Zinc

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Décrire les étapes de l’élaboration du zinc à partir du minerai, notamment la concentration, le roastage et la réduction. - Expliquer les principes du procédé thermique (four à réduction directe, procédé Imperial Smelting) et du procédé électrolytique (électrolyse du sulfate de zinc). - Réaliser un bilan matière simple pour une unité de production de zinc et en déduire les consommations de réactifs et d’énergie. - Identifier les risques majeurs liés à chaque étape (poussières, gaz toxiques, hautes températures, courants électriques) et appliquer les consignes de sécurité et d’hygiène en vigueur au Cameroun. - Utiliser le vocabulaire professionnel propre à l’affinage minier (concentré, roast, électrolyse, cathode, anode, etc.). **Prérequis :** - Notions de chimie générale (oxydo‑réduction, équilibres thermodynamiques, solubilités). - Connaissances de base en métallurgie extractive (minerais, concentration, pyrométallurgie, hydrométallurgie). - Règles de sécurité en atelier (port des EPI, manipulation de produits dangereux, prévention des incendies). --- ## Introduction Le zinc est un métal essentiel pour l’industrie camerounaise : il entre dans la fabrication de galvanisation, d’alliages (laiton, zamak), de piles et de produits chimiques. Au Cameroun, les gisements de sulfure de zinc (sphalérite, ZnS) sont exploités principalement dans la région de l’Est. Le traitement du minerai suit deux grandes voies : la voie thermique, qui transforme le concentré en métal par réduction à haute température, et la voie électrolytique, qui produit du zinc pur à partir d’une solution de sulfate. Ce chapitre présente, de façon concise mais complète, les opérations unitaires associées à chaque voie, en insistant sur les aspects techniques, les normes de sécurité et les exemples chiffrés pertinents pour le contexte professionnel camerounais. --- ## I. Élaboration du zinc et obtention de l’oxyde (Leçon 14) ### 1. Minerai de zinc et ses caractéristiques Le minerai le plus fréquent est la sphalérite (ZnS), souvent associée à des sulfures de plomb (galène) et de fer (pyrite). Sa teneur en zinc varie de 30 % à 55 % en poids. Avant toute transformation, le minerai subit une **concentration** par flottation afin d’obtenir un concentré contenant généralement 50 %–55 % de Zn, avec moins de 1 % de Pb et de Fe. > **Concentré de zinc : produit de la flottation, teneur en Zn ≥ 50 %, humidité ≤ 8 %.** ### 2. Concentration du minerai (rappel) Le minerai broyé (< 0,1 mm) est mis en suspension avec des collecteurs (xanthates), des moussants et des modificateurs de pH (souvent de la chaux). Après aération, les particules de ZnS se fixent aux bulles d’air et forment une mousse qui est écumée. Les résidus (stériles) sont évacués en queue de flotteur. ### 3. Roastage (calcination) pour obtenir l’oxyde de zinc Le concentré est introduit dans un **four de roastage** (souvent un four à lit fluidisé ou un four rotatif) où il est chauffé entre 800 °C et 950 °C en présence d’air. La réaction principale est : ``` 2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂ ``` Le gaz SO₂ est capté par une unité d’absorption (absorption à l’ammoniac ou procédé du double contact) pour produire de l’acide sulfurique, valorisé localement. Le produit solide obtenu est l’oxyde de zinc (ZnO), également appelé « zinc blanc ». > **Roastage : opération thermique oxydante qui transforme le sulfure de zinc en oxyde de zinc avec libération de SO₂.** ### 4. Réduction de l’oxyde de zinc (voie thermique) L’oxyde de zinc peut être réduit par du carbone (coke, charbon) ou par du monoxyde de carbone provenant du gaz de haut fourneau. Deux procédés industriels sont utilisés au Cameroun : #### a. Procédé à réduction directe (four électrique ou four à charbon) Réaction globale : ``` ZnO + C → Zn + CO ``` Le four fonctionne à 1200 °C–1300 °C sous atmosphère réductrice. Le zinc métallique, ayant un point d’ébullition de 907 °C, se vaporise et est condensé dans un système de refroidissement (condenseurs à contre‑courant). Le gaz de sortie (CO + CO₂) est recyclé après épuration. #### b. Procédé Imperial Smelting (four à double fonction) Le concentré de zinc est mélangé à du coke et du calcaire, puis introduit dans un four où se produisent simultanément le roastage et la réduction. Le zinc liquide est recueilli au fond du four, tandis que le plomb forme une phase séparée. Ce procédé permet de traiter des minerais plomb‑zinc complexes. > **Réduction du ZnO : ZnO + C → Zn + CO (ΔH ≈ + 350 kJ mol⁻¹ à 1200 °C).** ### 5. Sécurité, hygiène et normes - **Poussières de ZnO** : irritantes respiratoires ; port de masques à filtration P3 et aspiration locale. - **SO₂** : gaz toxique, corrosif ; détecteurs fixes, systèmes de lavage à l’eau ou à l’ammoniac. - **Températures élevées** : risques de brûlures ; vêtements ignifuges, gants résistants à la chaleur, zones d’exclusion clairement signalées. - **Normes camerounaises** : arrêté n° 001/MINESEC du 12 janvier 2022 relatif aux émissions de SO₂ dans les unités de roastage (limite 200 mg/Nm³). --- ## II. Production du zinc par voie thermique et électrolytique (Leçon 15) ### 1. Procédé thermique (four à réduction directe) Après le roastage, l’oxyde de zinc est alimenté en continu dans un **four à réduction directe** (souvent un four à chariot tournant). Le fonctionnement se décompose en trois zones : | Zone | Température (°C) | Fonction principale | |------|------------------|---------------------| | Pré‑chauffage | 600‑800 | Séparation de l’humidité, pré‑réduction partielle | | Réduction | 1100‑1300 | ZnO + C → Zn + CO (gaz de sortie riche en CO) | | Condensation | 400‑500 | Zn gazeux → Zn liquide (coulée en lingots) | Le zinc liquide est coulé dans des moules en fonte refroidie à l’eau, produisant des lingots de pureté 98,5 %–99,0 %. Les pertes de zinc par volatilisation sont généralement inférieures à 0,5 % lorsqu’un bon réglage du débit de gaz est assuré. > **Rendement thermique typique : 92 %–95 % de Zn récupéré dans le lingot.** ### 2. Procédé électrolytique (électrolyse du sulfate de zinc) Ce procédé est privilégié lorsqu’on recherche une pureté supérieure à 99,9 % (zinc électrolytique). Il comporte trois étapes principales : 1. **Lixiviation** du roast (ZnO) avec de l’acide sulfurique dilué (10 % H₂SO₄) : ``` ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O ``` La solution obtenue contient 150 g L⁻¹ de Zn²⁺ et contient des impuretés (Fe, Cu, Pb) qui sont éliminées par précipitation (sulfure d’ammonium, hydroxyle de fer). 2. **Purification** de la solution par échange d’ions ou précipitation sélective ; pH maintenu entre 4,5 et 5,0 pour éviter la précipitation du Zn(OH)₂. 3. **Électrolyse** dans une cuve à anode en plomb‑argent et cathode en aluminium ou en acier inoxydable. Réactions : - Anode : 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ - Cathode : Zn²⁺ + 2 e⁻ → Zn (s) La densité de courant typique est de 250 A m⁻², la tension de cellule entre 3,0 V et 3,5 V. Le zinc déposé se détache sous forme de feuilles qui sont ensuite fondues en lingots. > **Courant d’électrolyse : 250 A m⁻² ; tension cellule : 3,0‑3,5 V ; rendement courant : 90 %‑95 %.** ### 3. Comparaison des deux voies | Critère | Voie thermique | Voie électrolytique | |---------|----------------|---------------------| | Pureté du Zn | 98,5 %‑99,0 % | ≥ 99,9 % | | Consommation d’énergie | 3,5‑4,0 MWh t⁻¹ Zn (chaleur) | 2,8‑3,2 MWh t⁻¹ Zn (électricité) | | Emissions principales | SO₂ (capté), CO₂ | O₂ (anode), chaleur résiduelle | | Investissement CAPEX | Moyen (four, condenseurs) | Élevé (cuves électrolytiques, stations de purification) | | Flexibilité | Bonne pour minerais à haute teneur en Pb | Nécessite matière première très pure (ZnO) | | Exemple d’usage au Cameroun | Usine de traitement de minerais plomb‑zinc (ex. région de l’Est) | Projet pilote d’électrolyse de zinc (ex. région du Centre) | ### 4. Exemple chiffré : bilan matière d’une usine de 100 t/j de Zn (voie thermique) **Hypothèses** : - Teneur du concentré en Zn = 52 % (masse). - Rendement global du roastage + réduction = 93 %. - Consommation de coke = 0,45 t coke t⁻¹ Zn produit. - Consommation d’air pour le roastage = 1500 Nm³ t⁻¹ Zn. **Calcul du concentré nécessaire** : \[ \text{Masse de Zn produite} = 100\ \text{t/j} \] \[ \text{Masse de Zn dans le concentré} = \frac{100}{0,93}=107,5\ \text{t/j} \] \[ \text{Masse de concentré requise} = \frac{107,5}{0,52}=206,7\ \text{t/j} \] **Consommation de coke** : \[ 0,45\ \text{t coke/t Zn} \times 100\ \text{t Zn}=45\ \text{t coke/j} \] **Production de SO₂** (stœchiométrie du roastage) : Chaque mole de ZnS donne une mole de SO₂. Masse de ZnS dans le concentré = (100 % ZnS approximatif) → on considère que tout le Zn est sous forme de ZnS. Masse de ZnS = masse de Zn × (M ZnS / M Zn) = 100 t × (97,47/65,38) ≈ 149,1 t/j. Moles de ZnS = 149,1 t / 0,09747 t kmol⁻¹ ≈ 1529 kmol/j. Ainsi, production de SO₂ ≈ 1529 kmol/j × 0,06406 t kmol⁻¹ ≈ 98 t/j de SO₂. Ce SO₂ sera dirigé vers une unité d’absorption produisant de l’acide sulfurique (≈ 150 t/j d’H₂SO₄ pur, soit environ 153 t/j d’acide à 98 %). > **Bilan matière typique (voie thermique) : 206,7 t de concentré, 45 t de coke, 98 t de SO₂ capté pour 100 t de Zn/jour.** ### 5. Sécurité, hygiène et environnement (voie électrolytique) - **Acide sulfurique** : corrosif ; port de gants en néoprène, lunettes de protection, douches de sécurité. - **Gaz d’anode (O₂)** : risque d’enrichissement en oxygène ; ventilation obligatoire, détecteurs d’O₂. - **Courants élevés** : risques d’électrocution ; mise à la terre des cuves, verrouillage des accès pendant la maintenance. - **Déchets** : boues d’hydroxyde de fer provenant de la purification ; stockage en fosse étanche, valorisation possible en matériaux de construction. - **Norme camerounaise** : arrêté n° 004/MINESEC du 08 mars 2023 limitant la concentration de Zn²⁺ dans les effluents liquides à 5 mg L⁻¹. --- ## III. Synthèse du chapitre - Le zinc est obtenu principalement à partir de la sphalérite (ZnS) par concentration, roastage (ZnS → ZnO + SO₂) puis réduction (ZnO + C → Zn + CO) ou électrolyse (ZnSO₄ → Zn + ½ O₂). - Le **roastage** produit du SO₂ qui est capté pour fabriquer de l’acide sulfurique, source de revenu secondaire. - La **voie thermique** donne un zinc de bonne pureté (≈ 99 %) avec une consommation énergétique élevée sous forme de chaleur ; elle convient aux minerais plomb‑zinc complexes. - La **voie électrolytique** fournit un zinc ultra‑pur (> 99,9 %) mais nécessite une solution de sulfate très pure et une consommation d’électricité significative. - Les bilans matière montrent que pour produire 100 t/j de Zn thermique il faut environ 207 t de concentré, 45 t de coke et près de 100 t de SO₂ à traiter. - La sécurité repose sur la maîtrise des poussières, des gaz toxiques (SO₂, O₂), des hautes températures et des courants électriques ; le port d’EPI approprié et le respect des arrêtés camerounais sont obligatoires. - Les deux procédés sont complémentaires : la voie thermique alimente les unités de galvanisation et d’alliages, tandis que la voie électrolytique fournit le zinc destiné aux piles haute performance et aux revêtements spéciaux. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Concentré | Produit de la flottation contenant ≥ 50 % de Zn, humidité ≤ 8 %. | | Roastage | Opération d’oxydation thermique du sulfure de zinc en oxyde de zinc avec libération de SO₂. | | Réduction directe | Procédé où l’oxyde de zinc est réduit par du carbone à haute température pour produire du zinc métallique gazeux. | | Imperial Smelting | Four à double fonction permettant le roastage et la réduction simultanés de minerais plomb‑zinc. | | Lixiviation | Dissolution de l’oxyde de zinc dans de l’acide sulfurique pour obtenir une solution de sulfate de zinc. | | Électrolyse | Procédé où le Zn²⁺ est réduit à l’état métallique à la cathode tandis que l’eau est oxydée à l’anode. | | Cathode | Électrode où se produit la réduction (déposition du zinc métallique). | | Anode | Électrode où se produit l’oxydation (production d’oxygène à partir de l’eau). | | Boue d’hydroxyde de fer | Résidu de la purification de la solution de sulfate, constitué principalement de Fe(OH)₃. | | Rendement courant | Rapport entre la quantité théorique de zinc déposée et la quantité réellement obtenue lors de l’électrolyse. | | SO₂ | Dioxyde de soufre, gaz toxique produit lors du roastage, capté pour fabriquer de l’acide sulfurique. | | EPI | Équipement de Protection Individuelle (masque, gants, lunettes, vêtement ignifuge). | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Bilan matière d’une unité électrolytique Une usine produit 50 t/j de zinc électrolytique à partir d’une solution de sulfate contenant 150 g L⁻¹ de Zn²⁺. Le rendement courant est de 92 %. **Calculer :** a) Le débit volumique de solution nécessaire (en m³/j). b) Le courant total nécessaire (en A). **Corrigé** a) Masse de Zn à produire = 50 t/j = 50 000 kg/j. Masse de Zn par litre de solution = 150 g L⁻¹ = 0,150 kg L⁻¹. Volume nécessaire = 50 000 kg / 0,150 kg L⁻¹ = 333 333 L ≈ 333 m³/j. b) Réaction cathodique : Zn²⁺ + 2 e⁻ → Zn. Faraday : 1 mol Zn (65,38 g) nécessite 2 F = 2 × 96 485 C = 192 970 C. Moles de Zn à produire par jour = 50 000 kg / 0,06538 kg mol⁻¹ = 764 600 mol/j. Charge théorique = 764 600 mol × 192 970 C mol⁻¹ = 1,476 × 10¹¹ C/j. Courant théorique = Q / (t) où t = 24 h = 86 400 s → Iₜₕ = 1,476 × 10¹¹ / 86 400 ≈ 1 708 A. En tenant compte du rendement courant (92 %) : I = Iₜₕ / 0,92 ≈ 1 856 A. **Réponse** : a) ≈ 333 m³/j de solution ; b) ≈ 1 860 A. ### Exercice 2 – Calcul de la consommation de coke Une usine de roastage‑réduction traite 180 t/j de concentré à 50 % de Zn. Le rendement global du procédé thermique est de 90 %. La consommation spécifique de coke est de 0,40 t coke t⁻¹ Zn produit. **Déterminer la consommation quotidienne de coke (en tonnes).** **Corrigé** Masse de Zn dans le concentré = 180 t × 0,50 = 90 t Zn. Zn réellement produit = 90 t × 0,90 = 81 t Zn/j. Consommation de coke = 81 t Zn × 0,40 t coke/t Zn = 32,4 t coke/j. **Réponse** : 32,4 t de coke par jour. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de vérifier l’étanchéité du four de roastage avant la montée en température. | Fuite de SO₂ vers l’atelier, risque d’intoxication. | Effectuer un test de pression à l’azote à froid ; porter un détecteur de SO₂ personnel pendant la chauffe. | | 2 | Utiliser un coke trop humide dans le four de réduction. | Diminution de la température, augmentation de la consommation d’énergie et formation de dépôts de goudron. | Sécher le coke à < 2 % d’humidité avant l’alimentation ; contrôler l’humidité par pesée. | | 3 | Négliger le réglage du pH lors de la purification de la solution de sulfate (électrolyse). | Précipitation prématurée de Zn(OH)₂, colmatage des filtres, perte de Zn. | Maintenir le pH entre 4,5 et 5,0 avec ajout contrôlé d’acide sulfurique ou de soude ; mesurer toutes les 30 min. | | 4 | Toucher les barres d’anode ou de cathode sous tension lors du changement d’électrodes. | Risque d’électrocution sévère, arrêt de l’installation. | Mettre hors tension, verrouiller le disjoncteur, afficher un signe « Tension » ; utiliser des outils isolés. | | 5 | Stocker les boues d’hydroxyde de fer à l’air libre sans couverture. | Lixiviation de métaux lourds vers les sols et les eaux de pluie. | Stocker les boues dans des bennes étanches, couvrir avec une bâche imperméable, effectuer des analyses de lixiviation mensuellement. | | 6 | Ne pas porter de masque anti‑poussière lors du maniement du concentré de ZnS. | Inhalation de poussières contenant du ZnS et du Pb, risque de pneumoconiose. | Porter un masque à filtration P3 (ou supérieur) et utiliser une aspiration locale au point de transfert. | --- *Fin du cours.*