Comment les métaux sont-ils extraits ? Processus, répercussions et défis futurs

L’extraction de métaux est une énorme activité mondiale, générant 2,5 millions d’emplois, selon la Banque mondiale. Aux États-Unis seulement, les plus de 600 mines produisent plus de 75 000 millions de dollars de minerais par an, dont le cuivre, le nickel et le zinc représentent 40 % de la production mondiale. En fait, c’est une activité qui explique l’histoire du monde, car c’est une activité économique qui a permis le développement de nombreux pays. L’exploitation minière a fourni les ressources nécessaires à la construction d’infrastructures, au développement de l’industrie et du commerce que nous avons aujourd’hui, car les métaux sont utilisés dans tout, de la construction à l’électronique. Mais comment les métaux sont-ils extraits ? Quels sont les principaux enjeux de cette activité pour l’avenir ? Dans cet article, nous donnons quelques clés.

La métallurgie est la science et la technologie des métaux. Elle comprend les procédés d’extraction des métaux de leurs minerais, de purification et d’alliage des métaux et de création de métaux et d’alliages avec les propriétés physiques et chimiques souhaitées. Dans ces processus, l’extraction des métaux de leurs minerais est appelée exploitation minière, par exemple, l’extraction du fer à partir du minerai de fer.

Techniques d’extraction des métaux

Les techniques les plus courantes pour l’extraction des métaux de leurs minerais sont : la pyrométallurgie, l’hydrométallurgie et l’électrométallurgie.

Pyrométallurgie

Il s’agit d’un processus qui utilise des températures élevées pour convertir les minéraux en métaux. Il est utilisé pour extraire une variété de métaux de ses minerais, y compris le cuivre, le nickel, le fer et le plomb.

Il existe différentes opérations au sein de la métallurgie. Une séquence courante consiste à griller le minerai, ce qui implique de le chauffer à l’air pour le convertir en oxyde par la réaction d’un sulfure avec l’oxygène de l’air, en réduisant l’oxyde avec un agent réducteur, qui peut être un gaz, un liquide ou solide, et enfin l’extraction du métal du composé résultant, qui peut être encore affiné en utilisant une variété de méthodes, telles que l’électrolyse en solution aqueuse, la décomposition thermique ou la fusion par zones.

Hydrométallurgie

Il s’agit d’un processus qui utilise des solutions aqueuses pour extraire les métaux de leurs minerais. Les métaux qui peuvent être extraits par hydrométallurgie comprennent le cuivre, l’uranium et l’or.

Les étapes de l’hydrométallurgie sont généralement : le concassage du matériau et le broyage pour obtenir une poudre fine, du mortier avec de l’eau et des produits chimiques pour créer un coulis (liquide qui contient des insolubles fortement divisés en suspension), le pompage des insolubles à travers un réservoir de lixiviation où il est mélangé avec plus de produits chimiques qui éliminent les impuretés, extraction par solvant de cette suspension lixiviée jusqu’à l’obtention d’une solution riche en métaux qui sont ensuite déposés sur des électrodes pour les purifier.

Électrométallurgie

Il consiste à utiliser un courant électrique pour favoriser une réaction chimique entre le métal et le minéral. Les métaux extraits par électrométallurgie sont le zinc, le cadmium, le nickel, le plomb, le cuivre et le cobalt.

Le processus comprend trois étapes principales : l’électrodéposition, au cours de laquelle un courant électrique est appliqué entre deux électrodes immergées dans une solution minérale qui favorise le dépôt de métal sur l’une des électrodes, appelée cathode, la réduction, où le métal déposé sur la cathode est réduite à son état élémentaire, résultat de l’application d’un courant électrique entre la cathode et une seconde électrode appelée anode, et de la purification, dans laquelle le métal réduit est purifié par un procédé appelé électrolyse (il est dissous dans une solution d’acide et un courant électrique est appliqué pour séparer le métal de l’acide).

Comment sont extraits les métaux les plus utilisés au monde ?

Nous avons déjà un aperçu sur les procédés d’extraction les plus courants dans les métaux. Mais nous pouvons nous demander comment fonctionnent ceux qui s’appliquent à deux des métaux les plus utilisés au monde : le fer, l’aluminium et le cuivre. Chacun a ses particularités, que nous vous expliquons ci-dessous.

Comment le fer est-il extrait ?

• 1. La première étape dans le processus d’extraction du fer est la réduction de carbone. Les minerais de fer se trouvent généralement sous forme d’hématite (Fe2O3) ou de magnétite (Fe3O4). L’hématite est généralement rouge, tandis que la magnétite est noire. Pour réduire l’un des minéraux, le carbone doit être introduit dans le système en tant qu’agent réducteur. Les agents réducteurs les plus couramment utilisés dans l’extraction du fer sont le coke (C), le charbon de bois (C) et le gaz naturel (CH4).
• 2. La prochaine étape dans le processus est la réduction du minerai de fer. L’agent réducteur est alimenté dans le haut fourneau par le haut, tandis que le minerai de fer est alimenté par le bas. La chaleur dégagée par la combustion du charbon réduit chimiquement le minerai de fer, produisant du fer pur (Fe) et du dioxyde de carbone (CO2).
• 3. La dernière étape du processus est l’élimination des impuretés de fer. Pour ce faire, le fer est versé dans un récipient appelé convertisseur. Le convertisseur est rempli de calcaire (CaCO3) et de l’air chaud y est injecté. Le calcaire réagit avec les impuretés en les éliminant du fer. Le résultat est du fer pur et des scories (déchets).

Comment l’aluminium est-il extrait ?

Ce n’est pas la première fois que nous expliquons comment la bauxite est extraite pour la production d’aluminium. Dans l’article sur les alliages d’aluminium, par exemple, nous avons déjà présenté les procédés qui composent cette activité. Nous le rappelons ici :

Procédé Hall-Héroult

Le procédé le plus courant pour extraire l’aluminium est le procédé Hall-Héroult, qui implique l’électrolyse. Dans ce procédé, l’alumine (oxyde d’aluminium) est dissoute dans un électrolyte (généralement de la cryolite) puis placée entre les électrodes dans une cellule d’électrolyse. Lorsqu’un courant électrique traverse la cellule, les ions aluminium dans l’alumine sont réduits à la cathode et déposés sur l’électrode, tandis que les ions oxygène sont oxydés à l’anode et se combinent avec l’électrolyte.

Procédé Bayer

Un autre procédé d’extraction de l’aluminium est le procédé Bayer, qui implique une digestion chimique. Dans ce procédé, l’alumine est dissoute dans une solution de soude caustique puis filtrée pour éliminer les impuretés. La solution résultante est refroidie et ensemencée avec de l’hydroxyde d’aluminium, qui précipite hors de la solution et est recueilli.

Comment le cuivre est-il extrait ?

Le procédé d’extraction du cuivre le plus courant est connu sous le nom de pyrométallurgie ou fonderie, dont nous avons déjà parlé avant dans cet article. Dans la fonderie, le minerai de cuivre est chauffé dans un four jusqu’à ce qu’il atteigne une température élevée (plus de 1 000 ºC). A cette température, le minerai se décompose en un liquide fondu et un déchet solide appelé laitier. Le cuivre fondu est ensuite versé dans un moule pour refroidir et se solidifier.

Le cuivre est également extrait par hydrométallurgie. Dans celui-ci, le minerai de cuivre est d’abord broyé puis lessivé avec de l’acide sulfurique. La solution résultante est ensuite traitée avec un solvant pour extraire le cuivre. La solution riche en cuivre est ensuite traitée avec un produit chimique pour précipiter le cuivre hors de la solution. Le cuivre est ensuite filtré et séché.

Une activité aux répercussions environnementales et économiques

Comme nous l’avons vu jusqu’à présent, les procédés et technologies de l’industrie métallurgique sont fortement dépendants de l’énergie, par exemple, dans la génération de hautes températures ou dans les transports, ce qui en fait l’un des plus intensifs en consommation d’énergie de la planète. Ceci, entre autres facteurs, revient aux coûts d’obtention des matières premières, étant l’un des principaux problèmes pour l’avenir de ce secteur. En outre, l’industrie est mise au défi de réduire les émissions de dioxyde de carbone, de dioxyde de soufre et d’autres polluants impliqués dans l’utilisation de températures élevées lors de l’extraction des métaux.

La métallurgie et les ODD

En effet, il est paradoxal que la transition énergétique vers moins d’énergie et plus propre nécessite des technologies qui nécessitent l’utilisation de métaux comme l’acier, dans le cas des éoliennes, des barrages hydroélectriques ou des centrales d’énergie géothermie, ou comme le silicium et le cuivre, dans le cas des cellules photovoltaïques, qui à leur tour doivent générer des températures élevées et générer de grandes quantités d’énergie, comme nous l’avons expliqué dans cet article sur la durabilité de l’acier.

En ce sens, il est probable que l’industrie métallurgique soit affectée par plusieurs des Objectifs de Développement Durable (en anglais, SDGs ou Sustainable Development Goals), y compris l’Objectif 7 (Assurer l’accès à une énergie abordable, fiable, durable et moderne pour tous), l’Objectif 8 (Promouvoir la croissance économique constante, inclusive et durable, le plein emploi productif et du travail décent pour tous), l’Objectif 9 (Construire une infrastructure résiliente, promouvoir l’industrialisation inclusive et durable et favoriser l’innovation) et l’Objectif 12 (Assurer des modes de consommation et de production durables).

• Par exemple, en ce qui concerne l’Objectif 7, l’industrie métallurgique doit trouver des moyens de réduire sa dépendance aux combustibles fossiles et d’augmenter son utilisation des sources d’énergie renouvelables, et à son tour, comme nous l’avons souligné, elle est essentielle pour atteindre cet objectif dans les autres secteurs.
• Dans le cas de l’Objectif 8, le secteur métallurgique devra trouver des moyens de promouvoir une croissance économique durable tout en garantissant le plein emploi productif à tous les travailleurs. Cela peut inclure l’investissement dans des technologies et des pratiques écologiques, le développement de nouveaux produits et services qui répondent aux défis environnementaux et sociaux et la promotion de conditions de travail équitables, en particulier dans les pays où une grande partie des métaux sont extraits, comme la Chine, l’Inde, le Brésil ou la Russie, mais aussi des pays appartenant au bloc le plus privilégié, comme les États-Unis, l’Australie ou le Canada.
• Les changements que la réalisation de l’Objectif 9 peut entraîner se produisent parce que l’industrie métallurgique devient plus efficace et durable, favorisant des changements dans la manière dont les métaux sont produits, traités et utilisés.
• Dans le cas de l’Objectif 12, sa mise en œuvre varie considérablement en fonction du contexte et des circonstances spécifiques de l’industrie métallurgique, mais certains changements potentiels qui pourraient survenir pour y parvenir incluent une augmentation du recyclage et de la réutilisation des métaux, une utilisation plus efficace de l’énergie et des ressources, et le développement de nouvelles technologies et procédés pour réduire les émissions et les déchets.

Ferros Planes, engagés aux défis futurs de la métallurgie

Chez Planes, nous travaillons pour intégrer les changements que les ODD attendent de notre industrie, et nous sommes fournisseurs de matériaux transformés pour des applications telles que les énergies propres, comme la solaire, l’éolien ou l’hydroélectrique.