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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

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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

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Évolution de la consommation de pétrole(millions de barils/jour)

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Élément chimique et développement durable

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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

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Évolution de la production d’acier brut

0

200

400

600

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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

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tonn

es

1973 2007

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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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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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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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Élément chimique et développement durable

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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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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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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

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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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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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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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Monopoles de production

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Exemple de monopole de production : le tungstène

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Prospective

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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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Plan

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Mines de plomb – zinc en activité (173)

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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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- 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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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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Ensemble de cellules de flottation de lamine de zinc de Century (Australie)

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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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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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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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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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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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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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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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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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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

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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

Du minerai au matériau

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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