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Jean-Louis Vignes - Paris de Sciences : 55èmes journées nationales de l'UdPPC – 26-29/10/2007
Du minerai au matériau
PLAN
- Le cycle de l'élément chimique et le développement durable
- Exemple du zinc :
- Exploitations minières (http://www.sfc.fr/donnees/acc.htm)
- Traitements physiques des minerais
- Grillage (BUP n°766, sept 1994)
- Acier zingué (expériences, BUP 790-91, janv-fév 1997)
- Pyrométallurgie
- Hydrométallurgie (expériences, BUP 770, janv 1995)BUP 857, oct 2003
Jean-Louis Vignes - Paris de Sciences : 55èmes journées nationales de l'UdPPC – 26-29/10/2007
Évolution de la consommation de pétrole(millions de barils/jour)
Du minerai au matériau
Élément chimique et développement durable
Jean-Louis Vignes - Paris de Sciences : 55èmes journées nationales de l'UdPPC – 26-29/10/2007
Évolution de la production d’acier brut
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Mill
ions
de
tonn
es
Du minerai au matériau
Élément chimique et développement durable
Jean-Louis Vignes - Paris de Sciences : 55èmes journées nationales de l'UdPPC – 26-29/10/2007
Évolution de la production d’acier brut
0
200
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1200
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1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Mill
ions
de t
onne
s
0
100
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300
400
500
600
700
800
1950 1955 1960 1965 1970 1975
Mill
ions
de
tonn
es
1973 2007
Du minerai au matériau
Élément chimique et développement durable
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Évolution des réserves de pétrole au cours du temps
302,4721970
Rapport(années)
Production (109 t)
Réserves (109 t)
901970 - 2000
434,21802004
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Élément chimique et développement durable
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Exemple de l'or (en t)
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Élément chimique et développement durable
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écorce terrestre gisements éléments teneur
(g.t-1) masse (1012t)
teneur (g.t-1)
réserves (106t)
extraction annuelle (106t/an)
écorce/ extraction (106 an)
réserves/ extraction (années)
Al 81 300 15 000 250 000 5 000 23 641 217 Fe 50 000 9 000 600 000 70 000 685 13 102 Mn 1 000 180 500 000 380 11 16 35 Cr 200 36 350 000 810 17 2 48 Zn 132 24 100 000 220 9 2,6 24 Ni 80 14 20 000 62 1,4 10 44 Cu 70 13 20 000 470 14,5 0,9 32 W 69 13 10 000 3 0,06 216 50 Sn 40 7 4 000 6 0,25 28 24 Co 23 4 10 000 7 0,05 80 140 Pb 16 3 60 000 67 3 1 22 U 4 0,8 2 000 3,5 0,04 20 88 Hg 0,5 0,1 20 000 0,1 0,002 50 50 Ag 0,1 0,02 100 0,3 0,02 1 14 Au 0,005 0,001 10 0,042 0,002 0,4 17
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Élément chimique et développement durable
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Exemple de l'or
17 ansRéserves
2,8.106 ansMasse contenue / extraction annelle2,5Extraction (103 t/an)
426.1061.106Masse contenue (103 t)
10 00045Teneur moyenne (mg.t-1)
gisementsmerécorceterrestre
Stock accumulé : 129 000 t (dont banques : 33) sur un total de 152 000 t extraites
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Élément chimique et développement durable
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Exemple du cuivre, aux Etats-Unis, en 2002, en millions de t
55 ansStock de métal/consommation (Etats-Unis)
2,4Consommation annuelle (2004)
15En décharge
117Mobilisé dans des applications
32 ansRéserves minières/consommation (monde)
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Sur terre, il y a un stock "donné" de cuivre
Décomposé en :
- Partie mobilisée dans des applications
- Partie usée prête à être recyclée
- Partie "en terre"
Etat chimique :
- Métallique
- Métallique/oxydé
- Oxydé
Notion d'élément chimique
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Élément chimique et développement durable
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Pour les utilisations des substance minérales (non énergétiques) :- la nature de l'élément est fondamental- lors de ses transformations l'élément ne disparaît pas- l'élément se trouve dans différents stades d'un cycle.
Pour les utilisations des substance énergétiques- on s'intéresse à l'énergie libérée lors d'une combustion :
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O(g) ∆rH° = - 810 kJ.mol-1
- les produits formés ne présentent plus d’intérêt énergétique- lors de leur utilisation, leur fonction associée (fournir de l'énergie)
disparaît.
Comparaison substance minérales / substances énergétiques
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Élément chimique et développement durable
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Comparaison substance minérales / substances énergétiques
Substances minérales : le stock (l'élément) reste quasi immuable
Substances énergétiques : elles sont consommées 100 000 fois plusvite qu'elles sont produites
Réel problème de développement durable
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Élément chimique et développement durable
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Substances minérales
- Nécessitant peu d'énergie lors de leur mise en œuvre :NaCl, CaCO3…
- Consommant de l'énergie lors de leur transformation :métaux…
Réel problème de développement durable
Du minerai au matériau
Élément chimique et développement durable
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0
200
400
600
800
1000
1200
1950 1960 1970 1980 1990 2000
Années
Mill
ions
de
t Production d'acier
Extraction minière de fer
Importance économique du recyclage- Taux de recyclage de quelques métaux :
- plomb : 82 %- aciers : 52 %- zinc : 26 %- étain : 19 %
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Élément chimique et développement durable
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Exemples de recyclages, aux Etats-Unis, en 2003
- 17 millions de véhicules soit 13 millions de t d'acier : taux 102 %
- 50 milliards de canettes en aluminium : taux 50 %, vitesse 2 mois
- Vitesse de recyclage de l'aluminium dans les transports : 25 ans
- Vitesse de recyclage des fers à béton : 70 ans
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Élément chimique et développement durable
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Épuisement des ressources minérales ?
Mais des difficultés peuvent provenir :
- d'une pénurie d'énergie nécessaire à leur exploitation
- de problèmes conjoncturels
- L'élément métallique reste présent
- Les stocks de ressources sont considérables
- Pour une application donnée les éléments peuvent se substituer
- Les matériaux sont de plus en plus performants
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Élément chimique et développement durable
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Monopoles de production
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Élément chimique et développement durable
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Exemple de monopole de production : le tungstène
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Élément chimique et développement durable
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Prospective
Du minerai au matériau
Élément chimique et développement durable
Imaginons que la population mondiale consomme comme celle despays développés.Quelles en seraient les conséquences, hors problèmes énergétiques etenvironnementaux, pour les substances minérales ?
Fer : Corée du sud : 1 t/ha/an Monde : 10.109 t/an Réserves : 70.109 t
Zinc : Etats-Unis : 4 kg/ha/an Monde : 40.106 t/an Réserves : 220.106 t
Stock : 9.1015 t
Stock : 24.1012 t
actuel. : 1.109 t/an
actuel. : 10.106 t/an
Prospective
Élément chimique et développement durable
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Années10 100
Consommation
Extraction minière
Recyclage
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Le zinc
- Exploitations minières (http://www.sfc.fr/donnees/acc.htm)
- Traitements physiques des minerais
- Grillage (BUP n°766, sept 1994)
- Acier zingué (expériences, BUP 790-91, janv-fév 1997)
- Pyrométallurgie
- Hydrométallurgie (expériences, BUP 770, janv 1995)BUP 857, oct 2003
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Du minerai au matériau
Plan
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Du minerai au matériau
Mines de plomb – zinc en activité (173)
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Du minerai au matériau
Chimie et formation des gisements
- La nature accumule dans un gisement des composés chimiquement proches
- gisements de potasse : NaCl - KCl- gisements de sulfures métalliques : Fe, Zn, Pb, Ni, Cu… - As
- Le rôle de la métallurgie extractive sera de trier ou extraire les éléments valorisables ou d’éliminer les éléments indésirables qui ont des propriétés physiques et/ou chimiques proches
- gisements de bauxite : AlO(OH) et FeO(OH)
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Exemple de gisement en formation
Les fumeurs noirs des dorsales sous-marines
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Les minerais de zinc
- Jusqu’à la fin du XIXème siècle : extraction de la smithsonite
- Actuellement : extraction quasi-exclusive de la blende (ZnS) origine du nom : "décevant" appelée également sphalérite ("trompeur")
- Teneur des minerais "tout venant": de 4 à 20 %
- Autres éléments présents : Pb, Fe, Cu, Ag, Au, Bi, Sb, As… sources de Cd, Ge, In…
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Mine de Red Dod (Alaska)
- Exploité à ciel ouvert par Cominco- Ressources : 146 Mt à 15,9 % Zn, 4,4 % Pb +
80 g/t Ag- Production 2005 : 3 Mt de minerai donnant 568 000 t Zn, 102 000 t Pb + 61,3 t Ag
- Gisement découvert en 1968
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Du minerai au matériau
- Exploitée à ciel ouvert et souterrain par Xstrata- Production Pb-Zn 2006 : 4,7 Mt (6,6 % Zn, 3,9 % Pb, 80,4 g/t Ag)- Production Cu : 6,2 Mt à 3,4 % Cu
Century
Les mines australiennes
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Concentration des minerais
- Réalisée près de l'exploitation minière
Exemples de concentration
65 %0,3 – 0,5 %U60 – 70 %0,1 – 0,5 %Sn50 – 70 %1 – 10 %Pb50 – 60 %3 – 20 %Zn25 – 55 %0,5 – 6 %Cu
50 % (Cr2O3)10 – 30 % (Cr2O3)Crminerai marchandtout venantélément
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Concentration des minerais
- en général mise en œuvre de procédés physiques - gravimétrie : Au, PbS…
- magnétisme : Fe3O4…- flottation : systématique pour les sulfures
- conséquence : conservation de la nature chimique des composés présents dans le minerai
- exception : U
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Du minerai au matériau
Concentration des minerais
Opération préalable ou toute concentration
Libération des particules valorisables
: ZnS
: PbS
: CuFeS2
: FeS2
Au,Ag
gangue
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Concentration des minerais
Libération des particules valorisables par broyage
100 µm 200 µm30 µm
Dimension desparticules valorisables
S = 90 %
%
courbe de répartition granulométrique
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La flottationPrincipe
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La flottation
Schéma d'uneflottation différentielle
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Du minerai au matériau
Ensemble de cellules de flottation de lamine de zinc de Century (Australie)
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Du minerai au matériau
Exemple de résultat de flottation différentielle
1,60,782,5rejet
52,10,510,3conc. Zn
3,670,97,2conc. Pb
6,95,7100tout venantZnPb
teneurs %% masse
produits
- Minerai : blende, pyrite, galène dans gangue de calcite et dolomie
- Broyage à 170 µm
0,15 g/t0,3 g/tAs0,01 g/t0,2 g/tSb70 g/t800 g/tAg
00,02 %Bi0,007 %0Sn11,1 %6,0 %Fe0,15 %0Cd0,5 %1,0 %Cu0,5 %70,9 %Pb31,5 %16,7 %S52,1 %3,6 %Zn
conc. Znconc. PbÉléments
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Exemple de formule simplifiée de vente de concentrés de plomb
0,5 à 3 % : 1 % Pb3 à 5 % : 2 % Pb
5 %0,5 %Sn
Teneur déduite de Pb5 %1 %Sb
x $/t par % >1 %5 %0,5 %As
1 % Pb par 1 % Zn14 %10 % de PbZn
6 % Pb par 0,01 % Bi0,1 %0,01 %Bi
limitetolérée
pénalitésteneurimpuretés
V = 0,95.P.T/100 + 0,98.p.t – F
avec :
- P : cours de Pb- T : teneur du concentré en Pb- p : cours de Ag- t : teneur du concentré en Ag en g/t- F : frais de fusion métallurgique
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Du minerai au matériau
Le grillageMinerai : ZnS Concentré : ZnS
Le soufre est un poison pour les métauxil doit être éliminé avant les opérations métallurgiques
~ 300°C
métal
Le soufre ségrège aux joints de grains les fragilisant et entraînantdes ruptures intergranulaires
si S > ~ 50 ppm
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Du minerai au matériau
Le grillage
Autres difficultés liés à la présence du soufre
- en pyrométallurgie : SO2 se forme en présence de CO2
- en hydrométallurgie :
ZnS + 2 H+ → H2S + Zn2+
ZnS + 2 H+ + ½ O2 → Zn2+ + H2O + S
ZnSH+
Zn2+
S ZnS
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Du minerai au matériau
Le grillage
Concentré : ZnS, FeS2, PbS, CuFeS2, HgS, CdS…
Principale réaction de grillage :
ZnS + 3/2 O2 → ZnO + SO2 ∆rH° = - 460 kJ.mol-1
Après grillage (calcine) : ZnO, ZnSO4, Fe2O3, ZnFe2O4, PbO, CuO…
Autres réactions
ZnS + 2 O2 → ZnSO4
ZnO + 2 FeS + 7/2 O2 → ZnFe2O4 + 2 SO2
Les métallurgistes sont aussi producteurs d'acide sulfurique
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Du minerai au matériau
Le grillage
ZnS + 2 O2 → ZnSO4
ZnO + 2 FeS + 7/2 O2 → ZnFe2O4 + 2 SO2
Autres réactions
Réaction favorisée par des basses températures
Formation de ferrite favorisée par de hautes températures
Les conditions de grillage sont fonction du procédé métallurgique
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Du minerai au matériau
Le grillage pour pyrométallurgie
la pyrométallurgie est réalisée dans un four
viser la résistance mécaniqueet la porosité de la charge
frittage partiel
travail à haute température
minerai
gaz réducteur
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Du minerai au matériau
- travailler à haute température :- favorise le frittage- favorise la formation de ferrite- décompose le sulfate de zinc
- les produits liquides gênent le grillage - tfusion PbS = 1100°C
- grillage vers 1000°C avec contrôle de l'élévation de température
- la réaction de grillage est fortement exothermique
SO2
O2
ZnSs
ZnOs
dZnS=4,10 dZnO= 5,61apparition porosité
O2
SO2ZnSs
ZnOs
si PbSliq
fermeture porosité
Le grillage pour pyrométallurgie
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Du minerai au matériau
Machine à agglomérer Dwight et Lloyd
Le grillage pour pyrométallurgie
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Du minerai au matériau
l'hydrométallurgie est effectuée en solution après dissolution
privilégier la vitesse de dissolution
maintenir la finesse des particules
travail à basse température
Le grillage pour hydrométallurgie
éviter le frittage
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Du minerai au matériau
Le grillage pour hydrométallurgie
- travailler à basse température :- maintien la finesse initiale du concentré- favorise la formation de sulfate- défavorise la formation de ferrite
- la réaction de grillage est fortement exothermique
- procédé utilisé pour éviter le frittage : la fluidisation
- grillage vers 900°C
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Du minerai au matériau
Le grillage pour hydrométallurgie
grillage en lit fluidisé
four de la société Outukumpu
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Le grillage au laboratoire
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Du minerai au matériau
Nature des composés présents après grillage
Principalement des oxydes
Pour Zn, exemple de répartition dans une calcine obtenue en lit fluidisé :- oxyde : 82,6 %- sulfate : 5,8 %- sulfure : 1,1 %- ferrite : 10,5 %
Hg et Se, volatils sont éliminés
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Du minerai au matériau
La pyrométallurgie du zinc
Droites d'Ellingham de Zn
Zn + O2 → ZnO∆rG(T) = ∆rG°(T) - RT.ln(pO2/p°)
∆rG°(T) = ∆rH°(T°) - T.∆rS°(T°)
Particularités de Zn :
- tfusion = 419°C
- tébullition = 907°C
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Du minerai au matériau
∆rG°(T) = ∆rH°(T°) - T.∆rS°(T°)
La pyrométallurgie du zinc
Diagramme d'Ellingham
Pourquoi la réduction de ZnOpar C est-elle possible au-dessus
de 937°C ?- thermodynamique
- Zn est gazeux
C
CO
ZnO
Zng
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Du minerai au matériau
La pyrométallurgie du zinc
Réduction par le carbone
- au-dessus de 937°C :
ZnO + C = Zng + CO
- au dessous de 937°C :
Zng + CO = ZnO + C
lors de son refroidissementZn se réoxyde
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Du minerai au matériau
La pyrométallurgie du zinc
Réduction par le carbone
Chauffage du four : C + O2 = CO2
CO2 oxyde Zng
Le four doit être chaufféde l'extérieur
Four à moufle
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Du minerai au matériau
La pyrométallurgie du zinc
Réduction par le carbone
Zng doit être isolé de CO le plusrapidement possible
Zn gazeux est condensé dans une pluie de Zn liquide
Four à creuset vertical
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Du minerai au matériau
La pyrométallurgie du zinc
Réduction par CO
- au-dessus de 1275°C
ZnO + CO = Zng + CO2
- au dessous de 1275°C :
Zng + CO2 = ZnO + CO
lors de son refroidissementZn se réoxyde
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Du minerai au matériau
La pyrométallurgie du zinc Réduction par CO
Procédé Imperial smelting
- four de type haut fourneau
- permet de récupérer :- Pb- Au, Ag
- Zng est condensé dans Pbl
- chauffage interne- présence de CO2
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Du minerai au matériau
La pyrométallurgie du zinc
Réduction par CO
- séparation Zn – Pb par liquation
- masse Pb = 420 fois masse Zn
- obtention de zinc d'œuvre à 98,5 %
- nécessité d'un raffinage
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Du minerai au matériau
La pyrométallurgie du zincRaffinage
Procédé New Jersey
Du minerai au matériau
Expériences
- L'hydrométallurgie du zinc
- L'acier zingué
Jean-Louis Vignes - Paris de Sciences : 55èmes journées nationales de l'UdPPC – 26-29/10/2007
Du minerai au matériau
L'hydrométallurgie du zinc
Décomposée en 3 étapes successives :
- la lixiviation
- la purification
- l'électrolyse
Principe
ZnO + 2 H+ → H2O + Zn2+
anode cathode+ 2 e-
2 H+ + ½ O2 + 2 e- Zn
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Du minerai au matériau
L'hydrométallurgie du zinc
la lixiviation
choix de la solution lixiviante
- oxydes basiques acide
- quel acide choisir ?- non oxydant HCl, H2SO4
H2SO4- non gênant pour l'électrolyse finale- bon marché- de plus production interne lors du grillage
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Du minerai au matériau
L'hydrométallurgie du zinc
la lixiviation
- réalisée avec H2SO4 2 mol.L-1, vers 60°C
- lors de la lixiviation : 1ère purification
élimination des composés insolubles : Au, Ag, PbSO4, SiO2
- dissolution de la ferrite : emploi de H2SO4 concentré à 95°C
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Du minerai au matériau
L'hydrométallurgie du zinc
Hydroxyde pHSb (III) < 0Sn (II) 2Fe (III) 2In (III) 3,6Al (III) 4,0Cu (II) 5,2Zn (II) 6,5Fe (II) 7,0Ni (II) 7Co (II) 7,5Cd (II) 8Mn (II) 8,5
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2ème purification : élimination de Fe
pH de début de précipitation de divers hydroxydes
pH = 14 –1/zpKs – 1/z log[Mz+]
avec [Mz+] = 1 mol.L-1
- oxydation de Fe (II) en Fe (III)
- augmentation du pH à 5- comment procéder sans ajouter de nouvellesimpuretés ?
- ajout de calcine : ZnO + H+
Du minerai au matériau
L'hydrométallurgie du zinc
2ème purification : élimination de Fe
problème de la floculation de l'"hydroxyde" de fer (III)
- l'"hydroxyde" de fer (III) reste en suspension stable
- difficile à éliminer par décantation ou filtration
- changement de la nature du précipité : procédé "à la jarosite"
6Fe3+ + 4SO42- + 2NH4
+ + 6H2O → Fe6(OH)12(SO4)4(NH4)2 + 12 H
la jarosite est le témoin de la présence d'eau sur Mars
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Du minerai au matériau
L'hydrométallurgie du zinc
2ème purification : élimination de Fe
- Élimination de : Fe, Al, Ga, In, Sb, Sn, As, Ge et Cu partiellement
- Composition de la solution après la 2ème purification
Zn2+ Mg2+ Mn2+ Cu2+ Cd2+ Co2+ Ni2+
150g.L-1
5 à 15g.L-1
2 à 10g.L-1
0,1 à 1g.L-1
0,1 à 0,5 g.L-1
1 à 20 mg.L-1
2 à 10 mg.L-1
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Du minerai au matériau
L'hydrométallurgie du zinc
E°(V)
Zn2+ Zn
H+ H2
Cu2+ Cu
Mn2+ Mn
Cd2+ Cd
Co2+ CoNi2+ Ni
3ème et dernière purificationcémentation
- Comment réduire Cu2+, Ni2+, Co2+, Cd2+ sansapporter de nouvelles impuretés ?
- à l'aide de Zn
- c'est une réaction liquide-solidequi impose une grande surface de réaction
- poudre fine de Zn : 30 µm
- obtention d'un cément traité par ailleurs
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Du minerai au matériau
L'hydrométallurgie du zinc
Purifications résumées surun diagramme potentiel - pH
Concentrations maximales admissiblesavant électrolyse
Zn
Cu
Fe
Impuretés Teneur maximale(mg.L-1)
Ge 0,001Sb 0,1Ni 0,2 Co 0,2Cd 2Fe 10
(2 à 10)
(1 à 20)
(100 à 500)
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Du minerai au matériau
L'hydrométallurgie du zinc
l'électrolyseà la cathode à l'anode
Zn2+ + 2 e- → Zn H2O → 2 H+ + ½ O2 + 2 e-
cathode en Al anode en Pb
AlZn2+
Zn Pb
E°(V)
H+ H2
Pb2+ Pb
H+
Pb2++ SO42-
PbSO4Al2O3pH = 5
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Du minerai au matériau
L'hydrométallurgie du zinc
courbes intensité – potentiel(tracées à pH = 0)
sur Znsur Zn
H2 H+
sur Pb
- 0,90- 0,761,23
I
VENH (V)
H2O O2
ired
iox UAC – R.I
1,85
hH2 hO2
Zn Zn2+
- tension : 3,2 à 3,7 V- densité de courant : 400 à 700 A.m-2
- obtention Zn à 99,995 %
E°PbO2/PbSO4 = 1,69 V
l'électrolyse
obtention de Zn possible grâce à la surtension de H2 sur la cathodeJean-Louis Vignes - Paris de Sciences : 55èmes journées nationales de l'UdPPC – 26-29/10/2007
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L'hydrométallurgie du zinc
l'électrolyse
Hall d'électrolyse de l'usine Umicore de Balen (Belgique)- 140 cellules avec par cellule :
- 96 cathodes- 97 anodes- surface électrodes : 3,2 m2
- production : 740 t/jour
- durée de dépôt : 40 h
Un homme debout
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Du minerai au matériau
Les utilisations du zinc
En 2003, dans le monde
Zingage : 47 %
Laitons : 19 %
autres alliagesde fonderie :
16 %
Chimie : 7 %demi-produit :7 %
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Du minerai au matériau
Le zinc dans le bâtiment
- Utilisé pour les gouttières, toits de Paris depuis le baron Haussmann
- Un décret du 25 juillet 1862 du préfet de police de Parisrend le zinc obligatoire pour réaliser les gouttières
- En France, par an, utilisation, en couverture, de 1 million de m2 defeuilles de Zn
- Coefficient de dilatation du zinc : 39,7 µm.m-1.K-1
- Utilisation d'un alliage de Zn (99,995 %) + 0,1 % Cu + 0,2 % TiJean-Louis Vignes - Paris de Sciences : 55èmes journées nationales de l'UdPPC – 26-29/10/2007
Du minerai au matériau
Le zinc dans le bâtiment
La corrosion atmosphérique du zinc
- en présence de dioxygène humide :
Zn + 1/2 O2 + H2O Zn(OH)2
formation de "rouille blanche"
- en présence d'air atmosphérique
5 Zn(OH)2 + 2 CO2 Zn5(OH)6(CO3)2 + 2 H2O
protection du zincvitesse moyenne de corrosion en atmosphère rurale : 1 µm/an
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Du minerai au matériau
Zn4SO4(OH)6
- en présence d'une atmosphère polluée par SO2
formation de sulfite et sulfate de zinc
soluble
Le zinc dans le bâtiment
La corrosion atmosphérique du zinc
vitesse moyenne de corrosion en atmosphère urbaine : 2 µm/an
vitesse moyenne de corrosion en atmosphère industrielle : 10 µm/an
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Du minerai au matériau
Le zinc dans le bâtiment
La corrosion atmosphérique du zinc
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Du minerai au matériau
Les alliages de zinc
- laitons - avec Cu : de 5 à 45 %masse de Zn
- jusqu'à 33 % mas. de Zn :solution solide cfc (CuZn20 : pourinstruments de musique)
- > 33 % Zn : diphasé avec unephase dure (CuZn40 : pourserrurerie, robinetterie)
- couleur varie avec teneur en Zn :du rose au jaune
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Du minerai au matériau
L'acier zinguéE°(V)
Zn2+ Zn
H+ H2
Fe2+ Fe
A ZnFe2 e-i
H2O
H2Zn2+
2 H2O + 2 e- H2 + 2 OH-
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Du minerai au matériau
eau + ions hexacyanoferrate III+ phénolphtaléine
L'acier zingué
La corrosion de l'acier
½ O2 + H2O + 2 e- 2 OH-O2
Fe Fe2+ + 2 e-
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Du minerai au matériau
L'acier zingué
La corrosion de l'acier
Fe
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ZnFe
Protection cathodique de l'acier par anode sacrificielle
Du minerai au matériau
L'acier zingué
Élaboration
La galvanisation L'électrozingage
dans Zn fonduTf Zn = 419°C
produits finis demi-produitsépaisseur de zinc
70 µm 10 µm 10 µm
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Du minerai au matériau
L'acier galvanisé
L'interface Fe / Zn
phase composé dureté(MPa)
épaisseur (%)
eta Zn 300-500 20-30zéta FeZn13 1800-2700 50
delta FeZn7 2500-4500 20-30
gamma FeZn3 4500-5500 1-2acier Fe 1200-1500
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Du minerai au matériau
L'acier galvanisé
Conséquences
- bonne résistance aux chocs, à l'abrasion
- difficultés de déformation
- inadaptation pour les demi-produits
- ajout de Al (0,16 à 0,20 %) : forme un alliage Fe2Al5qui inhibe la formation des alliages Fe-Zn
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Du minerai au matériau
L'acier galvanisé
Pour faciliter le mouillage de l'acier par le zinc
- ajout de Pb : 0,02 à 0,14 %
- donne le "fleurage" de l'acier galvanisé
- pour l'automobile : élimination du fleurage- pas de Pb
- ensemencement par de fines particules de Zn
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Du minerai au matériau
L'acier galvanisé
Préparation de la surface de l'acier
surface réelle d'un acier
acier
oxydeshuile, graisses
molécules adsorbées
poussières
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Du minerai au matériau
Préparation de la surface de l'acier
- dégraissage : Na2CO3 + NaOH + détergents + tensioactifs
- décapage : HCl 3 à 6 mol.L-1 + inhibiteurs
- fluxage : Zn(NH4)2Cl4
Lors de la galvanisation
Zn(NH4)2Cl4 → ZnCl2,NH3 + NH3 + 2 HCl
FeO + 2 HCl + NH3 → FeCl2,NH3 + H2O
ZnO + 2 HCl + NH3 → ZnCl2,NH3 + H2O
L'acier galvanisé
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Du minerai au matériau
L'acier galvanisé
Installations industriellesde galvanisation au trempé Masse de zinc : jusqu'à 800 t
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Du minerai au matériau
L'acier galvanisé
Galvanisation en continu de demi-produits
Florange (Arcelor)
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Du minerai au matériau
L'acier électrozingué
Principe
ZnFe
Zn2+Zn
+-
solution aqueuse desulfate de zinc
- à l'anode : Zn → Zn2+ + 2 e-
- à la cathode : Zn2+ + 2 e- → Zn
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Du minerai au matériau
L'acier électrozingué
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Du minerai au matériau
Exemples d'utilisations du zinc
Le zinc dans l'automobile
Dans une automobile, il y a en moyenne 10,2 kg de Zn
- 4,9 kg d'alliages de fonderie
- 3,2 kg de zingage
- 0,5 kg dans les pneus (100 g de ZnO par pneu)
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