie de réduction de 25 % une fois commercialisé.