Extraction du cuivre

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La métallurgie extractive du cuivre est l’ensemble des opérations permettant la fabrication de cuivre métallique à partir du minerai, ou plus rarement à partir de déchets métallurgiques recyclés contenant du cuivre (plus de 30 % du cuivre consommé en 2005 est recyclé[1]).

La source la plus commune de minerai de cuivre est la chalcopyrite (CuFeS2) qui représente plus de 50 % de la production mais on le trouve également sous forme de sulfures dans la tétraédrite, la bornite et l'énargite et sous forme d'oxyde dans la cuprite et dans la malachite, l'azurite, la chalcocite. Dans une large mesure, les oxydes de cuivre et les sulfures sont naturellement séparés. Aussi il n'est généralement pas nécessaire de séparer les oxydes et les sulfures dans le minerai.

La teneur en cuivre dans les minerais varie de 0,5 % à 5 %. Elle est de 0,01 % dans les roches volcaniques et 0,0055 % dans les roches cristallines. Pour des raisons environnementales et économiques, de nombreux sous-produits sont récupérés. Le dioxyde de soufre gazeux par exemple est transformé en acide sulfurique qui est lui-même utilisé dans le processus d'extraction.

Formation du minerai primaire[modifier | modifier le code]

Les minerais de cuivre se forment quand les solutions géothermales, riches en métaux dissous, remontent à la surface, et en s'amalgamant avec d'autre métaux, précipitent en se déposant en veine à travers la roche. Le cuivre se dépose en sulfure de cuivre ou même en métal. Au cours de milliers d'années, l'air ou l'eau finit par pénétrer et oxyder le minéral.

Les minéraux de cuivre les plus communs en zone hydrothermale sont :

Oxydation[modifier | modifier le code]

Les sulfures de cuivre peuvent être oxydés. Par des solutions acides, le soufre et le fer sont remplacés par des carbonates et hydroxydes. Les Fe peuvent être éliminés, suivant les types de minerais, sous forme de sulfate de fer soluble ou encore sous forme de goethite, limonite

Les plus courant minéraux de cuivres obtenus sont :

Enrichissement[modifier | modifier le code]

Certains minéraux peuvent ensuite précipiter à cause des eaux hydrothermales et donner des :

Extraction[modifier | modifier le code]

Mines[modifier | modifier le code]

Dans la préhistoire, les mines étaient à ciel ouvert, la prospection restait donc simple. L'âge du cuivre est la première évolution d'outils en métal, dans une période parfois différenciée sous le nom de chalcolithique. Il ne s'agit au départ que de cuivre utilisé à l'état natif, simplement martelé pour lui donner une forme : à ce stade, on l'utilise plus comme une pierre malléable que comme un métal. La teneur en cuivre des gisements était de l'ordre de 90 %. Il n'y avait aucune extraction et le cuivre était mis en forme dans son état natif.

Des gisements de minerai de cuivre ont été découverts, il y a 4 700 ans, dans le Sinaï par les Égyptiens, lors d'une expédition du pharaon Smerkhet.

Aujourd'hui les sources de cuivre sont plus discrètes et difficiles à trouver. Des gisements de chalcopyrite sont exploités intensivement au Canada, Zambie, au Katanga en République démocratique du Congo, Au Mali Kazakhstan, Mauritanie, Pologne, et aux États-Unis, dans les états d'Arizona, du Montana, du Nouveau-Mexique, et Utah. Une des plus grandes mines du monde se trouve à Chuquicamata, dans le désert d'Atacama au Chili. La malachite (une pierre verte opaque) est exploitée dans la région de Lubumbashi dans l'Est du Congo. À l'heure actuelle, la teneur en cuivre des gisements riches est de l'ordre de 4 %. La plus grande mine de cuivre à ciel ouvert du monde est située sur l'île de Bougainville; elle est fermée depuis 1989 à la suite de sabotages effectués par l'Armée révolutionnaire de Bougainville.

Extraction hydrométallurgique[modifier | modifier le code]

La voie hydrométallurgique pour l'extraction du cuivre est de plus en plus privilégiée en raison de

  • son coût énergétique moindre ;
  • des frais d'investissements faibles ;
  • la possibilité de traiter les minerais in situ (cas de la lixiviation en tas) ;
  • la mise en continu des procédés d'extraction.

La plupart des minerais de cuivre extraits aujourd'hui sont des sulfures de métal telle que la chalcopyrite. Il est possible de dissoudre dans l'eau ces sulfures par plusieurs voies.

Une première solution consiste simplement à libérer les ions Cu2+ en arrosant un tas de minerai par de l'acide sulfurique. Ce procédé s'applique néanmoins principalement aux minerais oxydés. Les minerais sulfurés peuvent être grillés (oxydés) et entrer dans ce processus de fabrication.

La seconde solution a pour but d'oxyder les minerais sulfurés par lixiviation bactérienne (Thiobacillus ferrooxidans) dans un environnement fortement oxydant (acide sulfurique). Le mode de fonctionnement est de type catalytique. L'oxydation de cuivre en ion cuivrique est accélérée par les bactéries. Ces dernières se nourrissent de dioxyde de carbone et ont la particularité de pouvoir vivre dans un environnement très hostile. Pour la lixiviation bactérienne, des phases alternées de lavage (à l'eau) de repos et d'arrosage (à l'acide) sont nécessaires afin de maintenir l'activité des bactéries. On notera enfin que ces bactéries sont présentes naturellement dans le tas et il n'est pas nécessaire de les cultiver pour les introduire.

Extraction pyrométallurgique[modifier | modifier le code]

graphe temporel des parts de divers procédés
Évolution des procédés utilisés dans la métallurgie extractive du cuivre, par rapport au nombre de fonderies les utilisant dans le monde.

Le chauffage dans divers fours tels que les fours de grillage (en), le haut fourneau ou le four à réverbère, le four à arc électrique, la fusion flash (en) permet de réduire et fondre le cuivre, qui peut être ensuite affiné par un convertisseur (procédé Manhès-David).

Au milieu du XXe siècle, le haut fourneau subi la concurrence du four à réverbère. En effet, bien que doté d'une excellente efficacité thermique, il ne peut fondre que des minerais rocheux, qui constituent un lit perméable aux gaz. À l'inverse, le four à réverbère est efficace avec les minerais fins, de moins bonne qualité, qui, sans agglomération, colmateraient les hauts fourneaux. Mais début du XXIe siècle, la fusion flash s'impose face au four à réverbère, d'abord à cause de considérations écologiques, puis à cause des économies d'énergie qu'elle permet. Pendant le choc pétrolier de 1973, elle le supplante définitivement, assurant plus de 60% de la production de cuivre[2].

Affinage électrométallurgique[modifier | modifier le code]

Pour un article plus général, voir Électrolyse.

Le cuivre issu des procédés d'affinage pyrométallurgiques, appelé blister, contient moins de 1 % d'éléments indésirables. Ceux-ci ont une forte influence sur les propriétés électriques ou thermiques du cuivre. Une électrolyse est réalisée afin de retirer ces éléments, dont certains sont précieux (or, argent, …}.


Notes et références[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]