Mercure

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Contexte

Le mercure est l'un des éléments chimiques de base. C'est un métal lourd et argenté qui est liquide à des températures normales. Le mercure forme facilement des alliages avec d'autres métaux, ce qui le rend utile dans le traitement de l'or et de l'argent. Une grande partie de l'impulsion pour développer des gisements de minerai de mercure aux États-Unis est venue après la découverte d'or et d'argent en Californie et dans d'autres États de l'Ouest dans les années 1800. Malheureusement, le mercure est également une matière hautement toxique et, par conséquent, son utilisation a fortement diminué au cours des 20 dernières années. Ses principales applications sont la production de chlore et de soude caustique et en tant que composant de nombreux appareils électriques, y compris les lampes fluorescentes et à vapeur de mercure.

Du mercure a été trouvé dans des tombes égyptiennes datant d'environ 1500 BC. , et il était probablement utilisé à des fins cosmétiques et médicinales encore plus tôt. Vers 350 av. , le philosophe et scientifique grec Aristote a décrit comment le minerai de cinabre était chauffé pour en extraire le mercure pour les cérémonies religieuses. Les Romains utilisaient le mercure à diverses fins et lui donnaient le nom d'hydrargyrum, qui signifie argent liquide, d'où dérive le symbole chimique du mercure, Hg.

La demande de mercure a considérablement augmenté en 1557 avec le développement d'un procédé qui utilisait le mercure pour extraire l'argent de son minerai. Le baromètre à mercure a été inventé par Torricelli en 1643, suivi de l'invention du thermomètre à mercure par Fahrenheit en 1714. La première utilisation d'un alliage de mercure, ou amalgame, comme plombage dentaire en dentisterie a eu lieu en 1828, bien que des inquiétudes concernant la nature toxique de mercure a empêché la généralisation de cette nouvelle technique. Ce n'est qu'en 1895 que les travaux expérimentaux de G.V. Black a montré que les obturations à l'amalgame étaient sûres, bien que 100 ans plus tard, les scientifiques débattaient encore de ce point.

Le mercure s'est retrouvé dans de nombreux produits et applications industrielles après 1900. Il était couramment utilisé dans les batteries, les peintures, les explosifs, les ampoules, les interrupteurs, les produits pharmaceutiques, les fongicides et les pesticides. Le mercure était également utilisé dans le cadre des processus de production de papier, de feutre, de verre et de nombreux plastiques.

Dans les années 1980, la compréhension et la prise de conscience croissantes des effets nocifs du mercure sur la santé et l'environnement ont commencé à l'emporter largement sur ses avantages, et l'utilisation a commencé à chuter fortement. En 1992, son utilisation dans les piles était tombée à moins de 5 % de son niveau de 1988, et l'utilisation globale dans les appareils électriques et les ampoules avait chuté de 50 % au cours de la même période. L'utilisation de mercure dans les peintures, les fongicides et les pesticides a été interdite aux États-Unis, et son utilisation dans les procédés de fabrication du papier, du feutre et du verre a été volontairement abandonnée.

À l'échelle mondiale, la production de mercure est limitée à quelques pays aux lois environnementales assouplies. L'extraction de mercure a complètement cessé en Espagne, qui était jusqu'en 1989 le plus grand producteur mondial. Aux États-Unis, l'extraction du mercure s'est également arrêtée, bien que de petites quantités de mercure soient récupérées dans le cadre du processus de raffinage de l'or pour éviter la contamination de l'environnement. La Chine, la Russie (anciennement l'URSS), le Mexique et l'Algérie étaient les plus gros producteurs de mercure en 1992.

Matières premières

Le mercure est rarement trouvé seul dans la nature. La plupart du mercure est chimiquement lié à d'autres matériaux sous forme de minerais. Le minerai le plus courant est le sulfure de mercure rouge (HgS), également connu sous le nom de cinabre. Les autres minerais de mercure comprennent la cordéroite (Hg ₃ S ₂ Cl ₂ ), livingstonite (HgSb ₄ S ₈ ), la montroydite (HgO) et le calomel (HgCl). Il y en a plusieurs autres. Les minerais de mercure se forment sous terre lorsque des solutions minérales chaudes s'élèvent vers la surface de la terre sous l'influence de l'action volcanique. Ils se trouvent généralement dans des roches faillées et fracturées à des profondeurs relativement faibles de 3-3000 pieds (1-1000 m).

Les autres sources de mercure comprennent les décharges et les tas de résidus d'opérations minières et de traitement antérieures et moins efficaces.

Le processus de fabrication

Le processus d'extraction du mercure de ses minerais n'a pas beaucoup changé depuis qu'Aristote l'a décrit pour la première fois il y a plus de 2 300 ans. Le minerai de cinabre est broyé et chauffé pour libérer le mercure sous forme de vapeur. La vapeur de mercure est ensuite refroidie, condensée et collectée. Près de 95 % du mercure contenu dans le minerai de cinabre peut être récupéré grâce à ce procédé.

Voici une séquence typique d'opérations utilisées pour l'extraction et le raffinage modernes du mercure.

Exploitation minière

Le minerai de cinabre se trouve dans des gisements concentrés situés à la surface ou près de la surface. Environ 90 % de ces gisements sont suffisamment profonds pour nécessiter une exploitation souterraine avec des tunnels. Les 10 % restants peuvent être excavés à partir de mines à ciel ouvert.

• 1 Le cinabre est délogé des roches environnantes par forage et dynamitage avec des explosifs ou par l'utilisation d'équipements électriques. Le minerai est sorti de la mine sur des bandes transporteuses ou dans des camions ou des trains.

Rôtissage

Le minerai de cinabre étant relativement concentré, il peut être traité directement sans aucune étape intermédiaire pour éliminer les déchets.

• 2 Le minerai est d'abord concassé dans un ou plusieurs concasseurs à cône. Un concasseur à cône se compose d'un cône de broyage intérieur qui tourne sur un axe vertical excentrique à l'intérieur d'un cône extérieur fixe. Au fur et à mesure que le minerai est introduit dans le haut du concasseur, il est pressé entre les deux cônes et brisé en plus petits morceaux.
• 3 Le minerai concassé est ensuite broyé encore plus petit par une série de broyeurs. Chaque moulin se compose d'un grand récipient cylindrique couché sur le côté et tournant sur son axe horizontal. Le broyeur peut être rempli de courtes longueurs de tiges d'acier ou de billes d'acier pour assurer l'action de broyage.
• 4 Le minerai en poudre fine est introduit dans un four ou un four pour être chauffé. Certaines exploitations utilisent un four à soles multiples, dans lequel le minerai est déplacé mécaniquement le long d'un puits vertical d'un rebord, ou foyer, à l'autre par des râteaux à rotation lente. D'autres opérations utilisent un four rotatif, dans lequel le minerai est dégringolé le long d'un long cylindre rotatif incliné de quelques degrés par rapport à l'horizontale. Dans les deux cas, la chaleur est fournie par la combustion de gaz naturel ou d'un autre combustible dans la partie inférieure du four ou du four. Le cinabre chauffé (HgS) réagit avec l'oxygène (02) de l'air pour produire du dioxyde de soufre (SO ₂ ), permettant au mercure de s'élever sous forme de vapeur. Ce processus est appelé torréfaction.

Condensation

• 5 La vapeur de mercure monte et sort du four ou du four avec le dioxyde de soufre, la vapeur d'eau et d'autres produits de combustion. Une quantité considérable de poussière fine provenant du minerai en poudre est également transportée et doit être séparée et capturée.
• 6 L'échappement chaud du four passe à travers un condenseur refroidi à l'eau. Lorsque les gaz d'échappement se refroidissent, le mercure, qui a un point d'ébullition de 675° F (357° C), est le premier à se condenser en un liquide, laissant les autres gaz et vapeurs à évacuer ou à traiter davantage pour réduire la pollution de l'air .
• 7 Le mercure liquide est collecté. Étant donné que le mercure a une densité très élevée, toutes les impuretés ont tendance à remonter à la surface et à former un film sombre ou une écume. Ces impuretés sont éliminées par filtration, laissant un mercure liquide pur à environ 99,9 %. Les impuretés sont traitées à la chaux pour Afin d'extraire le mercure de ses minerais, le minerai de cinabre est broyé et chauffé pour libérer le mercure sous forme une vapeur. La vapeur de mercure est ensuite refroidie, condensée et collectée. séparer et capturer tout mercure qui aurait pu former des composés.

Raffinage

La plupart du mercure de qualité commerciale est pur à 99,9 % et peut être utilisé directement à partir du processus de torréfaction et de condensation. Un mercure plus pur est nécessaire pour certaines applications limitées et doit être affiné davantage. Ce mercure ultrapur commande un prix supérieur.

• 8 Une pureté plus élevée peut être obtenue grâce à plusieurs méthodes de raffinage. Le mercure peut être à nouveau filtré mécaniquement et certaines impuretés peuvent être éliminées par oxydation avec des produits chimiques ou de l'air. Dans certains cas, le mercure est raffiné par un processus électrolytique, dans lequel un courant électrique est passé à travers un réservoir de mercure liquide pour éliminer les impuretés. La méthode de raffinage la plus courante est la triple distillation, dans laquelle la température du mercure liquide est soigneusement élevée jusqu'à ce que les impuretés s'évaporent ou que le mercure lui-même s'évapore, laissant les impuretés derrière. Ce processus de distillation est effectué trois fois, la pureté augmentant à chaque fois.

Livraison

• 9 Le mercure de qualité commerciale est versé dans des flacons en fer forgé ou en acier et scellé. Chaque flacon contient 76 lb (34,5 kg) de mercure. Le mercure de pureté supérieure est généralement scellé dans des récipients en verre ou en plastique plus petits pour l'expédition.

Contrôle qualité

Le mercure de qualité commerciale avec une pureté de 99,9 % est appelé mercure de première qualité. Le mercure ultrapur est généralement produit par la méthode de la triple distillation et est appelé mercure à triple distillation.

Les inspections de contrôle de la qualité du processus de torréfaction et de condensation consistent à vérifier sur place la présence de métaux étrangers dans le mercure liquide condensé, car ce sont les contaminants les plus courants. La présence d'or, d'argent et de métaux de base est détectée à l'aide de diverses méthodes d'analyse chimique.

Le mercure triplement distillé est testé par évaporation ou analyse spectrographique. Dans la méthode d'évaporation, un échantillon de mercure est évaporé et le résidu est pesé. Dans la méthode d'analyse spectrographique, un échantillon de mercure est évaporé et le résidu est mélangé avec du graphite. La lumière provenant du mélange résultant est visualisée avec un spectromètre, qui sépare la lumière en différentes bandes de couleurs en fonction des éléments chimiques présents.

Effets sur la santé et l'environnement

Le mercure est hautement toxique pour l'homme. L'exposition peut provenir d'une inhalation, d'une ingestion ou d'une absorption par la peau. Des trois, l'inhalation de vapeurs de mercure est la plus dangereuse. Une exposition à court terme aux vapeurs de mercure peut provoquer une faiblesse, des frissons, des nausées, des vomissements, de la diarrhée et d'autres symptômes en quelques heures. La récupération est généralement terminée une fois que la victime est retirée de la source. L'exposition à long terme aux vapeurs de mercure produit des tremblements, de l'irritabilité, de l'insomnie, de la confusion, une salivation excessive et d'autres effets débilitants.

Dans des situations normales, la plus grande partie de l'exposition au mercure provient de l'ingestion de certains aliments, comme le poisson, dans lesquels le mercure s'est accumulé à des niveaux élevés. Bien que le mercure ne soit pas absorbé en grande quantité lors de son passage dans le système digestif humain, il a été démontré qu'une ingestion sur une longue période de temps avait des effets cumulatifs.

Dans les situations industrielles, l'exposition au mercure est un danger bien plus grave. L'extraction et le traitement du minerai de mercure peuvent exposer les travailleurs aux vapeurs de mercure ainsi qu'à un contact direct avec la peau. La production de chlore et de soude caustique peut également entraîner d'importants risques d'exposition au mercure. Les dentistes et les assistants dentaires peuvent être exposés au mercure lors de la préparation et de la pose d'obturations à l'amalgame au mercure.

Parce que le mercure pose un grave danger pour la santé, son utilisation et son rejet dans l'environnement sont soumis à des restrictions de plus en plus strictes. En 1988, on estimait que 24 millions de livres/an (11 millions de kglyr) de mercure étaient rejetés dans l'air, le sol et l'eau dans le monde à la suite d'activités humaines. Cela comprenait le mercure libéré par l'extraction et le raffinage du mercure, diverses opérations de fabrication, la combustion du charbon, le rejet des déchets municipaux et des boues d'épuration, et d'autres sources.

Aux États-Unis, l'Environmental Protection Agency (EPA) a interdit l'utilisation du mercure pour de nombreuses applications. L'EPA s'est fixé comme objectif de réduire le niveau de mercure trouvé dans les déchets municipaux de 1,4 million de livres/an (0,64 million de kg/an) en 1989 à 0,35 million de livres/an (0,16 million de kg/an) d'ici 2000. Il s'agit de être accompli en diminuant l'utilisation du mercure dans les produits et en augmentant le détournement du mercure des ordures ménagères grâce au recyclage.

Le futur

Le mercure est toujours un composant important dans de nombreux produits et procédés, même si son utilisation devrait continuer à diminuer. On s'attend à ce que l'amélioration de la manipulation et du recyclage du mercure réduise considérablement son rejet dans l'environnement et, partant, son danger pour la santé.