L'oxygène : de la découverte ancienne à la puissance industrielle moderne

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Contexte

L'oxygène (O₂) est un élément fondamental qui soutient la vie sur Terre et alimente d'innombrables processus industriels. C'est le composant le plus abondant de l'air — environ 21 % — et constitue environ les deux tiers du corps humain en poids. Historiquement, l'oxygène a été isolé en 1774 par Joseph Priestley, qui a chauffé de l'oxyde mercurique sous la lumière du soleil, et son importance a été confirmée plus tard par Antoine Lavoisier, qui l'a nommé d'après des racines grecques signifiant « formateur d'acide ».

Depuis la fin du XIXe siècle, la technologie de séparation de l'air a évolué de manière spectaculaire. En 1895, Karl von Linde et William Hampson ont indépendamment développé la distillation cryogénique, permettant la production à grande échelle de gaz de haute pureté. Aujourd'hui, les États-Unis ont produit plus de 470 milliards de pieds cubes (13,4 milliards de m³) d'oxygène en 1991, en faisant le deuxième gaz industriel le plus produit au monde.

La polyvalence de l'oxygène est évidente dans tous les secteurs : sidérurgie, synthèse chimique (ammoniac, alcools, plastiques), soudage, thérapies médicales, propulsion de fusées, et plus encore. Refroidi en dessous de –183 °C, l'oxygène liquide devient un puissant oxydant, essentiel pour les fusées à propergol liquide.

Matériaux bruts

L'oxygène commercial est principalement extrait de l'air atmosphérique par deux méthodes principales :

• Distillation cryogénique — compression, refroidissement et fractionnement de l'air pour séparer l'oxygène, l'azote et l'argon.
• Adsorption modulée sous vide (VSA) — utilisation d'adsorbants zéolithiques pour capturer sélectivement l'azote, laissant l'oxygène à 90-93 % de pureté. La VSA est idéale pour les applications de plus petite échelle ou sur site.

D'autres sources incluent la production photosynthétique par les plantes et l'électrolyse de l'eau, cette dernière produisant des gaz très purs mais à un coût énergétique élevé, la rendant adaptée seulement aux applications de niche comme le support vital dans les sous-marins ou vaisseaux spatiaux.

Le processus de fabrication

Voici un aperçu simplifié de la voie de distillation cryogénique, qui produit de l'oxygène à 99 %+ de pureté.

1. Prétraitement

• L'air est comprimé à ~94 psi (650 kPa) et passe dans un refroidisseur à eau pour condenser l'humidité.
• Ensuite, un adsorbeur à tamis moléculaire élimine le CO₂, les hydrocarbures lourds et la vapeur d'eau résiduelle. Des adsorbeurs parallèles permettent un fonctionnement continu pendant que les autres sont régénérés.

2. Séparation

• L'air prétraité entre dans une colonne de fractionnement à haute pression où il est refroidi par une boucle cryogénique. L'oxygène, ayant le point d'ébullition le plus élevé (–183 °C), se liquéfie à la base de la colonne.
• Au sommet, l'azote et l'argon — bouillant à –196 °C et –186 °C respectivement — sont prélevés sous forme de vapeur.
• Le flux d'oxygène liquide, appelé oxygène liquide brut, est davantage sous-refroidi et acheminé vers une colonne à basse pression. Ici, l'azote et l'argon restants sont éliminés, produisant de l'oxygène pur à 99,5-99,8 %.
• Une oxydation catalytique optionnelle élimine les hydrocarbures traces, produisant du CO₂ et de l'H₂O qui sont capturés et évacués.

3. Distribution

• L'oxygène gazeux est acheminé à ~500 psi dans des conduites de 4 à 12 pouces de diamètre vers les consommateurs locaux, couvrant des centaines de kilomètres dans les régions industrielles denses.
• L'oxygène liquide est stocké dans des réservoirs à double enveloppe isolés, utilisant le vide et une isolation semi-solide pour minimiser l'évaporation. Comme l'oxygène liquide a un point d'ébullition élevé, il est généralement expédié dans un rayon de 800 km.

Contrôle qualité

L'association des gaz comprimés (CGA) définit des grades de pureté stricts. Pour le gaz : les grades Type I vont de A (99,0 %) à F (99,995 %). Pour le liquide : les grades Type II utilisent la même lettre mais ont des limites d'impuretés différentes. Les Type I B/C et Type II C (99,5 %) sont les plus courants en sidérurgie et production chimique.

L'avenir

L'exploration spatiale redessine la demande en oxygène. Le satellite Lunar Prospector (1998) a ouvert la voie à l'utilisation des ressources in situ : extraction d'eau du régolithe, électrolyse pour obtenir de l'hydrogène (carburant) et de l'oxygène (support vital). Des fours solaires pourraient aussi libérer de l'oxygène des minéraux lunaires, permettant des colonies lunaires auto-suffisantes.