Fabriquer de l’acier vert à partir de boue rouge
La boue rouge – une boue fortement alcaline et potentiellement toxique générée en énormes quantités par la production d’aluminium – pourrait être transformée en un matériau de construction sûr et utile grâce à un nouveau processus de réduction à base de plasma d’hydrogène. La méthode, développée par des chercheurs allemands, offre une source verte de fer qui pourrait être utilisée dans la fabrication de l’acier, et pourrait également être utilisée pour extraire d’autres métaux de terres rares précieux.
L’aluminium est l’un des matériaux les plus demandés au monde, utilisé dans de nombreux domaines, des structures de génie civil aux carrosseries de véhicules légers en passant par les emballages alimentaires. Pour produire de l’aluminium métallique, l’alumine (oxyde d’aluminium) doit d’abord être purifiée de la bauxite, une roche sédimentaire. Ceci est généralement réalisé à l’aide du procédé Bayer, dont la première étape consiste à chauffer avec de l’hydroxyde de sodium pour dissoudre l’alumine et former de l’aluminate de sodium. La boue rouge en est le sous-produit, et le retard d’environ 4,5 milliards de tonnes augmente de 180 millions de tonnes chaque année. « Dans certains pays, c’est absolument choquant : ils le déversent directement dans la jungle », déclare Dierk Raabe de l’Institut Max Planck de recherche sur le fer à Düsseldorf. « En Europe, nous le mettons dans d’immenses bassins. » En 2010, l’effondrement de l’un de ces bassins a conduit à une catastrophe tristement célèbre en Hongrie, qui a fait 10 morts et coûté près de 100 millions de livres sterling pour le nettoyage.
Il n’y a pratiquement pas de recyclage industriel des boues rouges, note Raabe. Les efforts visant à développer de tels procédés impliquent le frittage du matériau en céramique pouvant être utilisée dans la construction. Mais à l’heure actuelle, seuls 3 % des matériaux sont recyclés – ce que Raabe souhaite changer. «En principe, nous disons que vous souhaitez en extraire toute la valeur métallique», dit-il.
La composition exacte de la boue rouge varie en fonction de la source de bauxite : elle contient souvent des traces de métaux de terres rares précieux tels que l’yttrium et le scandium et des métaux lourds potentiellement toxiques tels que le cadmium et le chrome ainsi que de l’alumine n’ayant pas réagi. Cependant, une constante – et la source de la couleur rouge – est le métal le plus utilisé au monde : le fer. La production de fer pose également un grave problème de durabilité, car sa production à partir de minerai de fer implique l’utilisation de coke comme réducteur, qui libère d’énormes quantités de dioxyde de carbone.
Un processus sans carbone réduisant la boue rouge pour libérer le fer offrirait donc une solution bipartite alléchante, et c’est quelque chose que l’équipe de Raabe vise à réaliser en utilisant la chimie du plasma. Les chercheurs ont placé des échantillons de boue rouge dans un four à arc électrique avant d’injecter un mélange d’hydrogène et d’argon. Ils ont ensuite utilisé une décharge de 200 A pour faire fondre simultanément l’échantillon et ioniser l’hydrogène, le forçant à réagir avec le fer. Le fer métallique résultant, qui s’est séparé chimiquement des sous-produits d’oxyde, était plus pur que celui d’un haut fourneau typique et pouvait être utilisé directement pour la fabrication de l’acier. Après avoir répété la procédure six fois, les chercheurs ont extrait 2,6 g de fer métallique de 15 g de boue rouge, soit environ 98 % de la limite théorique.
La « véritable avancée », explique Raabe, est la réduction sélective d’un oxyde complexe en phase mixte tel que la boue rouge et l’extraction d’un produit cible unique, presque pur. «Nous avons effectué quelques calculs thermodynamiques pour montrer dans quel spectre d’énergie d’excitation nous devions travailler pour extraire le fer et non les autres éléments», explique-t-il. «Le fer est le matériau le plus facile à extraire.» À l’avenir, Raabe souhaite étendre la technique pour voir si les traces d’éléments de terres rares présentes dans certaines boues rouges peuvent également être extraites.
Le processus pourrait être très économe en énergie, explique Raabe, car la réaction entre les radicaux hydrogène et les oxydes est exothermique. Par conséquent, une fois le plasma allumé, la réaction fournit l’énergie nécessaire pour maintenir les oxydes en fusion et le seul apport d’énergie nécessaire est l’électricité pour entretenir l’arc. Contrairement au coke, celui-ci peut être produit de manière renouvelable. Si l’hydrogène est également renouvelable, le processus devient véritablement zéro carbone, mais Raabe reconnaît que pour produire tout l’acier requis chaque année par ce processus, il faudrait 10 000 fois plus d’hydrogène vert que ce qui est actuellement disponible dans le monde. Il souligne cependant que l’utilisation d’un procédé plasma utilise le moins d’hydrogène possible en maximisant sa réactivité. Il estime également que la possibilité de produire de manière renouvelable un produit final précieux pourrait contribuer à rendre la détoxification de la boue rouge économiquement viable.
Ray Peterson, directeur de la technologie de la société américaine de recyclage d’aluminium Real Alloy, est impressionné par les résultats scientifiques, mais prévient que le processus est encore loin d’être appliqué industriellement. « Ils ont montré que le processus est possible, ils ont un sous-produit qui semble inerte, ils extraient du fer, donc tout va bien », dit-il. « Pour que le processus fonctionne, ils auront besoin d’électricité et d’hydrogène bon marché, ce que tout le monde veut en ce moment, mais qui n’est pas disponible »,
« Le problème est que vous êtes en concurrence avec des procédés conventionnels déjà existants pour fabriquer du fer », ajoute Peterson. « Certes, ils ont tous une empreinte carbone, mais jusqu’à ce que nous obtenions une taxe carbone ou une autre incitation à emprunter cette voie (les possibilités d’utiliser ce processus sont) seront probablement limitées », conclut-il.
