Boue rouge

Les boues rouges , plus fréquemment appelées résidus de bauxite , sont des déchets industriels générés lors de la transformation de la bauxite en alumine selon le procédé Bayer . Elles sont composées de divers composés oxydés , notamment les oxydes de fer qui donnent sa couleur rouge. Plus de 97 % de l'alumine produite dans le monde est issue du procédé Bayer ; pour chaque tonne (2 200 lb) d'alumine produite, environ 1 à 1,5 tonne (2 200 à 3 300 lb) de boues rouges sont également produites ; la moyenne mondiale est de 1,23. La production annuelle d'alumine en 2023 était de plus de 142 millions de tonnes (310 milliards de livres), ce qui a donné lieu à la production d'environ 170 millions de tonnes (370 milliards de livres) de boues rouges.

En raison de ce niveau de production élevé et de la forte alcalinité du matériau , s'il n'est pas stocké correctement, il peut constituer un danger environnemental important. Par conséquent, des efforts importants sont investis dans la recherche de meilleures méthodes de stockage et de traitement sûrs, telles que la valorisation des déchets afin de créer des matériaux utiles pour le ciment et le béton .

Plus rarement, ce matériau est également connu sous le nom de résidus de bauxite , boues rouges ou résidus de raffinerie d'alumine . De plus en plus, le nom de bauxite traitée est adopté, en particulier lorsqu'elle est utilisée dans les applications de ciment.

Les boues rouges sont un sous-produit du procédé Bayer, principal moyen de raffinage de la bauxite en vue de la production d'alumine. L'alumine obtenue est la matière première pour la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult . Une usine de bauxite typique produit une à deux fois plus de boues rouges que d'alumine. Ce rapport dépend du type de bauxite utilisé dans le processus de raffinage et des conditions d'extraction.

Plus de 60 opérations de fabrication à travers le monde utilisent le procédé Bayer pour fabriquer de l'alumine à partir de minerai de bauxite. Le minerai de bauxite est extrait, normalement dans des mines à ciel ouvert , et transféré vers une raffinerie d'alumine pour être traité. L'alumine est extraite à l'aide d'hydroxyde de sodium dans des conditions de température et de pression élevées. La partie insoluble de la bauxite (le résidu) est éliminée, donnant naissance à une solution d' aluminate de sodium , qui est ensuite ensemencée avec un cristal d'hydroxyde d'aluminium et laissée refroidir, ce qui provoque la précipitation de l'hydroxyde d'aluminium restant de la solution. Une partie de l'hydroxyde d'aluminium est utilisée pour ensemencer le lot suivant, tandis que le reste est calciné (chauffé) à plus de 1 000 °C (1 830 °F) dans des fours rotatifs ou des calcinateurs à fluides pour produire de l'oxyde d'aluminium (alumine).

La teneur en alumine de la bauxite utilisée est normalement comprise entre 42 et 50 %, mais des minerais présentant une large gamme de teneurs en alumine peuvent être utilisés. Le composé d'aluminium peut être présent sous forme de gibbsite (Al(OH) ₃ ), de boehmite (γ-AlO(OH)) ou de diaspore (α-AlO(OH)). Le résidu présente invariablement une forte concentration d' oxyde de fer qui donne au produit une couleur rouge caractéristique. Une petite quantité résiduelle de l'hydroxyde de sodium utilisé dans le procédé reste avec le résidu, ce qui donne au matériau un pH/une alcalinité élevés, normalement supérieurs à 12. Différentes étapes des processus de séparation solide/liquide recyclent autant d'hydroxyde de sodium que possible du résidu dans le procédé Bayer, afin de réduire les coûts de production et de rendre le processus aussi efficace que possible. Cela réduit également l'alcalinité finale du résidu, ce qui le rend plus facile et plus sûr à manipuler et à stocker.

La boue rouge est composée d'un mélange d'oxydes solides et métalliques . La couleur rouge provient des oxydes de fer , qui peuvent représenter jusqu'à 60 % de la masse. La boue est très basique avec un pH compris entre 10 et 13. Outre le fer, les autres composants dominants comprennent la silice , les composés d'aluminium résiduels non lixiviés et l'oxyde de titane .

Les principaux constituants du résidu après l'extraction du composant aluminium sont des oxydes métalliques insolubles. Le pourcentage de ces oxydes produits par une raffinerie d'alumine particulière dépend de la qualité et de la nature du minerai de bauxite et des conditions d'extraction. Le tableau ci-dessous indique les plages de composition des constituants chimiques courants, mais les valeurs varient considérablement :

Minéralogiquement exprimés, les composants présents sont :

En général, la composition du résidu reflète celle des composants non aluminiques, à l'exception d'une partie du composant silicium : la silice cristalline (quartz) ne réagira pas mais une partie de la silice présente, souvent appelée silice réactive, réagira dans les conditions d'extraction et formera du silicate de sodium et d'aluminium ainsi que d'autres composés apparentés.

Le rejet de boues rouges peut être dangereux pour l’environnement en raison de son alcalinité et de ses composants spécifiques.

Jusqu'en 1972, la société italienne Montedison rejetait des boues rouges au large de la Corse . Cette affaire est importante en droit international régissant la mer Méditerranée .

En octobre 2010, environ un million de mètres cubes (35 millions de pieds cubes) de boues rouges provenant d'une usine d'alumine près de Kolontár en Hongrie ont été accidentellement déversés dans la campagne environnante lors de l' accident de l'usine d'alumine d'Ajka , tuant dix personnes et contaminant une vaste zone. Toute vie dans la rivière Marcal aurait été « éteinte » par la boue rouge, et en quelques jours, la boue avait atteint le Danube . Les effets environnementaux à long terme de la marée noire ont été mineurs après un effort de remédiation de 127 millions d'euros par le gouvernement hongrois.

Les méthodes de stockage des résidus ont considérablement changé depuis la construction des usines d'origine. Au début, la pratique consistait à pomper les boues, à une concentration d'environ 20 % de solides, dans des lagunes ou des étangs parfois créés dans d'anciennes mines de bauxite ou des carrières épuisées. Dans d'autres cas, des retenues ont été construites avec des barrages ou des digues , tandis que pour certaines opérations, des vallées ont été endiguées et les résidus déposés dans ces zones de rétention.

Autrefois, il était courant de déverser les boues rouges dans les rivières, les estuaires ou la mer par pipelines ou par barges. Dans d’autres cas, les résidus étaient expédiés en mer et éliminés dans des fosses océaniques profondes à plusieurs kilomètres des côtes. Depuis 2016, tout déversement dans la mer, les estuaires et les rivières a été arrêté.

L'espace de stockage des résidus s'étant épuisé et les inquiétudes concernant le stockage humide ayant augmenté, depuis le milieu des années 1980, l'empilage à sec a été de plus en plus adopté. Dans cette méthode, les résidus sont épaissis jusqu'à obtenir une boue de haute densité (48 à 55 % de solides ou plus), puis déposés de manière à se consolider et à sécher.

Un procédé de traitement de plus en plus populaire est la filtration, qui produit un gâteau de filtration (généralement avec une teneur en humidité de 23 à 27 %). Ce gâteau peut être lavé à l'eau ou à la vapeur pour réduire l'alcalinité avant d'être transporté et stocké sous forme de matériau semi-séché. Les résidus produits sous cette forme sont idéaux pour la réutilisation car ils ont une alcalinité plus faible, sont moins chers à transporter et sont plus faciles à manipuler et à traiter. Une autre option pour garantir un stockage sûr consiste à utiliser des amphirols pour déshydrater le matériau une fois déposé, puis à le « conditionner » à l'aide d'équipements agricoles tels que des herses pour accélérer la carbonatation et ainsi réduire l'alcalinité. Les résidus de bauxite produits après filtration sous presse et « conditionnement » comme décrit ci-dessus sont classés comme non dangereux au titre de la directive-cadre sur les déchets de l'UE.

En 2013, Vedanta Aluminium , Ltd. a mis en service une unité de production de poudre de boue rouge dans sa raffinerie de Lanjigarh à Odisha , en Inde , la décrivant comme la première du genre dans l'industrie de l'alumine, s'attaquant aux principaux risques environnementaux.

Depuis que le procédé Bayer a été adopté industriellement pour la première fois en 1894, la valeur des oxydes restants a été reconnue. Des tentatives ont été faites pour récupérer les principaux composants – en particulier les oxydes de fer . Depuis le début de l'exploitation de la bauxite , de nombreux efforts de recherche ont été consacrés à la recherche d'utilisations pour les résidus. De nombreuses études sont désormais financées par l'Union européenne dans le cadre du programme Horizon Europe . Plusieurs études ont été menées pour développer les utilisations des boues rouges. On estime que 3 à 4 millions de tonnes (6,6 à 8,8 milliards de livres) sont utilisées chaque année dans la production de ciment, dans la construction de routes et comme source de fer. Les applications potentielles comprennent la production de béton à faible coût, l'application aux sols sableux pour améliorer le cycle du phosphore , l'amélioration de l'acidité du sol , le recouvrement des décharges et la séquestration du carbone .

Des études décrivant l'utilisation actuelle des résidus de bauxite dans le clinker de ciment Portland , les matériaux cimentaires supplémentaires/ciments mélangés et les ciments spéciaux à base d'aluminate de calcium (CAC) et de sulfo-aluminate de calcium (CSA) ont été largement étudiées et documentées.

• Fabrication de ciment , utilisation dans le béton comme matériau cimentaire supplémentaire. De 500 000 à 1 500 000 tonnes (1,1 à 3,3 milliards de livres).
• Récupération de matières premières de composants spécifiques présents dans les résidus : production de fer, de titane, d'acier et de terres rares (éléments rares ). De 400 000 à 1 500 000 tonnes ;
• Couverture de décharge/routes/amélioration des sols – 200 000 à 500 000 tonnes ;
• Utilisation comme composant dans les matériaux de construction (briques, tuiles, céramiques, etc.) – 100 000 à 300 000 tonnes ;
• Autres (réfractaires, adsorbants, drainage minier acide (Virotec), catalyseur, etc.) – 100 000 tonnes.
• Utilisation dans les panneaux de construction, les briques, les briques isolantes expansées, les tuiles, le gravier/ballast ferroviaire, les engrais à base de calcium et de silicium, le recouvrement des décharges/la restauration des sites, la récupération des lanthanides (terres rares), la récupération du scandium , la récupération du gallium , la récupération de l'yttrium , le traitement du drainage minier acide, l' adsorbant des métaux lourds , les colorants, les phosphates, le fluorure, les produits chimiques de traitement de l'eau, les vitrocéramiques, les céramiques, le verre expansé, les pigments, le forage pétrolier ou l'extraction de gaz, la charge pour le PVC , le substitut du bois, les géopolymères , les catalyseurs , le revêtement par projection plasma de l'aluminium et du cuivre, la fabrication de composites titanate d'aluminium- mullite pour les revêtements résistants aux hautes températures, la désulfuration des gaz de combustion , l'élimination de l'arsenic, l'élimination du chrome.

En 2015, une initiative majeure a été lancée en Europe avec des fonds de l' Union européenne pour aborder la valorisation des boues rouges. Une quinzaine de doctorants ont été recrutés dans le cadre du réseau européen de formation (ETN) pour la valorisation zéro déchet des résidus de bauxite. L'accent sera mis sur la récupération du fer, de l'aluminium, du titane et des terres rares (y compris le scandium ) tout en valorisant les résidus en matériaux de construction. Un partenariat européen d'innovation a été formé pour explorer les options d'utilisation des sous-produits de l'industrie de l'aluminium, BRAVO (Bauxite Residue and Aluminium Valorisation Operations). Ce partenariat visait à réunir l'industrie, les chercheurs et les parties prenantes pour explorer les meilleures technologies disponibles pour récupérer des matières premières critiques, mais n'a pas abouti. En outre, un financement européen d'environ 11,5 millions d'euros a été alloué à un programme de quatre ans débutant en mai 2018 et visant à étudier les utilisations des résidus de bauxite avec d'autres déchets, RemovAL. L'un des objectifs particuliers de ce projet est l'installation d'usines pilotes pour évaluer certaines des technologies intéressantes issues d'études de laboratoire précédentes. Dans le cadre du projet H2020 RemovAl, il est prévu d'ériger une maison dans la région d'Aspra Spitia en Grèce qui sera entièrement réalisée à partir de matériaux provenant de résidus de bauxite.

Français D'autres projets financés par l'UE qui ont impliqué la récupération des résidus et des déchets de bauxite ont été ENEXAL (ENergy-EXergy of ALuminium industry) [2010-2014], EURARE (European Rare earth resources) [2013-2017] et trois projets plus récents sont ENSUREAL (ENsuring SUstainable ALumina production) [2017-2021], SIDEREWIN (Sustainable Electro-winning of Iron) [2017-2022] et SCALE (SCandium - ALuminium in Europe) [2016-2020], un projet de 7 millions d'euros visant à étudier la récupération du scandium à partir des résidus de bauxite.

En 2020, l’Institut international de l’aluminium a lancé une feuille de route visant à maximiser l’utilisation des résidus de bauxite dans le ciment et le béton.

En novembre 2020, le projet de recherche ReActiv : Industrial Residue Activation for Sustainable Cement Production a été lancé, financé par l'UE. L'une des plus grandes entreprises de ciment au monde, Holcim , en coopération avec 20 partenaires dans 12 pays européens, a lancé l'ambitieux projet ReActiv (reactivproject.eu) d'une durée de 4 ans. Le projet ReActiv créera une nouvelle chaîne de valeur symbiotique durable, reliant les sous-produits de l'industrie de production d'alumine et l'industrie de production de ciment. Dans ReActiv, des modifications seront apportées à la fois à la production d'alumine et à la production de ciment de la chaîne, afin de les relier grâce aux nouvelles technologies ReActiv. Ces dernières modifieront les propriétés du résidu industriel, le transformant en un matériau réactif (à activité pouzzolanique ou hydraulique) adapté à de nouveaux produits de ciment à faible _empreinte CO2 . De cette manière, ReActiv propose un scénario gagnant-gagnant pour les deux secteurs industriels (réduction des déchets et des émissions de CO2 _{respectivement} ).

Fluorchemie GmbH a développé un nouvel additif ignifuge à partir de résidus de bauxite, le produit est appelé MKRS (boue rouge recarbonisée modifiée) avec la marque ALFERROCK(R) et a une applicabilité potentielle dans une large gamme de polymères (PCT WO2014/000014). L'un de ses avantages particuliers est la capacité à fonctionner sur une plage de températures beaucoup plus large, 220–350 °C (428–662 °F), que les retardateurs de flamme inorganiques sans halogène alternatifs tels que l'hydroxyde d'aluminium, la boehmite ou l'hydroxyde de magnésium . En plus des systèmes polymères où l'hydroxyde d'aluminium ou l'hydroxyde de magnésium peuvent être utilisés, il s'est également avéré efficace dans les polymères expansés tels que les mousses EPS et PUR à des charges allant jusqu'à 60 %.

Sous une forme solide compacte appropriée, avec une densité d'environ 3,93 grammes par centimètre cube (0,142 lb/cu in), l'ALFERROCK produit par la calcination de résidus de bauxite s'est avéré très efficace comme moyen de stockage d'énergie thermique (WO2017/157664). Le matériau peut être chauffé et refroidi à plusieurs reprises sans détérioration et possède une capacité thermique spécifique comprise entre 0,6 et 0,8 kJ/(kg·K) à 20 °C (68 °F) et 0,9 et 1,3 kJ/(kg·K) à 726 °C (1 339 °F) ; cela permet au matériau de fonctionner efficacement dans un dispositif de stockage d'énergie pour maximiser les avantages de l'énergie solaire, des éoliennes et des systèmes hydroélectriques. Des géopolymères à haute résistance ont été développés à partir de boues rouges.

Approche durable du traitement de la bauxite à faible teneur

Le procédé IB2 est une technologie française développée pour améliorer l'extraction de l'alumine à partir de la bauxite, notamment de la bauxite à faible teneur. Cette méthode vise à accroître l'efficacité de la production d'alumine tout en diminuant les impacts environnementaux généralement associés à ce procédé, notamment la génération de boues rouges et les émissions de dioxyde de carbone.

La technologie IB2, brevetée en 2019, est le fruit d’une décennie de recherche et développement d’Yves Occello, ancien chimiste de Pechiney. Ce procédé améliore le procédé traditionnel Bayer, utilisé depuis plus d’un siècle pour extraire l’alumine de la bauxite. Il présente une diminution significative de la consommation de soude caustique et une réduction notable de la production de boues rouges, minimisant ainsi les déchets dangereux et les risques environnementaux.

En plus de réduire la production de boues rouges, le procédé IB2 contribue à réduire les émissions de CO2 _, principalement grâce au traitement optimisé de la bauxite de faible qualité. En limitant la nécessité d'importer de la bauxite de haute qualité, ce procédé réduit l'empreinte carbone associée au transport du minerai. De plus, le procédé produit un sous-produit qui peut être utilisé dans la production de ciments respectueux de l'environnement, favorisant ainsi le concept d'économie circulaire.

L'inventeur de la technologie est le chimiste Yves Occello, qui a fondé la société IB2 avec Romain Girbal en 2017.