Bauxite : Le principal minerai d’aluminium
Comparé à l’or, à l’argent, au plomb et au cuivre – des métaux que les gens ont extraits, raffinés et utilisés pendant des millénaires – l’aluminium est un nouveau venu. L’aluminium pur avait plus de valeur que l’or lorsqu’il a été découvert au début du 19e siècle. Il a orné la porcelaine fine de Napoléon III et a été exposé à côté des joyaux de la couronne française à l’exposition de Paris de 1855. Aujourd’hui, l’aluminium est bon marché et abondant, utilisé dans les produits de tous les jours allant des canettes de soda aux jets. La transformation du métal d’un matériau inconnu en métal rare à l’ubiquité en moins de deux siècles est due à deux découvertes cruciales : un minerai d’aluminium abondant – la bauxite – et un processus de raffinage de ce minerai à l’aide d’électricité.
La découverte de bauxite s’est produite près des Baux, en France, un ancien village près de la mer Méditerranée nommé d’après un affleurement rocheux et sculpté dans celui-ci. Le 23 mars 1821, un géologue du nom de Pierre Berthier découvre une matière rougeâtre ressemblant à de l’argile. Il a découvert que la substance, plus tard nommée bauxite d’après le village, était composée d’environ 50 % d’oxyde d’aluminium. Berthier ne s’en rendait pas compte à l’époque, mais il avait découvert le minerai d’aluminium le plus couramment utilisé aujourd’hui – la source de plus de 99 % de l’aluminium industriel.
À peu près au moment où Berthier découvrit la bauxite, les scientifiques européens commençaient à peine à comprendre les propriétés de l’aluminium. Ils avaient longtemps théorisé que le métal existait dans de nombreux composés naturels, mais ils n’avaient jamais vu le métal séparément sous une forme pure. En 1825, quatre ans après la découverte de la bauxite par Berthier, le chimiste néerlandais Christian Oersted réussit à obtenir un morceau d’aluminium métallique impur mais reconnaissable en faisant réagir du chlorure d’aluminium avec du potassium.
Entre 1827 et 1845, le chimiste allemand Frederick Wohler a amélioré la méthode d’Oersted en extrayant une version pure de l’aluminium. Wohler a également documenté de nombreuses propriétés physiques du métal; il a découvert que l’aluminium était léger, malléable et conduisait l’électricité. Parce que le processus était si énergivore et que les matériaux nécessaires étaient si chers, l’aluminium était initialement plus précieux que des métaux comme l’or et le platine. En 1854, le chimiste français Henri Sainte-Claire Deville a créé le premier procédé commercial d’extraction de l’aluminium à partir du chlorure d’aluminium.
L’aluminium pur a eu sa soirée de sortie à l’Exposition Universelle de Paris de 1855. À ce stade, Deville ne pouvait produire que de petites quantités d’aluminium – suffisamment pour fabriquer des barres et de petits objets. Lors de l’exposition, les barres de Deville ont fait sensation, présentées comme « l’argent de l’argile » et exposées à côté des joyaux de la couronne française.
Napoléon a approuvé des aigles impériaux en aluminium pour orner les drapeaux de bataille français. Il l’a également utilisé personnellement. En 1856, Napoléon commande un hochet en aluminium pour son fils, le prince nouveau-né, Eugène Louis Jean Joseph. En 1858, un orfèvre du nom de Charles Christofle offrit à Napoléon un grand centre de table en aluminium commémorant son patronage de Deville. L’empereur a même fourni des couverts en aluminium à ses invités les plus honorés lors des dîners d’État.
Deville a rapidement appris à substituer le sodium moins cher au potassium dans son processus d’extraction de l’aluminium, et le prix de production a chuté régulièrement. De plus, d’autres fabricants en Europe ont compris comment extraire le métal et ont également commencé à produire de l’aluminium. En 1865, le prix de l’aluminium avait chuté de 90 %. Au cours des 20 années suivantes, l’intérêt pour le métal s’est répandu dans toute l’Europe et au-delà. Finalement, le nouveau métal a trouvé son chemin vers les États-Unis – et a même acquis une position de premier plan au sommet du Washington Monument.
La construction du Washington Monument, qui avait été proposée pour la première fois en 1783 par le Congrès continental américain, a finalement commencé en 1848 et s’est terminée en 1884. La dernière phase de la construction consistait à couler une petite pyramide métallique au sommet de l’obélisque. Cet objet était censé agir comme un paratonnerre entre la pointe du monument et une série de paratonnerres internes. Le cuivre, le bronze ou le laiton plaqué de platine étaient les préférences initiales pour la pyramide. Cependant, William Frishmuth, qui a été engagé pour couler la pyramide, connaissait la méthode d’extraction de l’aluminium de Deville et, en fait, il était la seule personne aux États-Unis à l’époque à produire le métal. Frishmuth a demandé s’il pouvait essayer de fabriquer la pyramide à partir du métal encore relativement inconnu. Parce que l’aluminium était connu pour conduire relativement bien l’électricité,
Même si le coût du métal avait considérablement baissé en 1884, sa valeur était toujours égale à celle de l’argent. Et la méthode de Deville nécessitait encore de très grandes quantités d’énergie pour convertir le minerai en aluminium, elle restait donc une denrée précieuse. Les ingénieurs ont donc été chagrinés lorsque la pyramide en aluminium de Frishmuth a fini par coûter plus de trois fois le coût estimé d’une pyramide en cuivre, en bronze ou en laiton.
Après négociation, les constructeurs du monument sont allés de l’avant et ont placé la pyramide en décembre 1884. La pyramide en aluminium était la dernière et couronnement de l’ère de l’aluminium en tant que métal précieux. Le processus de production du métal, ainsi que son prix et ses applications, allait changer radicalement en quelques années.
En 1886, les scientifiques Charles Hall et Paul Louis Toussaint Heroult, travaillant indépendamment, ont inventé un nouveau procédé d’extraction de l’aluminium qui est devenu le modèle standard pour produire le métal au XXe siècle. Dans le procédé Hall-Héroult, l’oxyde d’aluminium est mélangé à de la cryolithe fondue, un fluorure d’aluminium et de sodium. Il est ensuite passé dans un courant électrique qui fait précipiter de l’aluminium pur. D’autres méthodes électrolytiques avaient été explorées avec moins de succès, mais le modèle Hall-Heroult s’est avéré économique en raison d’un générateur électrique commercial inventé par Zenobe Gramme dans la décennie précédente. Enfin, les gens disposaient d’une source d’énergie peu coûteuse suffisante pour libérer de l’aluminium pur à partir d’oxyde d’aluminium – le composé trouvé dans le minerai de Berthier, la bauxite.
Complétant cette découverte, en 1887, le chimiste russe Karl Bayer a inventé une méthode pour extraire l’oxyde d’aluminium de la bauxite. Bayer souhaitait trouver un moyen efficace de fournir de l’oxyde d’aluminium à l’industrie textile, qui utilisait le composé pour teindre les tissus. La méthode de Bayer a dissous l’oxyde d’aluminium du minerai, laissant comme sous-produits la silice, l’oxyde de fer et le dioxyde de titane également présents dans la bauxite. En 1888, Hall a créé la première usine produisant de l’aluminium en utilisant le procédé Hall-Heroult, et plus tard la méthode Bayer a été ajoutée pour produire efficacement des quantités commerciales d’oxyde d’aluminium. L’entreprise de Hall est maintenant connue sous le nom d’Alcoa.
Au XXe siècle, l’industrie moderne de l’aluminium est née. Bien que la technologie ait changé et que le processus ait été intensément étudié, rationalisé et mis à jour, le flux de base de la fabrication de l’aluminium est resté le même. La bauxite est extraite, convertie en oxyde d’aluminium par le procédé Bayer, puis l’aluminium est extrait de cet oxyde par le procédé Hall-Heroult. Les sources françaises de bauxite ont finalement été épuisées; la majorité du minerai provient aujourd’hui d’Australie, du Brésil, de Chine, d’Inde et de la Jamaïque.
L’aluminium est désormais peu coûteux et utilisé quotidiennement par des personnes du monde entier. Nous buvons du soda dans des canettes en aluminium, nous conduisons des voitures et des vélos avec des composants en aluminium, nous volons dans des avions avec une peau en aluminium. Cependant, l’industrie de l’aluminium a continué à rechercher des moyens nouveaux et plus efficaces de produire le métal. La principale dépense liée à la production d’aluminium continue d’être la grande quantité d’énergie nécessaire pour libérer l’aluminium de ses composés naturels. Le recyclage est utile car l’aluminium peut être recyclé avec beaucoup moins d’énergie qu’il n’en faut pour l’extraire de ses minerais naturels, et peu de métal est perdu au cours du processus.
Bauxite : Le principal minerai d’aluminium
En raison de son abondance, de sa teneur élevée en aluminium et de sa disponibilité immédiate pour l’exploitation minière à ciel ouvert, la principale source minérale commerciale d’aluminium pour la fabrication d’aluminium métallique est la bauxite de minerai d’aluminium relativement courante . La bauxite est essentiellement de l’alumine hydratée dans un mélange spécifique au minerai (chaque mine de bauxite est différente) de ses trois formes minérales courantes : gibbsite Al(OH) 3 , boehmite γ-AlO(OH) et diaspore α-AlO(OH), combinées avec de nombreuses impuretés, le plus souvent de l’argile, de la silice, de l’oxyde de fer et du dioxyde de titane.
Une bauxite est souvent définie par son % en poids d’alumine disponible en Al 2 O 3 . La gibbsite et la boehmite sont les sources habituelles d’Al 2 O 3 dans les minerais de bauxite et de diaspore dans une moindre mesure. La limite théorique de teneur en Al 2 O 3 pour la bauxite est de 65,4 %. Ce serait pour Al(OH) 3 pur . En pratique, une bauxite de très haute qualité contiendra, sur une base équivalente d’oxydes, plus de 50 % d’Al 2 O 3 , avec une grande perte au feu (principalement l’eau d’hydratation, également un peu de contenu organique), et quelques pour cent chacun parmi SiO 2 , Fe 2 O 3 et TiO 2. Dans la pratique, les bauxites contenant 50 % d’alumine sont considérées comme de haute qualité, et certaines contiennent aussi peu que 30 % d’Al 2 O 3 . Bien sûr, il existe d’énormes variations entre les mines, mais en termes de qualité de la bauxite, c’est une bonne ligne directrice pour la bauxite de qualité de production typique. La quantité relative des trois phases: gibbsite, boehmite et diaspore est également importante car leurs caractéristiques de dissolution dans le procédé Bayer sont assez différentes. De loin, gibbsite est le moins cher à traiter.
En 1873, l’exploitation de la bauxite débute à Villeveyrac en France. Depuis lors, l’exploitation de la bauxite s’est développée à grande échelle. Dans les années 1960, la production mondiale de bauxite avait atteint 40 millions de tonnes. Il est maintenant d’environ 260 millions de tonnes. En 2016, l’Australie est le premier producteur mondial de bauxite, produisant 80 millions de tonnes. L’Australie produit environ 30% de la bauxite totale du monde. L’Australie exporte plus de 80 % de sa bauxite, le reste étant utilisé principalement pour l’industrie australienne de l’aluminium .
Combien de bauxite reste-t-il sur Terre ? En 2012, l’Australie aurait eu 6,3 milliards de tonnes de ressources économiques démontrées exploitables de bauxite (EDR) et 22% des 28 milliards de tonnes de bauxite EDR connues dans le monde [ 36,37 ] . Ceci est illustré dans le tableau 2.1 . Alors que 28 milliards de tonnes peuvent sembler beaucoup, à 260 millions de tonnes par an, le monde sera à court de réserves de bauxite commercialement viables dans environ 100 ans. Il est inquiétant de noter que la Chine, actuellement le premier producteur mondial d’aluminium, consommera toutes ses réserves de bauxite relativement petites dans 15 ans aux taux de consommation actuels, ce qui représente une opportunité d’exportation pour d’autres pays disposant de réserves plus importantes.
DÉCOUVERTE DE LA BAUXITE PAR PIERRE BERTHIER
Peu connue du grand public, la bauxite est pourtant à l’origine de l’aluminium. Découverte par Pierre Berthier en 1821, dans la colline des Baux, elle fait les belles heures de l’industrie française à partir de 1917 suite à la mise au point de méthodes d’extraction et d’exploitation de l’aluminium qu’elle contient. Aujourd’hui pris dans des enjeux sanitaires et écologiques, l’aluminium reste pourtant un produit omniprésent dans notre quotidien. Outre ses usages industriels, la bauxite se révèle également précieuse dans les sciences de la Terre et du climat, en faisant ainsi un minerai riche d’intérêt.
En 1821, dans le Journal des Mines, Pierre Berthier (1782-1861), minéralogiste et chimiste, professeur à l’École des Mines de Paris puis inspecteur général des mines et membre de l’Académie des sciences, décrit ainsi sa découverte :
“Il existe auprès d’Arles, sur une colline qui porte le nom de colline des Beaux, et tout-à-fait à la superficie du sol, un dépôt considérable de minerai de fer, semblable par son aspect et par son gisement aux minerais de fer dits d’alluvions (…) en ayant envoyé quelques échantillons au laboratoire de l’École pour faire constater sa richesse, je l’ai examiné et j’ai trouvé qu’il était composé d’hydrate d’alumine, mélangé d’oxyde rouge de fer. L’hydrate d’alumine n’ayant pas encore, que je sache, été trouvé en Europe, je crois devoir rapporter les expériences qui m’ont conduit à reconnaitre son existence dans le minerai des Beaux.“
Ces échantillons sont comparables à ceux qu’il avait analysés une année plus tôt, provenant des monts Fouta-Djalon de l’actuelle République de Guinée et publiés dans les Annales des Mines. Berthier n’a pas nommé ce « minerai » dans son article, mais Armand Dufrénoy, en 1856, lui en restitue le nom, beauxite, qui sera corrigé en bauxite par Henri Sainte-Claire Deville en 1861, le dépôt étant situé dans la commune des Baux-de-Provence.
La bauxite est en fait une roche sédimentaire ou résiduelle, formée par altération des sols, en climat chaud et humide, composée d’hydroxydes (hydrates) d’aluminium (boehmite ou diaspore, gibbsite) entre 40 à 60 %, d’oxydes de fer (hématite, goethite), de minéraux argileux (kaolinite) et de minéraux titanés (anatase, rutile). Sa texture et sa minéralogie varient, influencées par les conditions climatiques et de latitude, faisant des couches de bauxite des marqueurs (horizon-repère) paléogéographiques et paléoclimatiques précieux.
Cette roche est riche en minéraux d’aluminium, il restait donc à trouver comment produire l’aluminium métal. En 1854, Sainte-Claire Deville parvient à en produire à partir de l’alumine (oxyde d’aluminium). L’extraction de la bauxite débute en 1860 dans le département du Var.
En 1886, Paul Héroult et l’américain Charles Martin Hall, brevètent le même procédé de production de l’aluminium à partir d’alumine, par électrolyse, (procédé Hall-Héroult), ouvrant la voie à son utilisation industrielle. En 1887 le chimiste Karl-Josef Bayer met au point le « procédé Bayer » d’extraction de l’alumine, toujours utilisé et constamment amélioré. La première usine électrométallurgique française s’installe à Froges (Isère) en 1887. En 1907, la Compagnie des produits chimiques d’Alais et de la Camargue, qui deviendra Pechiney en 1950, construit l’usine de Saint-Jean-de-Maurienne en Savoie, et démarre une grande épopée industrielle.
Jusqu’en 1913, la France est le principal producteur d’aluminium.
La bauxite est répandue sur le globe. Les principales ressources minières, situées en Afrique, Océanie, Amérique Centrale et Asie pour les qualités les plus riches, sont estimées entre 55 et 75 milliards de tonnes. La grande majorité de la bauxite (86%) est produite en Australie, Chine, Guinée, Brésil et Inde, dont la moitié en Australie et en Chine. L’Australie est le premier producteur mondial d’alumine. Il faut 4 à 5 tonnes de bauxite pour obtenir 2 tonnes d’alumine, et en extraire 1 tonne d’aluminium.
La production d’une tonne d’aluminium demande beaucoup d’énergie, mais son bilan carbone est très variable selon la source d’électricité utilisée, entre 1,7 et 23 tonnes de CO2 par tonne d’aluminium primaire. En revanche, ce métal est recyclable indéfiniment sans perdre ses qualités et a un coût énergétique particulièrement réduit par rapport à la production d’aluminium primaire. C’est le métal le mieux adapté à l’économie circulaire et aux exigences de réduction des émissions de CO2.
Pourquoi l’aluminium ? C’est un métal léger, malléable, conducteur, avec de bonnes qualités mécaniques et résistant très bien à la corrosion. Ces propriétés en font le métal des transports (routiers, aériens, maritimes, ferroviaires), des emballages souples ou rigides, du bâtiment et de leur rénovation, de l’électronique, du transport et de la distribution d’énergie (câbles, lignes et bobinages), des loisirs et de la vie quotidienne.
La toxicité de l’aluminium est encore débattue, les études disponibles soulignent qu’une fois de plus c’est la dose qui fait le poison : les pathologies rencontrées sont consécutives à des expositions professionnelles.
Bauxite découverte en France
En 1821, la bauxite, un minerai d’aluminium, est découverte dans le sud de la France près du village des Baux par Pierre Berthier. Ce matériau dur, rougeâtre et argileux contient environ 50 % d’oxyde d’aluminium hydraté avec des impuretés telles que l’oxyde de fer. Elle a été nommée « belleite », du nom du village, par P. A. Dufrenoy (1847), mais changée en « bauxite » par E. H. Sainte-Claire Deville (1861). Au début, il était si difficile d’extraire le métal qu’il avait plus de valeur que l’or. En 1855, une barre d’aluminium est exposée à côté des Joyaux de la Couronne à l’Exposition de Paris. La grande abondance du minerai, et la découverte (1886) de l’affinage électrolytique indépendamment par Charles Hall et Paul Louis Toussaint Héroult rendirent le métal peu coûteux.Pierre Berthier (1782-1861)
Minéralogiste et ingénieur des mines français qui a découvert la bauxite (minerai d’aluminium) le 23 mars 1821 près du village des Baux de Provence dans le sud de la France. Le 24 mai 1806, il rejoint le laboratoire central du Board of Mines. À partir de 1816, il est chef du laboratoire de l’École des Mines et professeur d’essais. Berthier a analysé le kaolin ainsi que des dizaines d’autres minéraux et minerais. Il a recherché des gisements de phosphate précieux pour l’agriculture. Il a publié un traité (1834) de procédures analytiques pratiques qui ont été largement utilisées par d’autres minéralogistes. Dans un autre domaine, Berthier a remarqué – avant Mitscherlich – que l’isomorphisme se produisait par lequel des substances chimiquement différentes pouvaient avoir la même forme cristalline et même co-cristalliser.
https://www.earthmagazine.org/article/march-23-1821-bauxite-discovered/
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/bauxite