L’industrie de l’aluminium. Comment obtient-on de l’aluminium de haute pureté?

Ce métal est connu depuis plus de 2000 ans et se caractérise par une large application technique. Alors, à quoi peut-on l’utiliser ? L’aluminium est utilisé dans l’industrie principalement sous forme d’alliages, ce qui améliore ses propriétés d’utilisation. Sous une telle forme, il devient un matériau de construction universel avec une application très polyvalente. Parmi les alliages d’aluminium, on distingue les alliages de fonderie et les alliages utilisés pour le formage plastique. En plus de l’aluminium, des éléments tels que le cuivre, le magnésium, le silicium et le manganèse entrent dans leur composition. Les alliages d’aluminium sont utilisés, entre autres, dans l’aviation, l’industrie chimique, l’industrie automobile et même dans la construction navale. L’aluminium est largement utilisé dans l’industrie également sous sa forme pure. Sous cette forme, il est utilisé pour la production de divers objets d’usage quotidien, tels que des miroirs, des canettes de boissons et de nourriture, des ustensiles de cuisine ou des feuilles d’aluminium communément appelées. Il est également utilisé pour la production d’équipements chimiques, de fils électriques et même d’explosifs. Pour isoler cet élément du minerai de bauxite, il est nécessaire de réaliser deux étapes. Le premier d’entre eux est le procédé Bayer, qui permet d’obtenir de l’oxyde d’aluminium à partir du minéral. Le composé est ensuite soumis à une électrolyse, ce qui entraîne la production d’aluminium de haute pureté.

De quoi est composé l’aluminium ?

L’aluminium pur n’est pas naturellement présent dans la nature en raison de sa capacité à passiver. Ce phénomène implique l’oxydation du métal en présence d’air, résultant en une couche protectrice passive à sa surface. Dans le cas de l’aluminium, il est d’abord recouvert d’une couche d’oxyde d’aluminium (Al ₂ O ₃ ) de quelques nm d’épaisseur. Ensuite, sous l’influence de l’humidité, la couche externe subit une hydrolyse partielle, qui forme en outre de l’hydroxyde, c’est-à-dire Al(OH) ₃ . L’aluminium fait partie de diverses roches minérales trouvées dans la nature sous forme de minerais. Pour produire de l’aluminium pur, on utilise principalement des minerais de bauxite argileuse. Ils apparaissent le plus souvent dans les lieux d’altération des roches aluminosilicates dans un climat chaud et contiennent également des composés de fer. Ce sont des roches de couleur rouge ou brune caractéristique, qui se présentent sous deux variétés : silicate et carbonate.

Production d’aluminium de haute pureté

L’aluminium de haute pureté (plus de 99%) est obtenu industriellement à l’issue de deux procédés consécutifs. Dans le premier on obtient de l’oxyde d’aluminium (procédé Bayer), et dans l’étape suivante on procède à un procédé de réduction électrolytique (procédé Hall-Héroult), grâce auquel on obtient de l’aluminium pur. En raison de la réduction des coûts associés au transport du minerai de bauxite, la plupart des usines de traitement sont construites à proximité des mines.

Le processus Bayer

La première étape après l’extraction du minerai consiste à le laver à l’eau. De cette manière, la plupart des impuretés solubles dans l’eau sont éliminées. Ensuite, CaO, ou oxyde de calcium, est ajouté à cette matière première préparée. Ensuite, il est broyé à l’aide de broyeurs à tubes spéciaux jusqu’à ce que les grains aient un très petit diamètre, c’est-à-dire inférieur à 300 μm. Il est extrêmement important de broyer finement la matière première, car elle fournit une surface spécifique de grains suffisamment grande, ce qui se traduit à son tour par un processus d’extraction plus efficace. L’étape suivante de la production d’oxyde d’aluminium est la dissolution des grains avec une solution aqueuse de soude caustique. Dans le Groupe PCC, la soude est produite par électrolyse membranaire. Le produit ainsi obtenu se caractérise par une qualité et une pureté inhabituellement élevées, tout en répondant aux exigences de la dernière édition de la Pharmacopée Européenne. Le mélange contenant des grains moulus et de l’hydroxyde de sodium est stocké pendant plusieurs heures dans des réacteurs spéciaux appelés autoclaves. Pendant le processus de précipitation, une haute pression et une température élevée sont maintenues dans les réacteurs. On obtient ainsi de l’aluminate de sodium qui est ensuite purifié à l’aide de différents filtres. Dans l’étape suivante, la solution purifiée d’aluminate de sodium se décompose. En conséquence, on obtient de la lessive de soude (il s’agit d’une solution aqueuse de soude caustique) et des cristaux d’hydroxyde d’aluminium d’un haut degré de pureté. Le précipité obtenu par cristallisation est ensuite filtré et lavé à l’eau. À son tour, la lessive de soude restante est chauffée et recyclée pour être réutilisée dans le processus. La dernière étape de la production d’oxyde d’aluminium est la calcination. Il consiste à chauffer l’hydroxyde d’aluminium à une température supérieure à 1000 ^o C, ce qui entraîne sa décomposition en Al ₂ O ₃ , qui est obtenu sous la forme d’une poudre blanche pure. L’oxyde d’aluminium ainsi préparé est transporté vers des fours afin d’obtenir de l’aluminium métallique dans le processus de réduction électrolytique.

Électrolyse de l’oxyde d’aluminium

La prochaine étape pour obtenir de l’aluminium pur consiste à effectuer le processus d’électrolyse en utilisant la méthode Hall – Héroult. Tout d’abord, l’Al ₂ O ₃ obtenu dans le procédé Bayer est fondu avec de la cryolite puis subit une électrolyse à une température ne dépassant pas 900°C. L’aluminium liquide ainsi obtenu est séparé de l’électrolyte et retiré des bains électrolytiques au moyen de ce que l’on appelle des siphons à vide. La matière première est ensuite envoyée vers un dispositif de fonderie, où elle est ensuite introduite dans des fours chauffés dans lesquels se déroule le processus d’affinage. Il consiste à purifier l’aluminium afin d’obtenir sa pureté maximale. L’aluminium peut être purifié industriellement en utilisant deux méthodes. La première consiste à faire fondre de l’aluminium et à y faire passer du chlore , grâce auquel les impuretés sont liées sous forme de chlorures et éliminées du processus. La deuxième méthode implique la réduction électrolytique de l’alliage aluminium-cuivre. Le produit final ainsi obtenu se caractérise par une très grande pureté.

Aluminium – le matériau du futur

Le développement d’une méthode de production d’aluminium pur à partir de bauxite par le procédé Bayer et l’électrolyse Hall-Héroult a élargi l’application de cet élément. De plus, en raison de la combinaison de la haute résistance et de la légèreté de l’aluminium, dans certaines applications, il peut remplacer l’acier plus coûteux. De plus, en raison de sa résistance aux intempéries, l’aluminium est utilisé pour la production de profilés de fenêtres et de portes. Un autre avantage est la possibilité de pouvoir le recycler à plusieurs reprises, ce qui en fait un matériau relativement respectueux de l’environnement. En résumé, l’aluminium est un matériau extrêmement polyvalent, largement utilisé dans les industries alimentaires, énergétiques, chimiques, des transports, de la construction, de l’automobile et de l’aérospatiale. En raison de ses nombreux avantages, la portée de son utilisation n’est probablement pas encore épuisée et l’aluminium continuera de gagner en popularité dans un proche avenir.