Produit Archive - Page 6 sur 12 - L’Élémentarium

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule	Masse molaire
SiO₂	60,08 g.mol^-1

Structures cristallines, les principales formes sont les suivantes :

Quartz alpha : rhomboédrique, de paramètres a = 0,491 nm, c = 0,541 nm,
Quartz bêta : hexagonale, de paramètres a = 0,500 nm, c = 0,546 nm,
Tridymite bêta : hexagonale, de paramètres a = 0,504 nm, c = 0,824 nm,
Cristobalite bêta : cubique, de paramètre a = 0,717 nm,
Tridymite alpha : orthorhombique, de paramètres a = 0,874 nm, b = 0,505 nm, c = 0,824 nm,
Cristobalite alpha : quadratique, de paramètres a = 0,498 nm, c = 0,695 nm.

Domaines stabilité et formation :

Quartz alpha à T < 573°C,
Quartz bêta entre 573°C et 870°C,
Tridymite bêta entre 870°C et 1470°C,
Cristobalite bêta entre 1470°C et 1705°C (fusion),
Tridymite alpha par refroidissement brusque de la forme bêta à 114°C,
Cristobalite alpha par refroidissement brusque de la forme bêta à 270°C.

Données physiques

Masse volumique		Dureté	Température de fusion	Température d’ébullition	Solubilité dans l’eau
Quartz alpha : 2,65 g.cm^-3 Quartz bêta : 2,53 g.cm^-3 Tridymite bêta : 2,25 g.cm^-3	Cristobalite bêta : 2,20 g.cm^-3 Tridymite alpha : 2,35 g.cm^-3 Cristobalite alpha : 2,33 g.cm^-3	7	Quartz : 1 610°C Tridymite : 1 703°C Cristobalite : 1 713°C	2 230°C	insoluble

Données chimiques

pKa : H₄SiO₄/H₃SiO₄^–	pKa : H₃SiO₄^–/H₂SiO₄^2-	E° : SiO₂_(s) + 4H⁺ + 4e = Si_(s) + 2H₂O
9,7	11,9	-0,86 V

Données thermodynamiques

Silice sous forme de quartz :

Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -910,7 kJ.mol^-1
Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -856,3 kJ.mol^-1
Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 41,5 J.K^-1mol^-1
Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 44,4 J.K^-1mol^-1
Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 8,5 kJ.mol^-1

Silice gazeuse :

Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -322,3 kJ.mol^-1

Données industrielles

Voir les chapitres silices naturelles et silices synthétiques

Données industrielles

Les silices synthétiques sont constituées de dioxyde de silicium de grande pureté. Elles se présentent sous forme d’une poudre blanche et leurs propriétés dépendent de leur mode de fabrication.

Polymorphes de silice

Source : CEFIC-ASASP, 2002

En 2016, la production mondiale de silices synthétiques (précipitées, pyrogénées, gels et sols) est de 3,2 millions de t. En 2023, la production de l’Union européenne est de 793 583 t dont 184 698 t en France, 179 142 t en Allemagne, en 2022, 158 029 t en Belgique, 94 904 t en Espagne, 36 310 t en Italie, 10 667 t en Suède, en 2022.

Répartition de la production entre des différents types de silices, hors microsilice (fumée de silice) : en 2017.

en %
Précipitée	62 %	Colloïdale	8 %
Gel	12 %	Pyrogénée	7 %
Fondue	11 %

Source IHS

Commerce international : en 2023, pour tous les types de silices synthétiques.

Principaux pays exportateurs, sur un total de 2,214 millions de t :

en tonnes
Chine	996 975	Taipei chinois	76 813
Allemagne	164 328	Inde	71 650
États-Unis	112 861	Pologne	67 969
Norvège	98 083	Thaïlande	64 436
France	97 829	Belgique	46 890

Source : ITC

Les exportations chinoises sont destinées à 11 % à l’Arabie Saoudite, 10 % au Vietnam, 9 % aux Émirats Arabes Unis, 7 % au Japon.

Les exportations françaises sont destinées à 30 % à l’Allemagne, 14 % à l’Italie, 12 % au Portugal, 6 % au Royaume Uni.

Principaux pays importateurs :

en tonnes
États-Unis	149 432	Inde	99 218
Japon	144 617	Mexique	97 617
Arabie Saoudite	123 111	Allemagne	93 816
Vietnam	118 839	Corée du Sud	92 199
Émirats Arabes Unis	99 717	Chine	80 722

Source : ITC

Les importations des États-Unis proviennent à 72 % de Chine, 5 % d’Allemagne.

Les importations françaises, avec 62 711 t, proviennent à 24 % d’Allemagne, 12 % des Pays Bas, 6 % d’Espagne.

Silices précipitées

Elles représentent, avec 2,3 millions de t, 72 % de la production mondiale des silices amorphes synthétiques. Ces silices sont caractérisées par une grande porosité.

Élaboration industrielle :

Elles sont obtenues par action d’un acide (principalement H₂SO₄, mais aussi HCl, CO₂…) sur une solution de silicate de sodium (de rapport molaire SiO₂/Na₂O compris entre 2 et 3,5). Le pH est maintenu supérieur à 7, la concentration de la solution est de 40 à 150 g de SiO₂/L.

(SiO₂)_x(Na₂O)_y,nH₂O + y H₂SO₄ = x SiO₂ + y Na₂SO₄ + (y+n) H₂O

Le silicate de sodium est préparé soit par fusion alcaline (avec Na₂CO₃), à 1050-1100°C, du sable naturel, soit par attaque à 180-220°C du sable par la soude. En 2021, la production de l’Union européenne, comptée en silice contenue, est de 1,706 million de t, dont 840 289 t en Allemagne, 387 355 t en Espagne, 54 696 t en France, 43 196 t en Suède, 38 307 t en Italie. Autres utilisations du silicate de sodium : dans les détergents, le collage des cartons, pour la préparation des zéolithes.

Consommations par t de silice précipitée par H₂SO₄, le silicate étant préparé par fusion alcaline :

Sable		Na₂CO₃		H₂SO₄
1 050 kg		500 kg		430 kg

Propriétés : insolubles dans les acides (sauf HF) et solubles dans les solutions basiques (de pH > 9). Surface spécifique de 20 à 600 m²/g. Les groupes silanols (Si-O-H) présents en surface leur confèrent leur caractère hydrophile. L’eau physisorbée peut être éliminée à 180°C.

Principaux producteurs :

Evonik (Allemagne), n°1 mondial avec une capacité de production de silice synthétique (précipitée et pyrogénée) de 600 000 t/an. Pour la silice précipitée la production est réalisée aux États-Unis à Chester, en Pennsylvanie et à Goose Creek, en Caroline du Sud, en Thaïlande à Map Ta Phut, en Allemagne à Wesseling, en Espagne à Zubillaga-Lantaran, en Turquie à Adapazari, en Inde à Gajraula, au Japon à Akoh, à Taipei chinois à Ta Yuan, en Chine dans une joint venture à Nanping et au Brésil à São Paulo. En septembre 2017, Evonik a acquis les activités dans la silice de J.M. Huber Corporation (États-Unis), qui possède des unités de production aux États-Unis à Etowa, dans le Tennessee et Havre de Grace dans le Maryland, en Chine à Qingdao, avec 40 000 t/an, en Belgique à Ostende, en Finlande à Hamine, en Inde à Jhagadia.
Solvay, produit des silices précipitées dans 10 sites dont Collonges-au-Mont-d’Or, en France, Chicago Heights (Illinois, États-Unis), Qingdao (province de Shandong, Chine) avec 2 sites de production et 112 000 t/an, Inchéon et Gunsan, avec 80 000 t/an (Corée du Sud), Paulinia (Brésil), Barquisimeto (Venezuela), Livorno (Italie) et Wloclaweck (Pologne) avec 85 000 t/an. Au total, Solvay produit près de 500 000 t/an.
PPG (États-Unis), aux États-Unis à Lake Charles, en Louisiane et Barberton, dans l’Ohio et aux Pays Bas à Delfzijl.
Le groupe taïwanais OSC (Oriental Silicas Corporation) produit des silices précipitées, à Sanyi et Taichung, à Taipei chinois, à Rayong, en Thaïlande, à Nanji, dans la province de Jiangxi et à Lianji, dans la province de Jiangsu, en Chine.

Situation française : production par Solvay à Collonges-au-Mont-d’Or (69) avec une capacité de production de 400 000 t/an et une production, en 2014, de 206 000 t.

Utilisations : principalement dans les pneumatiques (pneus verts), en association avec le noir de carbone jusqu’à 50-50, elles diminuent de 30 % leur résistance au roulement et ainsi entraînent une consommation moindre de carburant pouvant atteindre 7 %. Leur adhérence au caoutchouc est assurée par un organosilane. Des pneus ne contenant que de la silice à la place du noir de carbone peuvent être colorés dans la masse.

Pour le renforcement des élastomères des semelles des chaussures de sport, en remplacement des noirs de carbone qui présentent l’inconvénient de laisser des traces noires sur le sol.

Dans les dentifrices elles apportent leur pouvoir polissant et nettoyant et permettent de régler la rhéologie des pâtes.

Pouvant adsorber 2 fois leur masse de liquide, elles sont utilisées comme support de liquides visqueux et hygroscopiques afin de les transformer en poudre sèche (vitamines A et E…). Fixant l’humidité, elles s’opposent à la prise en masse de poudres (antimottage) et ainsi sont utilisées comme fluidifiant du sel de table, de la poudre de café, du sucre glace, de la lessive en poudre…

Utilisées dans la fabrication de papiers spéciaux : comme couche barrière pour éviter la pénétration du solvant de l’adhésif dans le papier des étiquettes autocollantes.

Elles sont utilisées comme activateur des bétons projetés à la place de l’aluminate de calcium.

Gel de silice (silicagel)

Élaboration industrielle :

Obtenu de la même façon que les silices précipitées mais à pH < 7. La suspension d’hydrogel formé est filtrée, lavée et séchée. Sans frittage on obtient un aérogel, avec frittage, un xérogel. Très poreux (sa surface spécifique est comprise entre 300 et 1000 m².g^-1, avec un diamètre des pores d’environ 2,5 nm), très hydrophile, il peut adsorber de l’eau jusqu’à plus de 40 % de sa masse. Sa teneur en silice est supérieure à 95 %.

Producteur : Cabot produit des aérogels à Frankfurt, en Allemagne.

Utilisations : comme agent desséchant dans les laboratoires. L’industrie des dentifrices et des cosmétiques utilise du gel de silice comme abrasif et épaississant.
Les aérogels sont utilisés dans l’isolation thermique et phonique.

Sols de silice (silice colloïdale)

Ce sont des suspensions stables, dans l’eau, de particules quasi sphériques (de 10 à 100 nm de diamètre), de concentration en SiO₂ en général inférieure à 50 % en masse. Obtenus par passage d’une solution de silicate de sodium sur des résines échangeuses de cations.

Utilisations : agent de polissage des plaquettes de silicium pour applications en microélectronique. Après coagulation, utilisés comme liant de produits réfractaires, précurseur pour la fabrication de fibres minérales de silice, support de catalyseurs, donnent des propriétés anti salissantes et antistatiques aux revêtements de sols ainsi que dans des textiles, clarifient des boissons et également incorporés comme charges dans les vernis et les peintures.

Silices pyrogénées ou de pyrohydrolyse

Elles sont aussi dénommées « Fumed silica » en anglais. A ne pas confondre avec la microsilice ou « fumée de silice » en français co-produit de l’élaboration du silicium et de ferroalliages de silicium.

Élaboration industrielle :

Elles sont formées par hydrolyse du tétrachlorure de silicium (SiCl₄) à 1000°C, dans la flamme d’un chalumeau air-dihydrogène, la vapeur d’eau provenant de la combustion du dihydrogène.

SiCl₄ + 2 H₂O = SiO₂ + 4 HCl

De haute pureté (> 99,8 % en silice), elles présentent naturellement un caractère hydrophile. Toutefois elles peuvent être rendues hydrophobes par un traitement de surface à l’aide d’un organosilane comme le diméthyldichlorosilane.

Production : en 2018, la production mondiale a atteint 281 000 t.

Producteurs :

Evonik (Allemagne) exploite 8 usines, en Allemagne à Rheinfelden et Leverkusen, aux États-Unis à Mobile, dans l’Alabama et Waterford, dans l’État de New-York, en Belgique à Anvers, en France à Roussillon, au Japon à Yokkaichi, en Thaïlande à Map Ta Phut. Est partenaire du groupe chinois Wynca dans une joint venture à Zhenjiang dans la province de Jiangsu.
Cabot (États-Unis), aux États-Unis à Tuscola, dans l’Illinois, à Midland, dans le Michigan et à Billerica, dans le Massachusetts, en Chine dans la province de Jiangxi, au Royaume Uni à Barry, en Allemagne à Rheinfelden, en Inde avec 50 % d’une usine à Mettur Dam. En 2019, a construit une usine en Chine, à Wuhai, en Mongolie Intérieure, avec 80 % des parts et 20 % à Inner Mongolia Hengyecheng Silicone et au États-Unis, en 2020, en collaboration avec Dow, à Carrollton, au Kentucky.
Wacker (Allemagne), en Allemagne à Burghausen et Nünchritz et en Chine à Zhangjiagang, dans une joint venture avec Dow. A construit une usine à Charleston, dans le Tennessee, aux États-Unis, avec une capacité de production de 13 000 t/an, qui a été opérationnelle en octobre 2019.
Tokuyama, produit, à Tokuyama, au Japon.
OCI, produit en Corée du Sud, à Gunsan avec 9 000 t/an et en Chine à Tangshan, dans la province du Hebei, avec 6 000 t/an.

Situation française : production par Evonik, à Roussillon (38), avec une capacité de production de 8 000 t/an.

Utilisations : afin de renforcer les élastomères silicones et les résines PVC. Grâce à leurs propriétés thixotropiques elles permettent de contrôler la rhéologie d’encres, peintures et adhésifs. Elles sont également employées dans les industries agroalimentaire (additif E 551) et pharmaceutique pour épaissir les liquides ou faciliter l’écoulement des poudres et empêcher leur prise en masse.

Secteurs d’utilisation : répartition, en 2016.

en %
Peintures, revêtements	31	Cosmétiques	10
Adhésifs	20	Batteries	5
Silicones	16	Résines polyester	4
Pharmacie	12	Autres	2

Source : Market Research Future

Silices à l’arc

Elles sont obtenues par fusion, à 1800-2100°C, de sable de grande pureté (pureté en SiO₂ supérieure à 99,8 % en masse), à l’arc électrique, pendant environ 15 h. Le verre de silice obtenu est coulé en lingots qui sont ensuite broyés. Elles présentent une résistance importante aux chocs thermiques et ont une faible conductibilité thermique. Elles sont utilisées pour l’encapsulation de composants électroniques.

Microsilice (ou fumée de silice)

A ne pas confondre avec la silice pyrogénée appelée « fumed silica » en anglais. En anglais la microsilice est dénommée « silica fume »

Élaboration industrielle : sous-produit de la fabrication du silicium, du ferrosilicium et des silico-alliages.

L’élaboration du silicium et du ferrosilicium a lieu, par électrométallurgie, dans des fours à électrodes de carbone immergées selon la réaction globale suivante pour le silicium :

SiO₂ + 2 C = Si + 2 CO

La cuve du four est animée d’un lent mouvement de rotation. La température est de l’ordre de 1700°C. La difficulté de la réduction est liée à la formation de SiC qu’il faut éviter. En réalité, les réactions se produisant sont complexes et en particulier la silice est en partie, pour 10 à 25 % de la charge initiale, réduite en monoxyde de silicium SiO, gazeux, qui s’oxyde hors du four, à l’air, en dioxyde de silicium dénommé fumée de silice, récupéré dans des filtres à manche.

Les particules, amorphes, ont des dimensions de 0,01 à 1 µm. Les particules, possédant une surface spécifique de 15 à 25 m²/g, sont très réactives.

Source : http://www.concrete.elkem.com/dav/2c7d946881.pdf

La production d’une tonne de silicium génère de 400 à 500 kg de fumée de silice. Une tonne de ferrosilicium (à 75 %), de 200 à 250 kg.

Jusqu’en 1985, cette silice n’était pas valorisée. Ces « poussières » étaient d’abord rejetées dans l’atmosphère puis, pour protéger l’environnement, récupérées par filtration des fumées et placées en décharge.

Productions : la production mondiale est estimée, en 2017, à 1,8 million de t/an, à 53 % en Chine.

Producteurs : ce sont les producteurs de silicium et de ferrosilicium.

Capacité mondiales de production, en 2017 :

en milliers de t/an
Eramet	479	Ferroglobe	206
Privat Group	450	Elkem	200
South32	380	Vale	165

Source : Ferroglobe

Le groupe FerroGlobe, possède des capacités de production de 206 000 t/an, avec des usines en France (voir ci-dessous), en Espagne à Cee avec 3 500 t/an, Dumbría avec 14 500 t/an et Sabón avec 17 000 t/an, en Afrique du Sud à Polokwane avec 25 000 t/an et Rand Carbide avec 16 500 t/an, au Venezuela avec 22 000 t/an. En 2015, les ventes ont été de 154 683 t. Produit également de la fumée de silice, aux État-Unis, au travers de sa filiale, Norchem, dans l’Ohio, à Beverly, dans l’Alabama, à Selma et Bridgeport, en Virginie Occidentale à Alloy, dans l’État de New York, dans une joint venture détenue à 51 % avec Dow, à Niagara Falls et au Canada, à Bécancourt, dans une joint venture détenue à 51 % avec 49 % pour Dow.

Elkem (Norvège), filiale du groupe chinois Bluestar, produit de la microsilice en Norvège, à Bremanger, Salten, Rana, avec 23 000 t/an, Thamshavn et en Chine à Lanzhou, dans la province de Gansu. Commercialise 300 000 t/an dont 100 000 t/an provenant d’autres producteurs.

Situation française : production par FerroGlobe, de 76 000 t/an de fumée de silice, dans les usines suivantes :

Anglefort (01) : 18 500 t/an lors de la production de silicium.
Château Feuillet (73) : 12 000 t/an lors de production de silicium, ferrosilicium et silicocalcium. En 2021, l’usine a fermé.
Montricher (73) : 13 500 t/an, lors de la production de silicium.
Les Clavaux (38) : 15 000 t/an lors de la production de silicium.
Laudun (30) : 13 000 t/an, lors de la production de silicium et de ferrosilicium.
Pierrefitte (65) : 4 000 t/an, lors de la production de silico et ferroalliages.

Utilisation : dans les bétons hautes performances, à des teneurs d’environ 10 %. Elle augmente la fluidité, la résistance à la compression (qui passe, à 28 jours, de 20-40 MPa à 60-120 MPa) et diminue la perméabilité (voir le chapitre ciments). Les particules de fumée de silice réagissent avec l’hydroxyde de calcium libéré lors de l’hydratation du ciment en donnant un silicate de calcium hydraté faisant prise comme le ciment.

Cristaux monocristallins de quartz alpha (de haute pureté)

Élaboration industrielle : depuis 1955, date de la première mise sur le marché, par croissance hydrothermale, à partir d’une solution de SiO₂ dans NaOH, à 360°C et 1,7 kbar. Il faut environ 2 mois pour obtenir un quartz d’un kg par croissance à partir de lames minces orientées de quartz naturel ou de chutes de fabrication de quartz de culture. Des quartz de 7 kg peuvent être ainsi obtenus.
Afin de garantir l’approvisionnement du pays en germes de croissance, fin septembre 2019, le stock des États-Unis s’élève à 7 148 kg de quartz naturel avec des cristaux de 0,2 à 10 kg.

Production :

La production mondiale est estimée à 4 000 t/an (45 % en Asie, 30 % en Amérique du Nord, 20 % en Russie).

Producteurs : les principaux producteurs sont chinois mais aussi japonais avec Murata, Shin Etsu, Kyocera…. Aux États-Unis, avec Sawyer, à Eastlake, dans l’Ohio, en Russie, par le groupe Mineral, à Alexandrov, région de Vladimir.

Utilisations :
La consommation des États-Unis, en 2017, est estimée entre 3 000 et 6 000 kg.

Utilisés comme matériau piézo-électrique (dans les filtres de fréquence, l’électromécanique (déplacements du microscope à effet tunnel), montres…).

Bibliographie

Association of synthetic amorphous silica producers (ASASP), CEFIC, Avenue E. van Nieuwenhuyse, 4 box 1, B-1160 Bruxelles, Belgique.
Les silices amorphes synthétiques, ED 153, Institut national de recherche et de sécurité pour la prévention des accidents du travail et des maladies professionnelles (INRS), février 2022.
Silica Fume Association, 38860 Sierra Lane, Lovettsville, Virginie, 20180, États-Unis.
« La fumée de silice« , Solutions béton, Cimbéton, 2011.
European Silica Fume Committee, 12 Av. de Broqueville, 1150 Bruxelles, Belgique.

Archives

Silices synthétiques 2023

Silices synthétiques 2022

Silices synthétiques 2019

Silices synthétiques 2015

Silices synthétiques 2006

Silices synthétiques 1995

Silices synthétiques 1990

Silices naturelles

Données industrielles

Diatomite ou kieselguhr

C’est une roche sédimentaire formée par l’accumulation de squelettes internes d’algues, les diatomées, fossilisées, avec une vitesse de sédimentation qui peut varier de quelques mm à 2,5 cm/an. Formée de silice amorphe, sous forme d’opale, elle contient près de 65 % d’eau avec, après séchage, une teneur de 86 à 94 % de silice. Après calcination à environ 1000°C, la granulométrie est de l’ordre de 5 à 15 µm. Elle possède une surface spécifique élevée.

Exploitations minières et traitements :

Dans les gisements sont présentes plusieurs variétés de diatomées. Si cela est possible, les diverses variétés, possédant leurs propres propriétés, sont extraites séparément. Sur des lieux proches des installations minières, des traitements de calcination sont effectués, après séchage, pour agglomérer, par frittage, les particules extraites. En effet, celles-ci sont pour la plupart des applications de dimensions trop faibles. Un traitement de calcination, en présence d’un fondant, le carbonate de sodium, vers 1000°C, permet une fusion limitée à la surface des particules qui agglomère les particules tout en évitant une fusion du cœur qui perdrait ses propriétés.

Les gisements français du Cantal se sont formés à la fin du Miocène, entre 9 et 5 millions d’années. Parmi les 12 000 espèces de diatomées ils renferment 3 espèces : cyclotella et melosira de symétrie radiale et synedra de symétrie axiale. Le gisement d’Auxillac-Foufouilloux, près de Murat, a une épaisseur de 20 m et une surface de 800 m sur 1,3 km. Il est recouvert par des moraines sur une épaisseur d’environ 25 m.

Production de diatomite

En 2024, en milliers de t, dans le monde, sur un total de 3 millions de t. Source : USGS

en milliers de t
États-Unis	880	Argentine	100
Danemark	530	Mexique	100
Chine	370	Pérou	100
France	250	Allemagne	50
Turquie	240	Mozambique	50

Source : USGS

En 2018, la production de l’Union européenne (Danemark, France…) est de 653 000 t. Dans le monde, il y a 23 pays producteurs.

Le plus important gisement mondial, exploité par le groupe français Imerys, se situe aux États-Unis, près de Lompoc, en Californie. Dans ce pays, en 2015, 79 % de la production provient de Californie et du Nevada. Au total, il y a, en 2021, 12 mines en activité.

Au Danemark, la roche exploitée principalement dans les îles de Fur et Mors, appelée molder, contient 30 % d’argile.

Réserves : les réserves mondiales sont estimées à 1 milliard de t dont 25 % aux États-Unis et 11 % en Chine.

Commerce international : en 2023.

Principaux pays exportateurs, sur un total de 233 369 t :

en tonnes
États-Unis	53 792	Danemark, en 2019	19 016
Allemagne	28 808	Argentine	11 321
Chine	28 774	Portugal	10 631
Pérou	22 448	Russie	9 149
France	22 160	Canada	7 510

Source : ITC

Les exportations des États-Unis sont destinées à 27 % au Canada, 10 % à la Belgique, 10 % à l’Allemagne, 6 % au Brésil.

Principaux pays importateurs :

en tonnes
Allemagne	33 307	République tchèque	11 864
Brésil	25 826	États-Unis	11 566
Belgique	18 874	Chine	9 984
Autriche	16 955	Équateur	9 956
Canada	14 611	Royaume Uni	9 915

Source : ITC

Les importations allemandes proviennent à 38 % du Danemark, 28 % des États-Unis, 18 % de Russie, 5 % de France.

Principaux producteurs :

Le n°1 mondial est le groupe français Imerys, avec des exploitations, aux États-Unis, à Lompoc en Californie, Quincy au Nevada et Fernley dans l’État de Washington, en France, à Murat (15), en Espagne, au Chili, en Chine, au Mexique, au Pérou et au Danemark après l’achat, en 2017, de la société Damolin. Début 2025 a acquis les carrières françaises de diatomite de Chemviron.
EP Minerals, aux États-Unis, à Lovelock, Clark et Fernley, dans le Nevada et à Vale dans l’Oregon. En mai 2018 a été acquis par US Silica. La production de l’usine de Lovelock, approvisionnée par la mine de Colado, est, en 2021, de 151 000 t et les réserves prouvées et probables sont de 4,05 millions de t. La capacité de l’usine Vale, approvisionnée par la mine Celaton, est de 120 000 t/an avec, une production, en 2020, de 95 000 t et des réserves de 40 millions de t. La production de Clark, en 2020, est de 62 000 t avec des réserves prouvées et probables de 3,4 millions de t et celle de Fernley de 42 000 t avec des réserves prouvées et probables de 6 millions de t.
Dicalite, aux États-Unis, à Basalt, au Nevada et Burney, en Californie.
Showa Minerals (Japon), dans les préfectures d’Akita, Okayama, dans l’ïle de Honshu et Oita, dans l’île de Kyushu, au Japon et dans la province de Jilin, en Chine, avec l’exploitation du gisement de Changbaishan.
Calgon Carbon (Chemviron pour les activités européennes) qui a acquis, en novembre 2016, les activités, en France, dans le charbon actif et les agents de filtration, dont la diatomite, de CECA, filiale du groupe Arkema. Calgon Carbon a été acquis, en mars 2018, par la société japonaise Kuraray. Les carrières françaises de diatomite ont été acquise, début 2025, par Imerys.

Situation française : exploitation de carrières par Chemviron, à Saint Bauzile (07) et Auxillac-Foufouilloux, près de Murat (15), ce dernier gisement étant également exploité par Imerys. Chemviron traite la diatomite d’Auxillac-Foufouilloux à Riom-ès-Montagnes (15) avec une capacité de production de 27 000 t/an alors que celle extraite par Imerys, avec 60 000 t/an, est traitée à Murat (15). Début 2025, les carrières de Chemviron ont été acquises par Imerys.

Les exportations, en 2024, étaient de 22 574 t avec comme principaux marchés à :

16 % l’Espagne,
11 % la Finlande,
7 % la Belgique,
6 % l’Allemagne,
6 % le Royaume Uni.

Les importations, en 2024, s’élevaient à 14 475 t en provenance principalement à :

30 % du Danemark,
21 % de Belgique,
16 % d’Espagne,
11 % d’Allemagne
6 % du Luxembourg,
5 % des États-Unis.

Utilisations :

Consommation : en 2021, la consommation des États-Unis a été de 770 000 t.

Secteurs d’utilisation de la diatomite

En 2017, aux Etats-Unis. Source : USGS

Filtration	50 %		Charge minérale	15 %
Ciment	30 %		Absorbant	5 %

Source : USGS

En 2024, aux États-Unis, la filtration représente 65 % des utilisations.

La diatomite, parmi les agents de filtration courants (perlite, cellulose, charbon) des industries alimentaires est considérée comme le meilleur. Elle permet d’éliminer les particules en suspension de taille inférieure à 0,1 µm. Utilisée pour filtrer les jus d’extraction des sucreries, la bière, le vin, l’eau, les huiles… Dans les exploitations viticoles, la diatomite a remplacé les filtres en amiante. Elle permet l’élimination des bactéries et virus de l’eau de consommation.

L’utilisation dans le ciment Portland ne nécessite pas de calcination préalable, ce qui réduit les coûts de production, l’énergie comptant pour 25 à 30 % du prix de revient de la diatomite.

La diatomite est également utilisées comme charge minérale (par exemple dans des peintures), isolant thermique, abrasif doux (polish pour carrosseries, savons, dentifrices), support en chromatographie, support de catalyseur, dans le fractionnement du plasma sanguin humain…

La diatomite a permis à Nobel, en 1868, de stabiliser la nitroglycérine et de fabriquer ainsi la « dynamite ».

Sables

Ce sont des alluvions utilisés comme charge pour l’élaboration des bétons et du macadam. Ils sont utilisés également comme lits de filtration des eaux et effluents.

Aux États-Unis, en 2021, la production a été de 1 milliard de t destinées à 46 % à la production de bétons, 21 % aux travaux routiers, 13 % aux remblayages, 12 % à la production de bitume.

Situation française : pour les sables et graviers d’alluvions.

Production, en 2019 : 562 entreprises ont produit 127 millions de tonnes.

Exportations de sable naturel, en 2023 : 1,600 million de t, vers l’Allemagne à 64 %, la Suisse à 19 %, la Belgique à 7 %.

Importations de sable naturel, en 2023 : 1,227 million de t, de Belgique à 6 7%, des Pays Bas à 18 %, d’Allemagne à 9 %.

Silices pour l’industrie

Les alluvions utilisés sont plus purs que les sables utilisés comme charge des bétons. Les domaines d’utilisation dépendront de la nature et de la teneur des impuretés. Par exemple, la coloration d’un verre dépend de la teneur du sable utilisé comme matière première, en oxydes métalliques et surtout en Fe₂O₃. Par exemple, une silice pour verre optique doit avoir la composition suivante : SiO₂ = 99,8 %, Al₂O₃ = 0,1 %, Fe₂O₃ < 0,02 %. Une granulométrie homogène est également un critère important.

On distingue :

les sables siliceux de haute pureté,
les galets de quartz,
les galets de silex,
les grès et quarzites en roches massives,
le quartz ultra-pur en filon.

Production de silices pour l’industrie

En 2024, en millions de t, sur un total mondial de 440 millions de t. Source : USGS

en milliers de t
États-Unis	130 000	Inde	12 000
Chine	89 000	France	12 000
Pays Bas	60 000	Allemagne	11 000
Italie	33 000	Bulgarie	8 200
Turquie	13 000	Russie	7 300

Source : USGS

La production de l’Union européenne, en 2017, est de 111 millions de t.

En 2024, les États-Unis sont le premier pays exportateur avec 8,3 millions de tonnes. Les exportations sont principalement, à 85 %, destinées au Canada.

Producteurs : le n°1 mondial est le groupe belge Sibelco, avec 118 sites de production, tous produits de carrières confondus, dans 31 pays.

Principales sociétés en Amérique du Nord :

Covia, détenue à 65 % par le groupe Sibelco, qui est issue de la fusion, en juin 2018, de Unimin Corp. avec Fairmount Santrol, possède des carrières aux États-Unis, Canada et Mexique, avec une production, en 2019, de 27,7 millions de t/an de minéraux, dans 36 exploitations minières avec des réserves prouvées et probables de 880 millions de t.
U.S. Silica Co., exploite, aux États-Unis, 16 carrières avec des réserves prouvées et probables de 442 millions de t. En 2020, les ventes ont été de 9,9 millions de t.
Preferred Sands, avec des capacités de production de 6 millions de t/an aux États-Unis avec des carrières à Genoa, dans le Nebraska et dans l’ouest du Texas.

Recyclage : la silice utilisée en fonderie est en grande partie recyclée, ainsi que celle contenue dans le verre lors de son recyclage.

Situation française : en 2017, production de 8,8 millions de t.

Source : MI-france

En 2013, il y a 68 carrières en activité.

Les principaux gisements français sont constitués de sables siliceux de haute pureté et présents pour 75 % de la production française dans le Bassin parisien.

Le gisement de Beauchamp est situé dans l’Oise et le sud de l’Aisne. Il s’est formé au Bartonien, il y a 40 millions d’années. Les réserves sont de 100 millions de t sur une épaisseur comprise entre 15 et 40 m. Il est exploité par Samin à Baron (60), Villeneuve-sur-Verberie (60) et Bois-de-Billy (02), Fulchiron à Saint-Rémy Blanzy (02) et Sibelco à Montgru Saint-Hilaire (02) et Crépy-en-Valois (60).
Le gisement de Fontainebleau s’est formé à l’oligocène, il y a 34 millions d’années. Il s’étend sur 350 km² avec des réserves de 80 millions de t sur 20 à 55 m d’épaisseur. Sa teneur en Fe₂O₃ est inférieure à 150 ppm. Il est exploité par Samin à La Chapelle-la-Reine (77) et Buthiers (77), Fulchiron à Maisse (91) et Milly-la-Forêt (91), Sibelco à Bourron-Marlotte (77) et Hanches (28).
15 % de la production de sables siliceux provient du Bassin aquitain. Les gisements se sont formés au Miocène. Ils sont exploités par Samin à Marcheprime (33) et par Sibelco à Mios (33), Belin-Béliot (33), Barp (33) et Durance (47).
D’autres sables sont exploités dans la Drôme, le Vaucluse, les Alpes Maritimes, la plaine d’Alsace.

Des gisements de grès quartzitique et de quartzite sont exploités à Meillers (03) pour la production de silicium et à Vallabrix (30) pour la production de ferrosilicium.

Des gisements de galets de quartz destinés à l’électrométallurgie pour la production de silicium et de ferrosilicium sont exploités par Imerys, en Dordogne à Saint Jean de Côte avec 100 000 t/an et Saint Paul la Roche avec 40 000 t/an ainsi que dans le Lot à Thédirac avec 400 000 t/an destinées à 30 % à l’électrométallurgie.

Des galets de silex sont principalement exploités en baie de Somme, à Cayeux-sur-Mer (80), par GSM, filiale du groupe cimentier Heidelberg, avec 240 000 t/an, Sibelco, avec 30 000 t/an, Silmer avec 60 000 t/an. Les galets sphériques sont réservés à une utilisation dans des broyeurs à boulets pour l’industrie céramique. Une autre partie de la production de galets, constitués de calcédoine, est chauffée à 1600°C pour donner de la cristobalite ou à plus basse température, 900°C, comme charge minérale.

Un gisement de quartz ultra-pur en filon, est exploité par Quartz et Minéraux, à la Chapelle-Agnon (63) avec 25 000 t/an destinées à l’industrie céramique.

Principaux producteurs :

Sibelco exploite 11 carrières de silice, à Compiègne (60), Crépy-en-Valois (60), Montgru-Saint-Hilaire (02), Bourron-Marlotte (77), Nemours (77), Hostun (26), Bédoin (84), Entraigues-sur-Sorgues (84), Durance (47), Saint-Césaire (17), Mios (33) ainsi que des galets, à Cayeux-sur-Mer (80).
Samin, filiale de Saint Gobain, exploite des carrières de silice à Moru (Pont-Sainte-Maxence, 60), Rozet Saint Albin (02), Roncevaux (Buthiers, 77) et Marcheprime (33).
Quartz d’Alsace, à Bischwiller (67).
Imerys exploite des carrières de quartz destiné à l’industrie céramique et à celle des ferroalliages, à Saint Jean de Côte (24) et Thédirac (46).
Sablière Palvadeau, à Saint Christophe du Ligneron (85).
Silmer, exploite des galets de silex donnant après chauffage à 1600°C de la cristobalite, à Cayeux-sur-Mer (80), avec 20 000 t/an.
L’Entreprise Charier, exploite diverses carrières et extrait du sable de mer au large de l’île de Noirmoutier et de Saint Marc.
La société Fulchiron exploite des carrières à Maisse (91), Milly la Forêt (91), Saint Rémy Blanzy (02), Vallabrix (30) et Le Thieulin (28).

Utilisations :

Consommation, aux États-Unis, en 2024 : 120 millions de t.

Secteurs d’utilisation, aux États-Unis : en 2020.

Fracturation hydraulique et bétonnage des puits d’extraction d’hydrocarbures	58 %	Charge minérale	3 %
Industrie verrière	12 %	Produits de construction	3 %
Fonderie	4 %	Sables de loisirs	3 %

Source : USGS

Fracturation hydraulique : ces dernières années, aux États-Unis, le développement spectaculaire de la production de gaz et pétrole de schiste a entraîné une forte consommation de silice dans ce secteur. Les grains de silice permettent de maintenir la perméabilité de la roche fracturée.

Industrie verrière : le verre contient de 60 à 75 % de silice, voir le chapitre verre. En France, la silice provenant de l’Oise, qui contient seulement de 90 à 170 ppm de Fe₂O₃, est particulièrement appréciée.

La silice fondue ou verre de silice est utilisée pour ses propriétés réfractaires (appareillages, tubes, ampoules de lampe aux halogènes) ou pour sa transparence aux rayonnements UV, par exemple pour la confection de cuves pour spectromètres UV. Ces cuves, en verre de silice, donc amorphe, sont improprement appelées en « quartz », forme cristallisée de la silice.

Fonderie : pour la fabrication de moules et noyaux. Plus le sable est fin, meilleur sera l’état de surface de la pièce métallique obtenue après coulée. Le sable utilisé doit être exempt de calcaire (provenant par exemple de fossiles) afin d’éviter, à chaud, un dégagement de dioxyde de carbone.

Matière première pour la fabrication du silicate de sodium et de la silice synthétique.

Matière première pour la fabrication du carbure de silicium, des ferrosilicium et du silicium.

Matière première pour la fabrication de céramiques, d’abrasifs, d’émaux…

Charge de peintures, colles, mortiers, plastiques, caoutchoucs, cosmétiques…

Amendements agricoles.

Décapage des métaux, des pierres…

Toxicité de la silice cristallisée

Cette toxicité ne concerne que la silice cristallisée sous forme de quartz, cristobalite ou trydimite. Toutefois, la diatomite, dans laquelle la silice est sous forme amorphe, peut, après calcination, renfermer des quantités importantes de cristobalite.

La voie de pénétration est la voie respiratoire, les particules les plus fines (< 4,5 μm) pouvant atteindre les alvéoles pulmonaires et s’y déposer en induisant une irritation des voies respiratoires et une fibrose pulmonaire irréversible appelée silicose. La forme actuelle la plus courante est la silicose chronique se traduisant par une dyspnée d’effort, toux, expectation, diminution de la fonction pulmonaire. Elle intervient généralement après plus de 20 ans d’exposition et son évolution se poursuit même après la cessation de l’exposition. Les sujets atteints souffrent d’une altération majeure des fonctions pulmonaires et d’une obstruction sévère des voies aériennes pouvant conduire au décès.

Par ailleurs, en France, les silices cristallisées sont classées cancérogènes pour l’homme, elles donnent des cancers bronco-pulmonaires. L’association de l’exposition à la silice avec plusieurs pathologies est également confirmée et en particulier pour la tuberculose, les atteintes respiratoires obstructives et certaines pathologies auto-immunes (sclérodermie, polyarthrite rhumatoïde).

Les valeurs limites d’exposition professionnelles sur 8 heures/jour sont de 0,1 mg.m^-3 pour le quartz et de 0,05 mg.m^-3 pour les autres formes cristallines. L’ANSES recommande de diminuer ces valeurs.

En France, en 2017, 365 000 personnes sont exposées à la silice cristallines dont de 23 000 à 30 000 à des teneurs supérieures à 0,1 mg.m^-3, le secteur le plus exposé étant la construction.

Bibliographie

International Diatomite Producers Association (IDPA – membre de IMA-Europe), rue des Deux Eglises 26, box 2, B-1000 Bruxelles, Belgique.
Fiches détaillées : « Diatomite« , SIM, 2007.
Ph. Rocher, « Diatomite« , Mémento roches et minéraux industriels, BRGM, 1995.
Work safely with silica.
European Industrial Minerals Association (IMA-Europe), 26 rue des deux Eglises, B-1000 Bruxelles, Belgique.
M. Marteau, « Mémento silice industrielle« , BRGM, mars 2016.
« Dangers, expositions et risques relatifs à la silice cristallisée« , ANSES, avril 2019.

Archives

Silices naturelles 2023

Silices naturelles 2022

Silices naturelles 2019

Silices naturelles 2015

Silices naturelles 2014

Silices naturelles 2011

Silices naturelles 1996

Silices naturelles 1992

Silicones

Données industrielles

Les silicones ou polysiloxanes sont des polymères de formule [R₂SiO]_n, avec R, généralement un groupe méthyl (CH₃) mais aussi éthyl ou phényl. Elles se présentent sous 4 formes physiques : élastomères (56 % du chiffre d’affaires), huiles (31 %), résines (7 %), gels et autres (5 %). Elles existent sous forme de plus de 2000 produits.

Huiles silicones : les huiles silicones sont des polymères linéaires pouvant présenter une longueur de chaîne de plus de 1 000 atomes de Si, en alternance avec des ponts oxygène. Utilisées, en particulier, dans le refroidissement et l’isolation des transformateurs. Elles sont également beaucoup utilisées dans les accessoires de câbles haute tension.

Élastomères silicones : ils sont subdivisés en plusieurs catégories selon leur viscosité et leur mode de réticulation.

Résines siloxanes : les résines siloxanes se distinguent par leur haute stabilité thermique, une propriété que l’on exploite dans l’isolation des grosses installations électriques.

Gels silicones : les gels silicones peuvent remplacer les huiles ou les élastomères, suivant le type d’application. Par rapport aux huiles, ils réduisent le risque de fuites et comparés aux élastomères, ils remplissent parfaitement les cavités de géométrie complexe et adhèrent solidement aux parois intérieures des pièces.

Propriétés

Elles possèdent une très grande stabilité thermique (de -100 à 300°C) et inertie chimique. Hydrophobes, organophobes, anti-adhérentes, tensioactives, lubrifiantes, isolants électriques, les élastomères silicones sont très résistants au rayonnement ultraviolet. Les propriétés mécaniques sont améliorées par des charges, par exemple de silice précipitée.

Fabrication industrielle

Par action, vers 300°C, de composés organochlorés, principalement le chlorure de méthyle (CH₃Cl), sur le silicium de qualité métallurgique, en présence de catalyseurs (dérivés de cuivre). Le principal composé fabriqué est le diméthyldichlorosilane, (CH₃)₂SiCl₂, séparé par distillation, qui par hydrolyse donne le diméthylsilanediol, (CH₃)₂Si(OH)₂. L’élimination d’eau entre deux molécules conduit à la formation de chaînes de polysiloxanes (silicones).

Productions

Les capacités mondiales de production sont, en 2016, de 2,3 millions de t, à 45 % en Chine, 26 % en Europe de l’Ouest, 17 % aux États-Unis.

En 2023, la production de l’Union européenne est de 642 951 t dont 490 069 t en Allemagne, en 2022, 23 411 t en Italie, 14 116 t en Espagne, 5 278 t en Belgique, en 2022, 4 092 en Hongrie, en 2021, 2 616 t aux Pays Bas, 1 252 t en Pologne. La production française est confidentielle.

Commerce international : sous forme primaire, en 2023.

Principaux pays exportateurs, sur un total de 1,289 million de t, en 2021 :

en tonnes
Chine	406 564	Japon	52 483
États-Unis	141 912	Thaïlande	45 390
Royaume Uni	96 456	Pays Bas	39 603
Belgique	76 195	Corée du Sud	38 322
France	56 674	Italie	22 796

Source : ITC

Les exportations chinoises sont destinée à 19 % à la Corée du Sud, 12 % à l’Inde, 6 % aux États-Unis.

Principaux pays importateurs :

en tonnes
Corée du Sud	118 034	Inde	88 815
Belgique	114 608	Allemagne	70 639
Chine	102 725	Mexique	67 512
États-Unis	96 780	Italie	55 798
Pays Bas	91 971	Turquie	49 460

Source : ITC

Les importations coréennes proviennent à 65 % de Chine, 11 % des États-Unis, 10 % d’Allemagne, 5 % du Japon.

Principaux producteurs, en 2016, en parts du total des capacités mondiales de production :

Dow	27 %	Momentive	9 %
Wacker	12 %	Shin-Etsu	8 %
Elkemsilicones	11 %

Sources : Freedonia et Elkem

Dow (États-Unis), n° 1 mondial, issu de DowCorning, après l’achat par Dow, en juin 2016, de la moitié des parts détenues par Corning Incorporated. Possède des unités de production aux États-Unis, dans le Kentucky, à Carrollton et Elizabethtown, dans le Michigan à Auburn et Midland, en Caroline du Nord à Greenboro, dans l’Indiana à Kendallville, en Allemagne, à Wiesbaden, en Belgique à Seneffe, au Royaume Uni, à Barry dans le Pays de Galles, au Brésil à Campinas, au Japon en association avec Toray, en Corée du Sud, en Chine à Zhangjiagang (joint venture avec Wacker).
Wacker (Allemagne), n°2 mondial : possède des sites de production en Allemagne à Burghausen et Nünchritz, au Brésil à Jandira, en Chine à Zhangjiagang, en Inde à Kolkata, au Japon à Akeno en association avec Asahi-Kasei, en Corée du Sud à Suwon, en Norvège à Holla, en République tchèque à Plzen, aux États-Unis à Adrian (Michigan), Chino (Californie), North Canton (Ohio).
Elkemsilicones (France/Chine) : filiale du groupe China National Bluestar Corporation au travers de sa filiale Elkem, son siège social mondial est basé à Lyon. Produit en France, voir ci-dessous, aux États-Unis à York, en Caroline du Sud avec 24 000 t/an de silicones, en Allemagne à Lubeck avec 1 500 t/an de silicones, en Italie à Caronno avec 6 500 t/an de silicones, en Espagne à Santa Perpetua avec 19 000 t/an de silicones, au Brésil à Joinville avec 15 000 t/an de silicones, en Chine à Shanghai avec 20 000 t/an de silicones et Jinjiang, dans la province de Jiangxi avec 220 000 t/an de siloxane. En 2020, la production est de 372 000 t.
Momentive (États-Unis), produit du siloxane aux États-Unis à Waterford (New York), en Allemagne à Leverkusen, au Japon à Ohta, en Chine à Jiande.
Shin-Etsu (Japon) : produit au Japon, dans le complexe de Gunma, à Naoetsu et Takefu, aux États-Unis à Akron dans l’Ohio, au Brésil à Sao Paulo, aux Pays Bas à Almere, en Corée du Sud, à Taipei chinois, en Thaïlande, en Chine.

Situation française

En 2024.

Production : par Bluestar Silicones, devenu Elkem Silicones, qui a repris, le 1^er janvier 2007, l’activité silicones de Rhodia. La production de siloxanes est effectuée à Roussillon (38) avec 80 000 t/an et celle de silicones à Saint Fons (69) avec des capacités annuelles de 200 000 t/an. Fin 2023, la capacité de production de Roussillon devrait atteindre 100 000 t/an.

Commerce extérieur : sous forme primaire.

Les exportations s’élevaient à 64 945 t avec comme principaux marchés à :

21 % l’Allemagne,
15 % l’Italie,
14 % l’Espagne,
6 % le Royaume Uni,
6 % la Belgique,
6 % les États-Unis,
6 % la Chine.

Les importations s’élevaient à 41 628 t en provenance principalement à :

34 % d’Allemagne,
20 % de Chine,
14 % de Belgique,
6 % du Royaume Uni,
4 % des États-Unis.

Utilisations

Les consommations estimées, en 2019, à 2,2 millions de t sont réalisées à 42 % en Chine, 17 % en Europe de l’Ouest, 15 % aux États-Unis.

Secteurs d’utilisation, en 2016 :

Construction	20 %	Santé et soins personnels	12 %
Électricité, électronique	19 %	Chimie	9 %
Transports	17 %

Sources : Freedonia et Elkem

Les élastomères sont plutôt utilisés en construction et dans les transports, les huiles et les gels, dans la santé et les soins personnels, les résines, en construction.

Utilisations diverses : dans les bains d’huile (fluide caloporteur), la lubrification, dans les transformateurs (propriétés isolantes), dans les produits d’entretien (hydrophobie), comme agent de démoulage de plastiques et caoutchoucs (organophobie), en cosmétologie et en alimentation (inertie chimique et innocuité), en hydrofugation et comme mastic et colle dans le bâtiment, en imperméabilisation des tissus, comme anti-adhérent (ustensiles de cuisine), comme anti-mousse…

Quelques exemples d’utilisation :

Mastic de scellement des 60 000 vitres de 1,8 m par 3,6 m de la Bibliothèque Nationale de France François Mitterrand.
Recouvre le papier qui protège les adhésifs.
Pour la consolidation et hydrofugation de l’Arc de Triomphe de Paris.
Utilisées pour mouler la grotte de Tautavel (400 m²) afin de la reproduire en grandeur nature à quelques centaines de mètres : consommation de 2,4 t de silicones sur 3 mm d’épaisseur.
L’implantation de prothèses mammaires en silicones est effectuée depuis 1965.
Matériau des lentilles de contact.
Les élastomères siliconés sont utilisés pour fabriquer des claviers (montre, calculatrice, orgues…).
Utilisation de plus en plus fréquente dans l’alimentaire avec les moules à gâteaux, à tartes, les ustensiles de cuisine…

Bibliographie

Centre Européen des Silicones (CES), CEFIC, Avenue E. van Nieuwenhuyse, 4 box 2, B-1160 Bruxelles, Belgique.
Les silicones, Rhône-Poulenc, Techno-Nathan, 1988.
« The socioeconomic impact of the silicones industry in Europe« , CES Silicon Europe, mars 2016.
« The socio-evaluation of the global silicones industry« , Global Silicones Council, mars 2016.
Global Silicones Council.

Archives

Dioxyde de carbone

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule	Masse molaire	Distance interatomique : C-O
CO₂	44,01 g.mol^-1	116,3 pm

Données physiques

Masse volumique	Température de fusion	Température de sublimation	Température critique	Pression critique	Température point triple	Pression point triple	Solubilité dans l’eau
gazeux, 15°C, 101,3 kPa : 1,87.10^-3 g.cm^-3 liquide : 1,101 g.cm^-3 solide : 1,56 g.cm^-3	-56,57°C	-78,5°C	30,98°C	7 377 kPa	-56,56°C	518,7 kPa	à 0°C : 171,3 cm³/100 g eau à 20°C : 90,1 cm³/100 g eau

Données chimiques

pKa : CO_2aq/HCO₃^–	pKa : HCO₃^–/CO₃²^–	E° : 2CO_2(g)+ 2H⁺ + 2e = H₂C₂O₄	E° : CO_2(g)+ 2H⁺ + 2e = CO_(g) + H₂O	E° : CO_2(g)+ 2H⁺ + 2e = HCOOH
6,35	10,3	-0,49 V	0,12 V	0,20 V

Données thermodynamiques

Dioxyde de carbone gazeux

Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -393,51 kJ.mol^-1
Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -394,4 kJ.mol^-1
Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 213,68 J.K^-1mol^-1
Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 37,1 J.K^-1mol^-1
Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 8,3 kJ.mol^-1

Dioxyde de carbone en solution aqueuse

Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -414 kJ.mol^-1
Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -386,2 kJ.mol^-1
Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 117,6 J.K^-1mol^-1

Données industrielles

Le dioxyde de carbone, CO₂, est aussi appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique.

Présence

Dans l’atmosphère

En janvier 2023, la concentration de CO₂, mesurée à l’observatoire de Mauna Loa à Hawaii, a atteint, en moyenne, 419,94 ppmv (ppm en volume), soit 21.10¹¹ tonnes. Chaque seconde dans le monde, près d’un million de kg de CO₂ sont émis dans l’atmosphère. Voir également le chapitre effet de serre.
En 1750, la concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère était de 280 ppmv. 90 % du dioxyde de carbone émis provient de la combustion des énergies fossiles (produits pétroliers, charbon, gaz naturel) et est donc directement lié à la consommation d’énergie par les activités humaines.

Un volcan en activité émet, en moyenne, 1,3 million de t de CO₂par an, soit au total sur terre, 300 millions de t/an. Les émissions de l’Etna, en Sicile, sont particulièrement importantes avec 25 millions de t/an, celles de la caldera de Yellowstone, aux États-Unis, de 16 millions de t/an.
Lors de la catastrophe du lac Lwi, à Nyos, au Cameroun, du 21 août 1986 qui a fait 1 746 victimes, une vague de gaz, haute de 50 m, a parcouru plus de 25 km. Au total il s’est dégagé du lac 1,24 million de t de CO₂. Après la catastrophe il restait environ 250 millions de m³ de CO₂ dans le lac. CO₂ s’y accumule au rythme de 5 millions de m³/an.
Produit du métabolisme cellulaire, CO₂ est naturellement émis par la respiration des êtres vivants : un homme au repos exhale, en moyenne, 200 mL de CO₂ par minute.

Dans le sol

Il existe des gisements naturels de CO₂.

En France, lors de forages pétroliers dans les années 1960-70, 8 gisements de dioxyde de carbone quasi pur ont été découverts dans une zone située entre Massif Central et Alpes et appelée « Province carbogazeuse française ». Parmi ces 8 gisements (Montmirail, Vacquières, Angles, Montoison, Quissac, Jouques, Vaunage, Villeneuve-de-Berg) les deux premiers ont été l’objet de concessions :

à Montmirail (26, 38), en 1987, pour 30 ans, sur 37,5 km². Le gisement d’un gaz à 96 % de dioxyde de carbone est situé à 2 500 m de profondeur, avec des réserves estimées à 1 milliard de m³. Mis en service en 1991, le gisement est exploité par Air Liquide avec une production de 300 t/jour.
à Vacquières (30, 34), en 1995, pour 25 ans, sur 30 km². Le gisement d’un gaz à 98 % de dioxyde de carbone est situé à 2 500 m de profondeur, avec des réserves estimées à 1 milliard de m³.

Dans le monde, d’autres gisements sont connus, en Allemagne (district de Werra, exploité entre 1990 et 1994 par Air Liquide, en un siècle, la production a été de 528 000 t), en Italie (dans la région de Sienne, un gisement est exploité par Messer avec 6 t/h), en Grèce (Florina, exploité depuis 1980 par Air Liquide avec une production de 30 000 t/an d’un gaz composé à 99,5 % de CO₂), en Turquie, par Turkish Petroleum Corporation, dans la région de Dodan, avec une production de 1 million de t/an destinée à l’extraction assistée du pétrole du gisement de Bati Raman, dans le sud-est du pays.

Aux États-Unis, des gisements sont exploités principalement pour alimenter, par pipeline, l’extraction assistée de pétrole et de gaz naturel de gisements du Texas et du Nouveau Mexique. Les principaux gisements de dioxyde de carbone sont situés sur le plateau du Colorado et au sud des Montagnes Rocheuses. En 2018, il y a 6 gisements en cours d’exploitation et 3 en cours d’études préliminaires avec un total de 2,2 milliards de t de réserve.

Mc Elmo Dome, dans le Colorado, situé à 2 440 m de profondeur, avec une teneur de 98,2 %, en présence de 1,6 % de diazote et 0,2 % de méthane, exploité à 45 % par Kinder Morgan, avec une production, en 2014, de 21,2 millions de t et des réserves de 794 millions de t.
Bravo Dome, au Nouveau Mexique, situé à 700 m de profondeur, avec une teneur de 99 %, en présence de diazote, exploité par Occidental Petroleum Corporation (Oxy), ainsi qu’à 11 % par Kinder Morgan et Hess, avec une production, en 2014, de 5,2 millions de t et des réserves de 338 millions de t.
Sheep Mountain, dans le Colorado, situé entre 1 070 et 1 830 m de profondeur, avec une teneur de 97 %, en présence de diazote et de méthane, exploité par Occidental Petroleum Corporation (Oxy), avec une production, en 2014, de 0,6 million de t et des réserves en voie d’épuisement.
Doe Canyon, dans le Colorado, situé à 2 740 m de profondeur, exploité à 87 % par Kinder Morgan, avec une production, en 2014, de 3,3 millions de t, avec des réserves de 40 millions de t.
Jackson Dome, dans le Mississippi, situé à 4 880 m de profondeur, avec une teneur comprise entre 70 et 99 %, en présence de sulfure d’hydrogène, exploité par Denbury, avec des réserves de 413 millions de t.
St John’s, à la frontière de l’Arizona et du Nouveau Mexique, situé à 487 m de profondeur, avec une teneur de 95 %, en présence de 0,75 % d’hélium, exploité par Kinder Morgan, est entré en production mi-2016, avec 5,8 millions de t/an et des réserves de 435 millions de t.

Par ailleurs, toujours aux États-Unis, ExxonMobil exploite dans le Wyoming, le gisement de gaz naturel de Madison qui renferme 65 % de dioxyde de carbone, 21 % de méthane, 7 % de diazote, 5 % de sulfure d’hydrogène et 0,6 % d’hélium. Le gaz est traité à La Barge pour séparer le méthane du dioxyde de carbone, ce dernier, alimentant par pipeline, les exploitations de récupération de gaz et de pétrole assistées par le dioxyde de carbone. La production est, en 2014, de 6,6 millions de t et les réserves de 5 300 millions de t.

Dans l’eau

Le dioxyde de carbone est également présent dissous dans l’eau, on le retrouve plus particulièrement dans de nombreuses eaux minérales.

Autres sources de CO₂

Le CO₂ est un sous produit émis lors de l’activité humaine et biologique

La combustion ou la décomposition de matières organiques (végétaux, charbon, pétrole), soit plusieurs dizaines de milliards de t/an, l’extraction du gaz naturel, le raffinage pétrolier…
Sous-produit industriel de la fabrication de l’ammoniac (lors de la production de H₂), de la chaux et des ciments (calcination du calcaire), du méthanol, du bioéthanol, de la bière, du vin (fermentations alcooliques)…

Propriétés physiques

La masse volumique du dioxyde de carbone gazeux, à 15°C, est de 1,87 kg/m³.
Le point triple du dioxyde de carbone est à -56,57°C et 5,185 bar.
Le point critique est à 31,06°C et 73,825 bar. Au delà de ces valeurs le dioxyde de carbone est à l’état supercritique.
A 20°C, le dioxyde de carbone se liquéfie, au-dessus de 57,3 bar.

Conditionnement – transport

Il est stocké, liquide, sous 17 bar, à -25°C.

Il est transporté par pipeline sous pression d’environ 150 bar, par navires, trains ou camions, liquide à -50°C ou en bouteilles.

Le dioxyde de carbone contenu dans les bouteilles est à l’état liquéfié. Il est présent, à la température ambiante, sous deux phases, liquide et gazeuse. La pression de la phase gazeuse ne dépend que de la température (voir sur le diagramme de phase la courbe de pression de vapeur saturante), elle est de 57,3 bar à 20°C.

Il est aussi transporté, pour des quantités faibles, sous forme solide, appelée neige carbonique, glace carbonique, carboglace ou glace sèche (de l’anglais « dry ice »). La neige carbonique est obtenue par détente du liquide qui donne 50 % de solide et 50 % de gaz qui est recyclé. La neige est ensuite comprimée pour donner de la glace.
A la pression atmosphérique, la température de sublimation de la neige carbonique est de -78,5°C. 1 kg de dioxyde de carbone solide libère, à 20°C sous 1 bar, 845 litres de gaz.

Transport par pipeline

Aux États-Unis, il y a, en 2015, 50 pipelines totalisant 7 600 km de longueur destinés au transport du dioxyde de carbone avec une capacité de 69 millions de t/an. Les principaux pipelines sont les suivants :

Cortez sur 808 km transportant 19,3 millions de t/an sous 186 bar entre le gisement naturel de dioxyde de carbone de Mc Elmo Dome dans le Colorado et le gisement de pétrole de West Texas Wasson, dans le Texas.
Bravo sur 350 km transportant 7,3 millions de t/an sous 165 bar.
Central Basin sur 278 km transportant 20 millions de t/an sous 170 bar.
Canyon Reef Carriers sur 180 km transportant 8,3 millions de t/an sous 180 bar.
Val Verde sur 130 km transportant 2,5 millions de t/an sous 140 bar. Le CO₂ provient de l’extraction du gaz naturel.
Shute Creek, sur 48 km transportant 23,3 millions de t/an. Le CO₂ provient de l’extraction du gaz naturel de La Barge par ExxonMobil.
Green Line, sur 441 km transportant 18 millions de t/an.
Greencore, sur 373 km transportant 14 millions de t/an.
Delta, sur 174 km transportant 11,4 millions de t/an.

Au Canada, 330 km transportant 2 millions de t/an entre Beulah dans le Dakota du Nord, aux États-Unis, et Weyburn et Midale, dans le Saskatchewan. Le dioxyde de carbone provient d’une usine de gazéification du charbon exploitée par Dakota Gasification Company.
Aux Pays-Bas, 227 km transportant 300 000 t/an, destinées principalement à alimenter des cultures sous serre.
En Norvège, 120 km transportant 1 million de t /an.
En Turquie, 90 km transportant 1 million de t/an, destinées à l’extraction assistée de pétrole.
En France, 29 km qui transportaient 60 000 t/an, entre une centrale à vapeur du groupe Total à Lacq, fonctionnant par oxycombustion, et le gisement épuisé de gaz naturel de Rousse, situé à une profondeur de 4 500 m. Le dioxyde de carbone, à une teneur d’environ 90 %, était comprimé à 30 bar pour le transport puis recomprimé à 50 bar pour l’enfouissement dans le gisement. Le pipeline utilisé était un ancien pipeline de gaz naturel. L’enfouissement a été arrêté en mars 2013 après injection de 52 000 t de dioxyde de carbone.

Transport par navires

En Europe, Yara, alimente ses unités de stockage de dioxyde de carbone, dont Montoir-de-Bretagne (44), en France, d’une capacité de 1 800 t à l’aide de 3 navires transportant le dioxyde de carbone, à l’état liquide, avec une capacité pour chacun de 1 800 t, à partir de ses 4 unités de production de Sluiskil, aux Pays-Bas, possédant une capacité de production de 425 000 t/an et de Dormagen, en Allemagne, d’une capacité de 150 000 t/an.

Productions

Ne sont pris en compte que les quantités destinées à être utilisées. Actuellement, la plus grande partie du dioxyde de carbone produit, en particulier lors de la combustion de produits pétroliers et du charbon, est rejetée dans l’atmosphère.

La production est réalisée à partir de sources diverses qui en général contiennent plus de 97 % en volume de CO₂ et dont les impuretés sont facilement éliminables. Cela est le cas pour le CO₂ d’origine naturelle, ainsi que pour celui fourni par la décarbonatation du gaz de synthèse utilisé pour produire l’ammoniac (voir le chapitre consacré au dihydrogène) ou pour celui issu de la fabrication du bioéthanol.

Aux États-Unis, il y a, en 2011, 111 usines de production de CO₂ dont 36 exploitant le gaz issu d’usines de fabrication de bioéthanol. Dans ce pays, la production de dioxyde de carbone destiné à l’extraction assistée de pétrole et de gaz naturel a été, en 2010, de 58 millions de t, provenant à 85 % de sources naturelles et 13 % de l’exploitation du gaz naturel d’ExxonMobil à La Barge ainsi que de celui donnant le CO₂ alimentant le pipeline Val Verde. 680 000 t/an proviennent de l’usine d’engrais azotés du groupe Koch, à Enid, dans l’Oklahoma.

En 2023, la production de l’Union européenne a été de 6,140 millions de t. Les principaux pays producteurs sont les suivants :

en milliers de t
Pays Bas	1 244	Roumanie, en 2018	495
Espagne	1 048	Belgique	362
Allemagne, en 2022	872	Italie	202
France	833	Finlande	192
Pologne	722	Hongrie	183

Source : statistiques Prodcom de l’Union européenne

Commerce international : en 2023.

Principaux pays exportateurs, sur un total de 5,244 millions de t, en 2020 :

en tonnes
États-Unis	12 391 409	Norvège	113 915
Pays Bas	601 403	Canada	109 378
Belgique	157 738	France	75 190
Hongrie	123 986	Pologne	61 513
Chine	122 390	Macédoine du Nord	60 705

Source : ITC

Les exportations des États-Unis sont destinées à 99 % au Mexique.

Principaux pays importateurs, sur un total de 2,243 millions de t, en 2021 :

en tonnes
Royaume Uni	265 852	Pays Bas	89 896
Allemagne	208 749	Italie	89 827
Belgique	144 494	France	88 757
États-Unis	140 093	Danemark	79 086
Mexique	117 626	Slovaquie	61 627

Source : ITC

Les importations du Royaume Uni proviennent à 73 % des Pays Bas, 9 % de Norvège, 9 % de République tchèque.

Producteurs et distributeurs

Les principaux producteurs et distributeurs de dioxyde de carbone destiné à être utilisé sont :

Les sociétés pétrolières utilisant le dioxyde de carbone pour assister l’extraction de pétrole et de gaz naturel, principalement aux États-Unis.
Les producteurs d’ammoniac destiné à la fabrication d’engrais azotés :
Yara produit du dioxyde de carbone comme sous-produit de la fabrication d’ammoniac dans ses usines de Sluiskil aux Pays-Bas possédant une capacité de production de 425 000 t/an, de Ferrare, en Italie, avec une capacité de production de 80 000 t/an, de Porsgrunn, en Norvège, de Tertre, en Belgique, avec 120 000 t/an, de Dormagen, en Allemagne, avec une capacité de 150 000 t/an. Au total la capacité de production est de 850 000 t/an de dioxyde de carbone sous forme liquide et de 50 000 t/an sous forme solide. En juin 2016, cette activité a été vendue à Praxair, acquis depuis par Linde, Yara gardant l’exploitation de 3 usines de liquéfaction.
Par ailleurs, de nombreux producteurs d’ammoniac cèdent le dioxyde de carbone formé aux groupes producteurs de gaz industriels qui s’occupent de purifier et de liquéfier le gaz avant sa commercialisation.
Les sociétés produisant exclusivement du dioxyde de carbone par exemple le groupe belge ACP, avec une capacité de production de 630 000 t/an, qui possède 50 % de la société Carbolim à Geleen, aux Pays Bas, d’une capacité de 320 000 t/an provenant de la production d’ammoniac, ainsi qu’une unité de production en France, à Beinheim (67) avec une capacité de 50 000 t/an provenant d’une usine de bioéthanol, une unité de production, en Belgique, à Tertre, avec 100 000 t/an provenant d’une usine d’ammoniac et une unité de production, en Pologne, à Wloclawek, avec 180 000 t/an provenant d’une usine d’ammoniac. En 2016, la production de neige carbonique de l’usine de Zolder, en Belgique, a été de 10 000 t. En mars 2019, le groupe ACP a été acquis par Air Products.
Les groupes producteurs de gaz industriels. Les installations françaises sont indiquées au chapitre situation française.
- Linde (Allemagne) possède, aux États Unis 30 usines de production de dioxyde de carbone, à partir de sources naturelles, de raffineries de pétrole, de production d’ammoniac, d’usines de bioéthanol. Par exemple, les usines de Corpus Christi, au Texas et de Woodward, dans l’Oklahoma, alimentent les puits d’extraction assistée de pétrole. Aux Pays Bas, la joint venture OCAP (Organic CO₂ for Assimilation by Plants) entre Linde et Volker-Wessels alimente à partir de la raffinerie de pétrole Shell de Rotterdam, à l’aide d’un pipeline de 83 km puis de 300 km de canalisations pour la distribution, un réseau de 550 serres, consommant 350 000 t/an de CO₂. Après la fusion avec Praxair qui exploitait une douzaine d’usines de production de CO₂ aux États-Unis, 10 usines en Europe, 6 en Thaïlande… et qui avait acquis, en 2016, une partie de la production du producteur d’engrais Yara, Linde est devenu le premier producteur mondial de dioxyde de carbone.
- Air Liquide (France) possède 61 usines de production dans le monde dont 12 aux États-Unis, 22 en Europe et 4 en France, avec une capacité de production en Europe d’environ 1,2 million de t/an, c’est le premier producteur européen.
  En France, à Port Jérôme (76), Air Liquide capte par voie cryogénique le dioxyde de carbone émis par son unité de vaporeformage du gaz naturel destinée à alimenter en dihydrogène, avec 50 000 m³/h, la raffinerie Esso proche afin de désulfurer des carburants. Après extraction du dihydrogène selon le procédé PSA, le gaz résiduel, riche en dioxyde de carbone est refroidi afin de liquéfier le dioxyde carbone et ainsi le récupérer. De 60 à 90 % du dioxyde de carbone produit est récupéré. La capacité de production est de 100 000 t/an. À Geleen, aux Pays-Bas, Air Liquide détient 50 % de la société Carbolim, avec le groupe belge ACP qui en détient également 50 %. Carbolim possède une capacité de production de 320 000 t/an de CO₂ provenant de l’usine de production d’ammoniac de OCI Nitrogen.
  En 2010, Air Liquide a créé une unité d’une capacité de 50 000 t/an de dioxyde de carbone, à Rozenburg, aux Pays-Bas, destinée, en particulier, à alimenter les cultures sous serre. Depuis 2011, Air Liquide, récupère le CO₂ provenant de l’usine de bioéthanol de British Sugar, à Wissington, au Royaume Uni, le CO₂ étant produit par fermentation du sucre provenant de betteraves, purifié et liquéfié par Air Liquide. La capacité de production est de 70 000 t/an. Aux États-Unis, le groupe produit du CO₂ dans une dizaine d’usines, par exemple, en Californie, dans le comté de Tulare, où la capacité de production est de 450 t/j à partir d’une usine de bioéthanol opérée par Calgren Renewable Fuel. En Australie, Air liquide récupère 69 000 t/an, à partir du gaz naturel extrait du gisement de BassGaz, dans la région de Victoria, dans le sud du pays.
- Air Products (États-Unis) récupère le CO₂ de l’usine de production d’hydrogène par reformage de Port Arthur, au Texas, pour alimenter, par pipeline, les puits d’extraction assistée de pétrole, avec une capacité de production de 1 million de t/an. En février 2018, a acquis le groupe belge ACP.

Situation française

En 2023, la production est de 833 250 t.

Sources de CO₂

Unités de 100 à 350 t/j de CO₂

Principalement à partir d’usines de production de bioéthanol ou d’ammoniac. Ces dernières unités sont situées à : Grand-Quevilly (76, Agrofert), exploitées par Linde (capacité de 80 000 t/an) et Air Liquide (capacité de 110 000 t/an) ; Grand-Puits (77, Agrofert), 2 unités, l’une exploitée par Messer, l’autre par Air Liquide ; Ottmarsheim (67, Agrofert), une unité exploitée par Air Liquide.

Air Liquide, fin 2009, a implanté une unité de valorisation du dioxyde de carbone à Bazancourt (51), le CO₂ provenant de l’usine de bioéthanol de Cristanol, détenue à 55 % par le groupe Cristal Union, le bioéthanol étant obtenu principalement par fermentation de betteraves. Elle a une capacité annuelle de 120 000 tonnes. Depuis 2015, le captage du dioxyde de carbone de l’unité de vaporeformage de Port Jérôme donne 100 000 t/an.

ACP, récupère du CO₂ de l’usine de bioéthanol, de Beinheim (67), provenant de la fermentation du blé, exploitée par le groupe Roquette, avec une capacité de production de 50 000 t/an.

Messer exploite, en France, 3 unités de production :

à Lavera (13) avec 120 000 t/an provenant, d’une part de l’usine de production d’oxyde d’éthylène d’Ineos et d’autre part de l’hydrocraqueur de la raffinerie d’Ineos,
à Nangis (77), le dioxyde de carbone provenant de l’usine de production d’ammoniac de Agrofert,
à Lacq (64), depuis mars 2013, une unité produit 70 000 t/an issues de la fermentation du maïs de l’usine de bioéthanol d’Abengoa Bioenergy.

Messer produit de la glace carbonique à Mitry-Mory (77), Saint Georges d’Esperanche (38) et Carbon-Blanc (33).

Linde exploite une usine de liquéfaction de CO₂ issu de la production d’ammoniac sur le site de Grand-Quevilly de Agrofert, avec une capacité de production de 80 000 t/an.

Unités de 2 à 30 t/j

De récupération de CO₂ provenant de la fermentation dans des brasseries. Ce CO₂ est réutilisé dans l’élaboration de la bière.

Unités de 2 à 8 t/j

De CO₂ récupéré lors de la production d’eaux minérales gazeuses. Le gaz est réinjecté dans l’eau pour la regazéifier.

Par ailleurs, Yara produit de la glace carbonique à Savigny le Temple (77).

Commerce extérieur

Les exportations étaient, en 2024, de 113 672 t avec comme principaux marchés à :

64 % l’Irlande,
21 % l’Allemagne,
4 % l’Espagne,
7 % la Suisse,
3 % l’Italie.

Les importations s’élevaient, en 2024, à 88 986 t en provenance principalement à :

43 % des Pays Bas,
31 % de Belgique,
15 % d’Allemagne,
6 % d’Espagne.

Utilisations

Les principales utilisations sont dans la fabrication de l’urée, avec 122 millions de t/an, dans la récupération assistée du pétrole et de gaz naturel, avec 60 millions de t/an, la synthèse du méthanol, avec 2 millions de t/an.

Formes d’utilisation

Sous forme solide :

effets fumigènes,
décapage de pièces métalliques,
viticulture lors des vendanges.

Sous forme liquide :

fluide frigorigène pour la congélation d’aliments,
dans l’industrie électronique,
comme agent d’extinction dans les extincteurs,
agent propulseur pour les boissons servies à la pression.

Sous forme gazeuse :

extinction des feux,
carbonatation des boissons gazeuses,
en aquariophilie et culture sous serre pour une meilleure croissance des plantes,
dans des emballages à atmosphère contrôlée,
en distribution d’eau potable, pour relever la dureté de l’eau des eaux trop agressives, la solubilisation du calcaire dans les eaux dures,
les pompes à bière,
la conservation de la viande.

Sous forme supercritique :

extraction d’arômes et de parfums, par exemple de la caféine du café.

Utilisations diverses

Le CO₂ sous ses différentes formes intéresse les industriels de différents secteurs avec des usages variés.

Industries alimentaires : en France, environ 70 % de la production commercialisée de CO₂ est utilisée dans ces industries. Il est référencé E290 comme additif alimentaire. Le CO₂ utilisé dans ce secteur doit être particulièrement purifié. Celui provenant de fermentations alcooliques est bien adapté pour cette application.
Réfrigération et surgélation à l’aide de CO₂ sous forme liquide.
Conservation des aliments en atmosphère neutre : par exemple, le lait en poudre et le café soluble sont conditionnés sous une atmosphère de diazote et de dioxyde de carbone. De même, CO₂ est utilisé, en association ou non avec N₂, pour l’inertage des cuves de vin.
Stockage de fruits, par exemple de pommes, en atmosphère contrôlée. Les conditions optimales sont les suivants : -1 à 6°C, 92 % d’humidité, 2 à 3 % de dioxygène, 2 à 5 % de CO₂.
Élaboration des boissons gazeuses. De plus, des bouteilles plastiques peuvent être refroidies rapidement, après leur fabrication, à l’aide de CO₂ liquide.
L’emploi de CO₂, sous forme de neige carbonique, en vinification (macération à froid) permet, lors des vendanges, de refroidir vers 5°C la récolte et ainsi inhiber la fermentation qui pourra ensuite être menée lentement.
Traitement des eaux potables des régions granitiques. L’eau de ces régions est trop douce et risque, en dissolvant la couche protectrice de carbonate de calcium des canalisations, d’entraîner leur corrosion. Un ajout de chaux et de CO₂ permet d’augmenter la dureté de l’eau.
Traitement des eaux usées et des effluents liquides qui pour être rejetés doivent avoir un pH compris entre 5,5 et 8,5. Le CO₂ permet de neutraliser les milieux basiques.
Fabrication de l’urée, utilisée comme engrais azoté.
Fabrication du carbonate de sodium, destiné principalement à l’industrie du verre.
Utilisé à grande échelle dans la récupération assistée de pétrole et de gaz naturel. Par exemple, à Midale dans le Saskatchewan, au Canada, 1 300 t/jour sont injectées dans le gisement de pétrole. Le dioxyde de carbone provient d’une usine de gazéification de la houille, située à Beulah, dans le Dakota du Nord, aux États-Unis, et est acheminé par 330 km de pipeline.
Propulseur dans les aérosols, agent d’expansion des mousses de polyuréthane et de polystyrène, en remplacement des CFC et du cyclopentane.
Obtention d’effets fumigènes par dispersion de glace carbonique dans de l’eau chaude, entre 35 et 70°C. Le dégagement de dioxyde de carbone froid entraîne la condensation de la vapeur d’eau, créant ainsi un brouillard, qui étant froid est plus dense que l’air ambiant et se répand sur le sol.
Il est parfois utilisé pour diminuer le pH de l’eau de piscines, après un ajout d’eau de Javel (basique).
En agriculture et horticulture, la culture de légumes et de fleurs sous serre utilise un air enrichi en CO₂. Par exemple, aux Pays Bas, la joint venture OCAP (Organic CO₂ for Assimilation by Plants) entre Linde et Volker-Wessels alimente à partir de la raffinerie de pétrole Shell de Rotterdam, à l’aide d’un pipeline de 83 km puis de 300 km de canalisations pour la distribution, un réseau de 550 serres, consommant 350 000 t/an de CO₂.
Des bâtonnets de CO₂ solide sont utilisés pour décaper des pièces métalliques (moules de fonderie…). Les cylindres de CO₂ (0,5 à 3,2 mm de diamètre sur 15 mm de long) sont projetés à la vitesse de 350 m/s sur la surface à décaper. Lors du décapage CO₂ se sublime, des filtres retiennent les particules arrachées de la surface et l’état de surface est respecté. Ce procédé qui est concurrencé par un procédé, selon le même principe, utilisant de la glace, permet de remplacer le traditionnel sablage ou des décapages à l’aide de solvants qui entraînent des quantités importantes de déchets.
Comme solvant, à l’état supercritique, pour extraire des arômes et parfums (arômes amérisants du houblon, nicotine du tabac, caféine du café et du thé, huiles essentielles), dégraisser les peaux (les lipides sont solubles dans CO₂ supercritique et sont libérés par détente et refroidissement). Également utilisé comme solvant pour peintures, en remplacement des solvants organiques. Les premières unités de production industrielle ont été implantées en Allemagne, en 1978, par Hag AG Corporation pour décaféiner le café, 50 000 t/an, en 1982, à Munchester par SKW-Trotsberg, pour extraire les arômes du houblon. Des unités sont utilisées en France à Grasse (CAL-Pfizer).
Pour décaféiner le café, qui contient 1 %, en masse, de caféine pour l’Arabica et 2 % pour le Robusta. CO₂ supercritique remplace des solvants tels que le chlorure de méthylène ou l’acétate d’éthyle. Le café vert est d’abord traité par de l’eau et de la vapeur d’eau pour atteindre 30 à 40 % d’humidité afin de dissoudre la caféine. Le café ainsi « gonflé » est décaféiné par circulation de CO₂, à 93°C sous 200-300 bar, à travers les grains. Le CO₂ restitue la caféine par pulvérisation d’eau puis est recyclé. Le café décaféiné est ensuite séché.
Utilisé dans le nettoyage à sec des vêtements en remplacement du perchloréthylène.
Le CO₂ supercritique est également utilisé comme éluant en chromatographie.

Risques lors de son utilisation

D’après des documents de l’INRS, voir la bibliographie.

À forte concentration, le dioxyde de carbone est principalement un gaz asphyxiant qui peut entraîner la mort. Les risques sont amplifiés par sa densité élevée, le gaz s’accumulant dans les parties basses des locaux. Tous les ans, des morts surviennent, dans les régions viticoles, après les vendanges, la fermentation et le décuvage lors du nettoyage des cuves vides de jus mais pas de dioxyde de carbone, inodore et incolore. De 1984 à 1994, en France, cela a été la cause de 31 décès dans les régions viticoles.

Les premières manifestations surviennent lorsque la concentration dans l’air atteint 2 % avec une augmentation de l’amplitude respiratoire. À 5 % de concentration, il y a apparition de céphalée, de sensation de vertige et d’augmentation de la fréquence cardiaque et de la pression artérielle. A 10 % de concentration, des troubles visuels surviennent avec des tremblements, de l’hypersudation et une perte de connaissance possible après 10 minutes d’exposition. Au dessus de 20 % de concentration, des troubles graves apparaissent rapidement avec dépression respiratoire, convulsions, coma et mort.
Dans divers pays, les valeurs limites moyennes d’exposition sont de 0,5 %.

Par ailleurs, le contact avec le dioxyde de carbone liquide ou solide peut provoquer des brûlures.

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« Valorisation chimique du CO₂, état des lieux« , Ademe, juillet 2014.
Intoxications par inhalation de dioxyde de carbone, INRS, Documents pour le médecin du travail, n°79, 3^ème trimestre 1999, p. 179.
Dioxyde de carbone, Fiche toxicologique, INRS, 2005.

Archives

Dioxyde de carbone 2023

Dioxyde de carbone 2022

Dioxyde de carbone 2019

Dioxyde de carbone 2015

Dioxyde de carbone 2014

Dioxyde de carbone 2011

Dioxyde de carbone 1991

Fibres de carbone

Données industrielles

Matières premières

Elles sont fabriquées à partir de précurseurs chimiques (fibres synthétiques, brai de charbon ou de pétrole). La plus grande partie de la production, environ 96 %, est réalisée à partir de polyacrylonitrile (PAN : (CH₂-CH-CN)_n).

Les fibres de polyacrylonitrile sont préparées par polymérisation, par voie radicalaire, d’acrylonitrile obtenu à partir de propylène selon la réaction suivante :

2 CH₂CH₃CH + 2 NH₃ + 3 O₂ = 2 CH₂CHCN + 6 H₂O

Fabrication et propriétés

Fibres issues de PAN :
Les fibres de PAN sont d’abord oxydées, à l’air, vers 200-300°C pendant de 30 minutes à 3 heures.
La carbonisation a lieu entre 700 et 1500°C, sous atmosphère de diazote, pendant quelques minutes. Le produit obtenu, amorphe, contient 90 % de carbone et de l’ordre de 8 à 10 % d’azote, environ 1 % d’oxygène et moins de 1 % d’hydrogène. Il possède une résistance mécanique en traction élevée (3 000 à 6 000 MPa) mais un module élastique moyennement élevé (200 à 330 GPa) et peut être, après traitement de surface, utilisé.
Un traitement complémentaire de graphitation entre 2 000 et 3 000°C, pendant 1 à 2 minutes, donne des fibres, cristallisées sous forme graphite, à 99 % de carbone et possédant un module élastique élevé (350 à 600 GPa) et une résistance moindre (2 000 à 5 000 MPa). Les traitements thermiques sont réalisés sous tension longitudinale. Afin de faciliter la liaison future des fibres avec leur matrice, un traitement d’oxydation de surface, généralement électrolytique, est réalisé.

Pour produire 1 kg de fibres de carbone il est nécessaire de fournir 286 MJ.

Les fibres ont un diamètre compris entre 5 et 7 micromètres avec une masse volumique comprise entre 1,74 et 1,95 g/cm³. Elles sont produites de façon continue et sont regroupées sous forme de fils contenant de 1 000 à 48 000 fibres ou plus. Leur module élastique est compris entre 200 GPa et 600 GPa.

Ces fibres sont destinées plus particulièrement à l’élaboration de matériaux composites pour des applications en aéronautique et des équipements sportifs.

Fibres issues de brais de charbon ou pétrole : elles ne représentent qu’environ 4 % de la production mondiale.

Les brais de charbon ou de pétrole sont constitués d’un mélange d’hydrocarbures aromatiques qui sans orientation particulière sont isotropes. Un traitement thermique, entre 350 et 450°C, sous atmosphère inerte, permet aux molécules aromatiques de moins d’une dizaine de cycles de grossir par condensation et d’entraîner une structure orientée de cristal liquide (mésophase). On distingue ainsi les fibres isotropiques des fibres anisotropiques.
Après filage du précurseur, celui-ci subit des traitements thermiques identiques à ceux pratiqués pour les fibres de PAN.

Les fibres isotropiques, discontinues, ont un diamètre compris entre 12 et 18 micromètres et une masse volumique de 1,6 g/cm³. Leur module élastique est faible, 40 GPa. Elles ont une très bonne conductibilité thermique et sont, en particulier, utilisées pour tisser des textiles pour isolation haute température.
Les fibres anisotropiques, continues, ont un diamètre compris entre 7 et 10 micromètres et une masse volumique comprise entre 1,7 et 2,2 g/cm³. Elles sont formées de façon continues et regroupées sous forme de fils contenant de 1 000 à 12 000 fibres. Leur module élastique varie de très faibles valeurs, 6 GPa, à des très élevées, 950 GPa. Celles à module élastique très élevé, donc très rigides, sont, en particulier, employées dans les équipements sportifs.

Productions

En 2021, la production mondiale est estimée à 114 100 t dont 20 645 t au Japon en 2020 et 19 250 t en Chine, en 2021. En 2022, la capacité mondiale de production est de 160 000 t/an.

Capacités annuelles de production de fibres de carbone

En milliers de t/an, en 2019, sur un total mondial de 150 900 t/an

en t/an
États-Unis	45 300	France	7 400
Japon	27 100	Hongrie	6 200
Chine	17 300	Allemagne	5 800
Mexique	10 000	Royaume Uni	5 000
Taipei chinois	8 800	Turquie	3 600
Corée du Sud	8 600	Inde	2 500

Source : Carbon composites.

Principaux producteurs, en capacités de production en 2023 :

Toray produit, avec une capacité de production de 63 770 t/an, des fibres de carbone au Japon à Ehime, avec 8 970 t/an, aux États-Unis, à Decatur, dans l’Alabama, St-Charles, dans le Missouri et Abilene, au Texas, avec 9 900 t/an, en Corée du Sud, à Gumi avec 4 700 t/an, en France, à Abidos (64), avec 5 200 t/an, et sous le nom de Zoltek, acquis en février 2014, au Mexique, à Guadalajara, avec 20 000 t/an et en Hongrie, à Nyergesujfalu, avec 15 000 t/an. En 2023, les ventes du groupe sont destinées pour 66 % à diverses applications industrielles, 21 % à l’aéronautique et l’espace, 13 % aux articles de sport.
Jilin Chemical Fiber Group (JCFG) produit des fibres de carbone à Changchun dans la province de Jilin avec une capacité de production de 49 000 t/an.
Mitsubishi Chemical Carbon Fiber and Composites, produit, avec une capacité de production de 15 100 t/an, des fibres de carbone à Otake, au Japon, avec 8 100 t/an et Sacramento, en Californie, aux États-Unis, avec 5 000 t/an. En 2017 a acquis l’usine SGL de Evanston dans le Wyoming, aux États-Unis, avec 2 000 t/an.
Toho Tenax, filiale du groupe japonais Teijin, produit, avec une capacité de production de 14 500 t/an, des fibres de carbone à Mishima, au Japon, avec 6 400 t/an, Heinsberg, en Allemagne, avec 5 100 t/an et Rockwood, dans le Tennessee, aux États-Unis, avec 3 000 t/an.
Aksa (filiale d’Akkök Holding, Turquie) : n°1 mondial pour la production de PAN, avec des capacités de production de 330 000 t/an. Aksa exploite, en association 50-50 avec Dow, à Yalova, en Turquie, une usine de production de fibres de carbone, avec 13 500 t/an.
SGL Group (Allemagne), avec une capacité de production de 13 000 t/an, produit 4 000 t/an à Muir of Ord, au Royaume Uni et en association avec BMW (51 % SGL, 49 % BMW dans la société SGL ACF), exploite à Moses Lakes, dans l’état de Washington, aux États-Unis, une usine de production de fibres de carbone, d’une capacité de 9 000 t/an, destinées, jusqu’en 2022, à la BMW i3, véhicule électrique de BMW. Les fibres de PAN sont produites d’une part par une joint venture avec Mitsubishi, dans MRC-SGL Precursor Co. (66,66 % pour Mitsubishi et 33,33 % pour SGL) à Otake au Japon et d’autre part par la société Fisipe, à Lavradio, au Portugal, achetée par SGL Group en 2012.
Hexcel (États-Unis) produit, avec une capacité de production de 12 500 t/an, des fibres de carbone à Salt Lake City, dans l’Utah, aux États-Unis, Illescas, en Espagne, avec une capacité de production de 7 300 t/an et depuis 2018, à Roussillon, en France, avec 5 200 t/an. Les fibres de PAN sont produites à Decatur, dans l’Alabama, aux États-Unis et en France, depuis 2018, à Roussillon (38).
Hyosung (Corée du Sud) produit des fibres de carbone à Jeonju, en Corée du Sud, avec une capacité de 9 000 t/an.
Formosa Plastics (Taipei chinois) produit des fibres de carbone dans son complexe chimique de Mailiao, à Taipei chinois, avec 7 650 t/an.
Cytec (États-Unis), devenu, en décembre 2015, filiale de Solvay et actuellement de Syensqo, issue de Solvay, produit des fibres de carbone à Greenville et RockHill, en Caroline du Sud, aux États-Unis, avec 7 000 t/an.
Kuhera (Japon), possède 1 800 t/an de capacité de production de fibres isotropiques, à partir de brai de pétrole, à Iwaki au Japon et à Shanghai, en Chine.

Commerce international : en 2023.

Principaux pays exportateurs, sur un total de 75 755 t :

en tonnes
États-Unis	13 924	Mexique	6 044
Corée du Sud	10 034	Allemagne	4 991
Japon	9 911	Royaume Uni	3 309
Hongrie	8 353	Taipei chinois	1 473
France	8 108	Roumanie	1 317

Source : ITC

Les exportations des États-Unis sont destinées à 27 % à l’Allemagne, 15 % au Danemark, 12 % à la France, 10 % à la Chine, 7 % au Royaume Uni.

Principaux pays importateurs, sur un total de 97 572 t :

en tonnes
Pays Bas	22 543	France	5 656
États-Unis	16 880	Italie	5 009
Allemagne	8 978	Royaume Uni	3 951
Chine	6 868	Espagne	3 067
Danemark	5 938	Corée du Sud	2 446

Source : ITC

Les importations des Pays Bas proviennent à 96 % d’Allemagne.

Situation française

En 2024.

Productions :

L’usine Toray à Abidos (64), fabrique des fibres à partir de PAN. La capacité de production est, avec 5 lignes de production, de 5 200 t/an et devrait atteindre 6 000 t/an en 2025. Une usine de fabrication de PAN d’une capacité de 12 000 t/an a été inaugurée, à Lacq (64), en septembre 2014.
Le groupe Hexcel a construit une usine de fabrication de PAN et de fibres de carbone à Roussillon (38) qui est opérationnelle depuis 2018, avec une capacité de 5 200 t/an de fibres de carbone.

La France est le 1^er consommateur en Europe (son aéronautique représente 30 % du marché européen).

Commerce extérieur :

Les exportations étaient de 7 456 t avec comme principaux marchés à :

39 % l’Allemagne,
14 % l’Italie,
12 % le Royaume Uni,
5 % la Chine,
4 % les Pays Bas.

Les importations s’élevaient à 4 578 t en provenance principalement à :

30 % des États-Unis,
20 % de Corée du Sud,
15 % d’Allemagne,
9 % du Japon,
8 % d’Espagne.

Utilisations

En général, les fibres de carbone sont classées en fonction de leurs propriétés mécaniques en traction : résistance à la rupture, module d’élasticité (module de Young), allongement à la rupture. La résistance mécanique à la rupture en traction varie de 700 MPa pour des fibres issues de brai isotrope à plus de 6000 MPa pour des fibres issues de PAN. Le module d’élasticité en traction varie de 33 GPa pour les fibres issues de brai isotrope à plus de 800 GPa pour les fibres issues de brai mésophase.
Les fibres de carbone sont à la base de matériaux composites de faible densité et de hautes performances mécaniques. Dans ces matériaux elles sont associées soit à des matières plastiques, soit à des métaux, céramiques, ou même à du carbone.
Part de marché, en volume et en valeur, dans le monde, en 2018, par les divers matériaux composites renforcés avec des fibres de carbone, sur un total de 128 500 t et 23,15 milliards de $.

	en masse	en valeur		en masse	en valeur
Polymères	82,7 %	71,2 %	Métaux	1,2 %	3,5 %
Céramiques	9,7 %	20,1 %	Hybrides et divers	6,4 %	5,2 %

Source : Carbon composites

Dans les matériaux composites à matrice métallique, en 2009, les fibres de carbone sont associées, en valeur, pour 42 % des utilisations à de l’aluminium, 23 % du magnésium, 13 % du cuivre, 12 % du nickel.

Consommations de fibres de carbone :

Dans le monde, en 2021, 113 800 t. Répartition par régions, en 2018 :

Chine	33 %	Japon	5,5 %
États-Unis	28 %	Corée du Sud	3,3 %
Europe de l’ouest	21 %	Taipei chinois	2,2 %

Source : IHS Markit

Secteurs d’utilisation

Répartition du marché des composites de carbone, en 2018, en masse sur un total de 154 700 t et en valeur sur un total de 23,15 milliards de dollars.

	en masse	en valeur		en masse	en valeur
Aéronautique, espace et défense	36 %	57 %	Sport et loisirs	13 %	11 %
Automobiles	24 %	18 %	Construction	5 %	2 %
Éoliennes	13 %	8 %	Autres	9 %	5 %

Source : Carbon composites

Aéronautique, espace et défense :

Les matériaux composites à base de fibres de carbone sont employés dans les freins (composites carbone-carbone), déflecteurs, capotages, gouvernes, dérives d’avions, pales d’hélicoptères, tuyères des propulseurs à poudre d’Ariane V…

Le premier avion commercial contenant des matériaux composites à base de fibres de carbone est le Boeing 767, mis en service en 1983, qui en renfermait 6 % de son poids.

Le Boeing 777 mis en service en 1995 renferme 11 % de son poids en matériaux composites.
L’Airbus A340, mis en service en 1993, a 12 % de son poids, en matériaux composites à base de fibres de carbone.
L’Airbus A380 renferme 35 t de fibres de carbone et 23 % de son poids en matériaux composites.
Le Boeing 787 renferme 30 t de fibres de carbone et 50 % de son poids, en matériaux composites, 20 % en aluminium, 15 % en titane, 5 % en acier.

Tous les avions militaires ont leur structure constituée principalement de matériaux composites à base de fibres de carbone.

Éolien : dans la fabrication des pales.

Génie civil : dans la fabrication de câbles d’amarrage de plate-forme off-shore, de haubans… Par exemple, la passerelle de Larouin (64) de 120 m de long, sans pile intermédiaire, est soutenue par 16 haubans en composite de fibres de carbone.

Industries diverses : les fibres de carbone sont utilisées dans les plaquettes de frein, les trains TGV, les prothèses de hanche, les réservoirs haute pression, les ultracentrifugeuses pour la séparation isotopique de l’uranium…

Les composites à base de fibre de carbone sont plus transparents aux rayons X que l’aluminium et sont utilisés dans les appareillages d’analyses médicales (tables de radiographie).

Équipements sportifs : skis, raquettes de tennis, vélos, bateaux de compétition, voitures de Formule 1, perches, deltaplanes… Les clubs de golf représentent une part de 38 % des revenus pour les matériaux composites dans le domaine sportif, les raquettes de tennis, 21 %, les bicyclettes, 14 %.

Bibliographie

Documents et informations de Toray, Route Départementale 817, 64170 Lacq.
The Japan Carbon Fiber Manufacturers Association.
T. Kraus and M. Kühnel, « Global carbon fiber market remains on upward trend », Reinforced plastics, nov-dec 2014, p 38-45.
M. Sauer, « Composites Market Report 2019« , Carbon composites, septembre 2019.
F. Pohlkemper et al, « Market analysis of carbon fiber production with reference to the oxidation ovens used« , Applied research, 30 décembre 2023.
S. Das, J. Warren, D. West, S.M. Schexnayder, « Global carbon fiber composite supply chain competitiveness analysis », CEMAC, mai 2016.

Archives

Fibres de carbone 2023

Fibres de carbone 2022

Fibres de carbone 2019

Fibres de carbone 2014

Fibres de carbone 2013

Fibres de carbone 2010

Fibres de carbone 1997

Charbon actif

Données industrielles

Fabrication industrielle

Il est produit à partir de bois, coques de noix de coco, (il faut 50 000 noix de coco pour produire une tonne de charbon actif), noyaux d’olives et aussi à partir de houille, tourbe, lignite, pâte de bois et de résidus pétroliers. En 2020, la part du charbon est de 42 %, celle des noix de coco de 22 %, celle du bois de 18 %.

Le pouvoir adsorbant du charbon est augmenté en éliminant les goudrons qui obstruent les pores. Cette opération (activation) est effectuée soit :

par de la vapeur d’eau à 900-1000°C (activation physique) qui donne un charbon à pores étroits,
par de l’acide phosphorique à 400-500°C (activation chimique) qui donne des pores plus larges.

Le diamètre des pores dépend également de la matière première utilisée. Les coques de noix de coco donnent des micropores (< 2 nm), le bois des mésopores (entre 2 et 50 nm) et des macropores (> 50 nm).

Un gramme de charbon actif a une surface spécifique comprise entre 400 et 2 500 m². Pour l’adsorption des impuretés gazeuses les pores ont de 1 à 2 nm, pour la fixation des impuretés dans les liquides, de 2 à 10 nm. Il est bien adapté pour l’adsorption des gaz. Il est hydrophobe et organophile.

Le charbon est soit en poudre (après utilisation, il est incinéré ou placé en décharge), soit en grains ou extrudé. Dans ces derniers cas, il est régénérable avec 5 à 15 % de pertes, par traitement, à 900°C, par de la vapeur d’eau ou par des lavages acides ou alcalins. En 2023, 61,2 % de la consommation est sous forme de poudre.

Imprégnation : afin de fixer des phases gazeuses spécifiques, par chimisorption, le charbon actif peut être imprégné par divers composés :

du soufre pour fixer le mercure,
de l’iodure de potassium : pour fixer le sulfure d’hydrogène, l’arséniure d’hydrogène, des isotopes radioactifs,
du carbonate de potassium pour fixer le chlorure d’hydrogène, le fluorure d’hydrogène, le dioxyde de soufre.

Productions

En 2015, les capacités mondiales de production sont de 2,1 millions de t/an, dont 900 000 t/an en Chine.
En 2017, la production chinoise est de 493 000 t, à 64 % à partir de charbon.

Commerce international : en 2023.

Principaux pays exportateurs, sur un total de 986 653 t, en 2022 :

en tonnes
Chine	302 653	Allemagne	54 418
Inde	141 861	Sri Lanka	54 069
Belgique	74 256	Pays Bas	25 466
Philippines	65 321	Indonésie	24 887
États-Unis	57 564	Malaisie	18 613

Source : ITC

Les exportations chinoises sont destinées à 16 % à la Corée du Sud, 14 % au Japon, 7 % à la Belgique, 6 % à l’Italie.

Principaux pays importateurs, sur un total de 1,008 million de t, en 2022 :

en tonnes
États-Unis	85 145	Pays Bas	44 019
Allemagne	82 161	France	43 497
Japon	80 949	Italie	40 758
Corée du Sud	68 143	Chine	40 434
Belgique	47 265	Royaume Uni	30 238

Source ITC

Les importations des États-Unis proviennent à 22 % d’Inde, 19 % du Sri Lanka, 11 % du Mexique, 11 % de Chine.

Principaux producteurs :

Cabot, a acquis Norit, en juillet 2012, avec des usines aux Pays Bas (Klazienaveen et Zaandam), Italie (Ravenne), Royaume-Uni (Glasgow et Purton), États-Unis (Marshall, au Texas et Pryor, dans l’Oklahoma). Produit également du charbon actif à travers des joints ventures, à 50 % au Canada, à Estevan dans la province du Saskatchewan, avec Westmor eland Coal Company, à 49 %, au Mexique, à Atitalaquia, dans l’état d’Hidalgo, avec la société Clarimex, et à 35 % à Singapour dans une usine de régénération. En mars 2022, l’activité de Cabot dans le charbon actif a été vendue à One Equity Partners.
Osaka Gas Chemicals, groupe japonais, a acquis en 2014, la société suédoise Jacobi, qui avait racheté en septembre 2011 la société française PICA. La production est réalisée principalement à partir de noix de coco, avec une capacité de production de 120 000 t/an et des usines, en France, à Vierzon (18), aux États-Unis, à Columbus (Ohio), en Italie, à Basiano, au Vietnam à Ben Tre, en Chine à Tianjin, en Inde à Coimbatore avec 16 000 t/an, au Sri Lanka à Colombo avec 9 000 t/an, aux Philippines à Cagayon de Oro avec 20 000 t/an, en Malaisie et au Japon. Les matières premières sont généralement carbonisées au préalable par les fournisseurs de Chine, Philippines, Indonésie, Malaisie, Sri Lanka, Inde, Vietnam. Produit également du charbon actif à partir de bois de pin ou à partir de houille.
Des usines de réactivation, avec 7 000 t/an, sont en activité à Premnitz, en Allemagne, à Saint Gabriel, banlieue de Baton Rouge, en Louisiane, aux États-Unis et à Vierzon, en France.
Datong Coal Jinding Activated Carbon, possède, en Chine une capacité de production de 100 000 t/an obtenue à partir de charbon.
Fujian Yuanli Active Carbon, produit en Chine principalement à partir de bois, avec une capacité de production de 50 000 t/an.
Kuraray, groupe japonais possède une capacité de production de 120 000 t/an qui doit être portée à 145 000 t/an, avec 18 000 t/an à Tsurumi, au Japon et 17 000 t/an à Cebu aux Philippines. A acquis, en septembre 2018, la société Calgon Carbon Corp (Chemviron en Europe) qui utilise principalement des charbons de houille comme matière première, avec des capacités de production de 85 000 t/an.
Les usines de production de Calgon Carbon sont situées aux États-Unis, à Catlettsburgh (Kentucky) et Pearlington (Mississippi) avec 75 000 t/an devant être portée à 100 000 t/an et en France, à Parentis (40) avec 10 000 t/an. Par ailleurs, possède des capacités de régénération de 115 000 t/an (par chauffage à 1000°C) aux États-Unis à Pittsburg (Pennsylvanie), Columbus (Ohio), dans l’Arizona et dans l’État de New York, au Royaume-Uni à Ashton, en Belgique à Feluy, en Italie à Legnago, en Chine à Suzhou.
A acquis, en novembre 2016, auprès d’Arkema, la société CECA qui produit des charbons actifs en France, à Parentis (40), à partir de bois de pin des Landes, activé à la vapeur d’eau. De la sciure de bois est également activée chimiquement. La capacité de production est de 10 000 t/an, à 90 % en poudre.
La société srilankaise Haycarb possède une capacité de production de 56 800 t/an à partir de noix de coco avec 7 unités de production au Sri Lanka, avec 31 800 t/an, en Indonésie, avec 13 000 t/an et en Thaïlande avec 12 000 t/an et 2 000 t/an de capacité de régénération. En 2022-23, la production a été de 48 883 t.

Autres producteurs aux États-Unis :

Evoqua Water Technologies (ex Siemens Water Technologies) utilise comme matière première du charbon bitumineux, de l’anthracite ou des coques de noix de coco. Possède de nombreuses unités de production dont des usines de régénération aux États-Unis à Darlington, en Pennsylvanie, Parker, dans l’Arizona et Red Bluff, en Californie.
Ingevity, division de WestRock, utilise le bois ou la sciure de bois comme matière première avec 2 usines aux États-Unis à Covington (Virginie) et Wickliffe (Kentucky) et une en Chine à Zhuhai.
ADA-ES devenue Arq, aux États-Unis, avec 2 usines de production en Louisiane, 68 000 t/an à Red River Parish et 27 000 t/an à Natchitoches.

Autres producteurs en Europe :

Donau Carbon, filiale de Donau Chemie Group, groupe autrichien, produit à partir de charbon, lignite, noix de coco, bois. La production à partir de noix de coco est réalisée à Mindanao Island, aux Philippines, celle à partir de bois à Dunnellon en Floride, aux États-Unis et les autres productions, à Pischelsdorf, en Autriche. Des activités de régénération sont effectuées à Pischelsdorf et à Frankfurt, en Allemagne.
CarboTech, groupe allemand, produit du charbon actif à partir de charbon, dans son usine d’Essen, en Allemagne.
Desotec, société belge, possède une unité de réactivation à Roeselare, en Belgique.

Situation française

Producteurs :

Kuraray a acquis Calgon Carbon Corp (Chemviron en Europe) qui avait acquis, en 2016, auprès d’Arkema la société CECA qui produit du charbon actif à Parentis (40), avec une capacité de production de 10 000 t/an.
Osaka Gas Chemicals, avec sa filiale Jacobi, ex-PICA, produit et réactive du charbon actif à Vierzon (18) depuis 1956. La capacité de production est de 9 500 t/an. Les noix de coco arrivent par bateaux au Havre puis les containers sont acheminés à Vierzon par ferroutage.

Commerce extérieur : en 2024.

Les exportations étaient de 14 859 t avec comme principaux marchés à :

36 % le Royaume Uni,
15 % l’Espagne,
8 % la Suisse,
6 % la Belgique,
6 % l’Allemagne,
5 % l’Italie.

Les importations s’élevaient à 45 935 t en provenance principalement à :

31 % de Belgique,
20 % de Chine,
16 % d’Allemagne,
10 % des Pays Bas,
8 % d’Inde.

Utilisations

Consommation mondiale, en 2020 : 2,7 millions de t, dont 449 400 t en 2021 aux États-Unis.

Répartition de la consommation mondiale, en 2020.

Chine	39 %	Sud-Est de l’Asie	4 %
États-Unis	17 %	Sous-continent indien	4 %
Europe de l’Ouest	14 %	Europe centrale et de l’Est	4 %
Nord-Est de l’Asie	11 %	Amérique centrale et du Sud	3 %

IHS Markit

Secteurs d’utilisation du charbon actif

Dans le monde, en 2022 (Source : S&P Global)

Traitement de l’eau	40 %	Pharmacie, médecine	6 %
Purification de l’air	22 %	Automobiles	4 %
Agroalimentaire	18 %

Source : IHS Markit

L’usine de traitement de l’eau du Syndicat des Eaux d’Île de France, à Choisy le Roi (350 000 m³ par jour d’eau épurée en moyenne et 800 000 m³ par jour de production maximale pour 1,7 million d’habitants) utilise 21 filtres à charbon actif qui en fixant des bactéries présentes dans l’eau à traiter permet à celles-ci de dégrader les matières organiques. Après ozonation, l’eau traverse une couche de 2,5 m de charbon actif avec un temps de contact de 10 min. Le débit par unité de traitement est de 1 800 m³/h. Les trois usines du Syndicat des Eaux d’Île-de-France sont équipées d’une filière biologique utilisant le couplage « ozone-charbon actif en grains » qui reproduit, en accéléré, les mécanismes de l’épuration naturelle de l’eau à travers le sol.

Actuellement, son utilisation se développe aux États-Unis, pour la fixation du mercure libéré par la combustion du charbon dans les usines de production d’électricité à partir de charbon. En effet le « Clean Air Mercury Rule » de l’Agence de Protection de l’Environnement des États-Unis est devenu effectif en avril 2015. En 2017, la consommation annuelle des États-Unis dans ce secteur est de 150 000 t/an.

Autres secteurs importants de consommation : le traitement des effluents liquides (élimination du sulfure d’hydrogène dissous), la purification de gaz, la décoloration du sucre…

Utilisations diverses :

Le charbon activé n’a ni goût, ni odeur, ni effet désagréable. Il n’a pratiquement aucune contre-indication pour l’alimentation humaine. Par exemple, la décaféination du café, par l’eau (procédé Nestlé), utilise du charbon actif.
Déchloration de l’eau destinée à la fabrication de la bière, des boissons gazeuses…, par action catalytique du charbon actif : HClO et ClO- donnent du dioxygène et des ions chlorures.
En œnologie, pour détacher des vins blancs, par exemple, dans le cas du Champagne produit à partir de pinot noir (raisin noir à jus blanc). Les pigments de la peau du raisin peuvent colorer le jus. D’ailleurs, des vins rouges réputés (Bourgogne, Sancerre…) sont produits avec ce même pinot. Le charbon actif utilisé dans ce cas doit être activé chimiquement et exempt de fer afin d’éviter la casse ferrique du vin.
Il est également utilisé pour l’extraction de l’or des minerais (voir le chapitre consacré à cet élément). La consommation minière a été, en 2014, de 96 000 t.
Utilisé dans le procédé PSA (Pressure Swing Adsorption) de séparation des gaz de l’air afin de produire du diazote, voir le chapitre diazote.
Dans les masques à gaz, certains filtres de cigarettes, les filtres de rétention des vapeurs d’essence émises par le carburateur des automobiles (canister) et lors du remplissage des réservoirs d’essence (dans ce dernier cas, émission de 50 000 t d’hydrocarbures gazeux/an en France et 350 000 t/an en Europe).
En médecine après des empoisonnement par absorption de substances toxiques. C’est un antidote en cas d’intoxication par médicaments, stupéfiants, détergents, produits chimiques agricoles (organo-phosphorés)…

Bibliographie

Activated Carbon Producers Association, Cefic, AV E. Van Nieuwenhuys 4, B-1160, Bruxelles, Belgique.
K. Koehlert, « Activated carbon : fundamentals and new applications« , Chemical Engineering, juillet 2017.
M.A. Tadda et al, « A review on activated carbon : process, application and prospect« , Journal of Advanced Civil Engineering Practice and Research, 2(1):7-13, 2016.
« Activated carbon » sur le site Internet de Kuraray.
BUP n°773, avril 1995.

Archives

Noir de carbone

Données industrielles

Le noir de carbone est dénommé, en anglais, carbon black.

Caractéristiques

Les noirs de carbone sont constitués de carbone (de 98 à 99,7 %) présent sous forme de particules sphériques (de 10 à 500 nm) agrégées (quelques dizaines à quelques centaines de particules). Leur surface spécifique est comprise entre 10 et 300 m²/g.

Il existe de nombreuses qualités de noir de carbone, en fonction des matières premières utilisées, des conditions de combustion et de décomposition thermique.

Fabrication industrielle

Il est produit principalement par combustion incomplète de résidus pétroliers lourds selon le procédé Oil Furnace Black (utilisé pour 98 % de la production mondiale). La réaction a lieu dans un four dans lequel est brûlé du gaz naturel en présence d’un excès d’air. La charge pétrolière est introduite radialement. La température atteinte, de 1400 à 2000°C et la durée de réaction de 1/100 à 1/10 de seconde dépend du type de noir désiré. Les gaz de combustion, contenant le noir de carbone, sont refroidis rapidement par pulvérisation d’eau puis le noir de carbone est récupéré par filtration. Par exemple, l’unité Cofrablack (filiale d’Orion) d’Ambès (33) utilisait 4000 filtres à manche en fibre de verre de 3 m de long et 15 à 20 cm de diamètre. Un courant gazeux inversé vide les filtres alternativement toutes les 2 à 3 minutes. L’achat de la charge pétrolière lourde représente plus de 30 % du prix de vente. Les unités de production ont une capacité moyenne de 75 t/jour et, par usine, on compte, en général, de 2 à 5 unités.

Les rendements sont d’environ 50 % par rapport au carbone contenu dans la charge.

Du goudron de houille est utilisé, partiellement, par Orion dans ses usines allemandes.

Le craquage de l’acétylène, avec des températures de plus de 2000°C, donne les noirs de carbone les plus purs et possédant un caractère conducteur plus marqué. En France, une telle production est réalisée à Berre l’Etang par la Société du Noir d’Acétylène de l’Aubette (SN2A) acquise par Orion Engineered Carbons, en octobre 2018.

Productions

Capacités de production : en 2023, la capacité de production mondiale est de 20 millions de t/an. En 2021, elle était de 8,2 millions de t en Chine avec une centaine d’usines.

Production mondiale : en 2020, elle est de 14 millions de t dont 5,2 millions de t en Chine, en 2021.

Productions de l’Union européenne : en 2023, avec un total de 1,146 million de t.

en tonnes
Allemagne, en 2022	426 373	France, en 2016	140 308
Italie	234 357	Pays Bas, en 2014	112 143
Hongrie, en 2021	156 243	Espagne	80 569
République tchèque, en 2019	144 385	Pologne, en 2017	65 040

Source : Eurostat

En 2017, la production française a diminué avec l’arrêt de la production de l’usine d’Ambès de 50 000 t/an. La production n’étant plus assurée que par un seul producteur, celle-ci est devenue confidentielle.

Commerce international : en 2023.

Principaux pays exportateurs : sur un total de 4,314 millions de t, en 2022.

en t
Russie	776 490	Canada	202 178
Chine	727 228	Allemagne	167 315
Inde	296 666	États-Unis	132 975
Corée du Sud	281 372	Hongrie	127 887
Pologne	239 802	Thaïlande	121 617

Source : ITC

Les exportations chinoises sont destinées à 30 % à la Thaïlande, 24 % au Vietnam, 12 % à l’Indonésie, 4 % à la Pologne.

Principaux pays importateurs.

en t
Thaïlande	358 535	Indonésie	225 051
Pologne	329 894	Allemagne	208 978
Turquie	295 695	États-Unis	179 582
Vietnam	277 369	Inde	158 574
Chine	274 048	Belgique	125 796

Source : ITC

Les importations thaïlandaises proviennent à 52 % de Chine, 14 % de Corée du Sud, 11 % d’Inde, 11 % de Russie.

Producteurs : en capacités mondiales annuelles de production.

en milliers de t/an
Cabot (États-Unis)	2 133	China Synthetic Ruber (Taipei chinois)	860
Aditya Birla Group (Inde)	2 050	PCBL (Inde)	603
Orion Engineered Carbons (Luxembourg)	1 275	Omsk Carbon (Russie)	505
Jiangxi Black Cat Carbon (Chine)	1 155	Longxing Chemical (Chine)	420
Tokai Carbon (Japon)	941

Sources : rapports des sociétés et China Synthetic Rubber

Cabot, exploite 37 usines dans le monde, avec une capacité de production de 2,5 millions de t/an en 2020. Aux États-Unis, en Louisiane à Franklin et Ville Plate, dans le Massachusetts à Billerica et Haverhill, au Texas à Pampa, au Canada, à Sarnia dans l’Ontario, en Argentine à Campana, au Brésil à Maua, en Colombie à Cartagena, en République tchèque à Valasske Mezirici, en France à Lillebonne, en Italie à Ravenne, au Pays Bas à Botlek, en Indonésie à Cilega, au Mexique à Altamira, au Venezuela à Valencia, au Japon à Chiba et Shimonoseki, en Chine à Shanghai, Tianjin et Xingtai.
Birla Carbon, filiale de Aditya Birla Group produit du noir de carbone, avec une capacité de production de 2,050 million de t/an, dans 16 usines, en Égypte avec des capacités de production de 315 000 t/an, en Inde avec 346 000 t/an, à Murdhawa, Patalganga avec 84 000 t/an et Gummidipoondi, en Thaïlande, à Angthong, avec 275 000 t/an, en Chine à Jining avec 120 000 t/an et Weifong et après l’acquisition de Columbian Carbon) aux États-Unis à Ulysses dans le Kansas et Centerville en Louisiane, au Canada à Hamilton dans l’Ontario, au Brésil à Cutatão avec 150 000 t/an et Camacari, en Corée du Sud à Yeosu, en Espagne à Gajano, en Cantabrique, avec 95 000 t/an, en Italie à San Martino di Trecate et en Hongrie, à Tiszaujvaros.
Orion Engineered Carbons (ex Degussa, ex Evonik), n°3 mondial, avec une capacité de production de 1,150 million de t/an et une production de 932 100 t dont 710 700 t pour le renforcement des caoutchoucs (7 % du marché mondial) et 221 400 t destinés à des spécialités (24 % du marché mondial). Dispose de 14 unités de production de noir de carbone, aux États-Unis, à Belpre dans l’Ohio avec une capacité de production de 74 000 t/an, à Borger au Texas avec 105 000 t/an, à Orange au Texas avec 74 000 t/an et à Ivanoe en Louisiane avec 122 000 t/an, en Corée du Sud, à Yeosu avec 245 000 t/an, en Chine, à Quingdao avec 75 000 t/an, au Brésil, à Paulinia dans l’État de Sao Paulo avec 95 000 t/an, en Afrique du Sud, à Port Elizabeth avec 65 000 t/an, en Allemagne, à Cologne avec 142 000 t/an et à Dortmund dans une joint venture à 54 %, avec 128 000 t/an, en Suède, à Malmö avec 45 000 t/an, en Pologne, à Jaslo avec 40 000 t/an et en Italie, à Ravenne avec 75 000 t/an. En France, l’usine de Ambès, avec 50 000 t/an, a fermé fin décembre 2016. A acquis, en octobre 2018, auprès de LyondellBasell, à Berre l’Etang, la Société du Noir d’Acétylène de l’Aubette (SN2A) qui produit du noir de carbone obtenu à partir d’acétylène.
Jiangxi Black Cat Carbon, n°1 chinois et n°4 mondial, possède, en 2020, une capacité de 1,1 million de t/an avec 8 unités de production.
Tokai Carbon, possède des unités de production au Japon, à Kyushu Wakamatsu, Chita et Ishinomaki avec une capacité de production de 202 000 t/an, en Thaïlande à Babgkok avec 180 000 t/an, au Canada avec la société, Cancarb et son usine de Medicine Hat, dans l’Alberta avec une capacité de production de 54 000 t/an. En septembre 2018 a acquis la société Sid Richardson, avec une capacité totale de production de 440 000 t/an, qui exploite 3 usines aux États-Unis, à Big Spring, avec 115 000 t/an, et Borger, avec 170 000 t/an, au Texas et Addis, avec 155 000 t/an, en Louisiane.
China Synthetic Ruber, société taïwanaise, possède, en 2021, une capacité de production de 860 000 t/an avec 8 usines de production, 3 en Chine à Liaoning, Anhuyi et Chongqing avec 285 000 t/an, 1 à Taipei chinois à Kaohsiung avec 120 000 t/an, 1 en Inde à Dahej dans l’État du Gujarat avec 150 000 t/an et 3 aux États-Unis avec sa filiale Continental Carbon, à Phenix dans l’Alabama, Sunray au Texas et Ponca dans l’Oklahoma avec 305 000 t/an.
PCBL, filiale du groupe RP-Sanjiv Goenka, avec, en 2023, une capacité de production de 666 000 t/an et une production de 445 184 t exploite, en Inde, des usines au Bengale Occidental, à Durgapur avec 163 500 t/an, dans le Gujarat, à Palej avec 142 250 t/an et Mundra avec 204 750 t/an et dans le Kerala à Cochin avec 92 500 t/an.
Omsk Carbon, possède une capacité de production de 505 000 t/an, à Omsk avec 250 000 t/an et Volgograd avec 200 000 t/an. Une usine de 160 000 t/an a démarré, en 2018, à Mogilev, en Biélorussie.
Longxing Chemical, possède une capacité de production de 460 000 t/an à Shahe dans le Hebei et Jiaozuo dans le Henan.

Situation française

Production : en 2016, 140 308 t. Depuis, le volume de production est confidentiel.

Producteurs :

Orion Engineered Carbons avec l’usine Cofrablack à Ambès (33) d’une capacité de production de 50 000 t/an qui a fermé fin décembre 2016. A acquis, en octobre 2018, auprès de LyondellBasell, à Berre l’Etang, la Société du Noir d’Acétylène de l’Aubette (SN2A) qui produit du noir de carbone obtenu à partir d’acétylène.
Cabot produit du noir de carbone à Lillebonne (76).

Commerce extérieur : en 2024.

Les exportations étaient de 84 053 t avec comme principaux marchés à :

28 % l’Allemagne,
25 % l’Espagne,
18 % la Belgique,
7 % la Pologne
6 % la République tchèque.

Les importations s’élevaient à 60 108 t en provenance principalement à :

28 % d’Allemagne,
25 % d’Égypte,
11 % d’Italie,
6 % de République tchèque,
5 % de Suède.

Utilisations

Consommations : dans le monde, en 2022, de 14,5 millions de t, dont 4,8 millions de t en Chine. Répartition de la consommation, en 2019.

Chine	36 %	Europe de l’ouest	9 %
États-Unis	11 %	Japon	5 %
Inde	9 %	Thaïlande	4,5 %

Source : IHS Markit

Secteurs d’utilisation du noir de carbone

En 2022, dans le monde (Source : Chemanalyst)

Pneus	65 %		Encres	5 %
Autres caoutchoucs	20 %		Matières plastiques	4 %

Source : Chemanalyst

Utilisations diverses :

Un pneu de 7 kg contient 3 kg de noir de carbone qui lui apporte sa résistance à l’usure. Une automobile (y compris les pneumatiques) contient près de 18 kg de noir de carbone. Les bandes de roulement utilisent des noirs d’environ 30 nm (10 à 20 nm pour les véhicules rapides et tout-terrain), les carcasses et les flancs des noirs de 30 à 60 nm. Les noirs fins apportent de la dureté, les noirs plus gros conservent la souplesse du caoutchouc. Le noir de carbone est actuellement, dans la fabrication des pneus verts, en partie concurrencé par les silices précipitées (voir le chapitre silice synthétiques).
Les encres liquides pour grands tirages (journaux) contiennent près de 10 % de leur masse de noir. Les encres grasses pour offset de 20 à 30 %.
Les peintures pour automobile, les laques pour mobilier et pianos contiennent des noirs très fins (10 à 20 nm).
Le noir de carbone assure, à des teneurs en masse de 1 à 3 %, la protection des plastiques et élastomères contre les UV. Utilisé pour les gaines électriques, les canalisations…
Les noirs de carbone conducteurs (150 000 t/an dans le monde), obtenus, en partie, à partir d’acétylène, sont utilisés dans les piles électriques salines (40 000 t/an), les câbles souterrains de haut voltage (60 000 à 80 000 t/an), les plastiques et caoutchoucs conducteurs…. Dans les câbles conducteurs, les noirs conducteurs sont incorporés dans l’enduction des torons d’aluminium et assurent ainsi l’égalisation du champ électrique et la prévention de l’effet Corona.

Bibliographie

International Carbon Black Association.
L’Actualité chimique, fiche n°31, « Le noir de carbone« , n°395, avril 2015.

Archives

Coke

Données industrielles

Fabrication industrielle

Il est obtenu après élimination des composés volatils du charbon par distillation en vase clos, dans des fours de 12 à 18 m de long, 4 à 8 m de haut et 0,4 à 0,6 m de large. Les fours sont installés en batterie de 25 à 63 fours. La durée de vie des fours est supérieure à 30 ans. Quand le four a démarré, son fonctionnement ne peut-être interrompu. La cokéfaction dure de 20 à 30 heures à 1100-1400°C. Le coke est refroidi par aspersion à l’eau ou sous une atmosphère de gaz inerte.

Une tonne de houille donne en moyenne 750 kg de coke, 30 à 40 kg de goudrons, 7 à 12 kg de benzol (80 % benzène, 15 % toluène, 5 % xylène), 5 à 10 kg de sulfate d’ammonium et 300 à 350 m³ de gaz (60 % H₂ – 25 % CH₄).

Composition du coke (exemple) : carbone : 88 %, cendres : 9 %, eau : 1,7 %, azote : 1,3 %.

Productions

Production mondiale, en 2022 : 792,8 millions de t, Union européenne : 30,3 millions de t.

Production de coke

En 2022, en millions de t, sur un total mondial de 793 millions de t. Source : EIA

en millions de t
Chine	503	Brésil	9,4
Russie	46,8	Pologne	8,5
Inde	41,7	Allemagne	8,2
Japon	28,5	Taipei chinois	5,6
Corée du Sud	14,8	Turquie	4,8
États-Unis	10,3	Colombie	4,4

Source : EIA

Production des principaux pays de l’Union européenne, en 2023, sur un total de 28,206 millions de t.

en millions de t
Pologne	8,003	Italie	1,572
Allemagne	7,487	Slovaquie	1,550
France	2,824	Autriche	1,288
République tchèque	1,914	Espagne	1,280
Pays Bas	1,761	Belgique	1,269

Source : Eurostat

Commerce international : en 2023.

Principaux pays exportateurs sur un total de 31,388 millions de t.

en milliers de t
Chine	8 854	États-Unis	1 367
Pologne	6 768	Russie	1 184
Colombie	3 553	Zimbabwe	588
Mozambique	2 838	Allemagne	586
Indonésie	1 575	République tchèque	584

Source : ITC

Les exportations chinoises sont destinées à 27 % à l’Indonésie, 15 % à l’Inde, 10 % à la Malaisie, 10 % au Brésil, 8 % au Japon.

Principaux pays importateurs, sur un total mondial de 30,572 t.

en milliers de t
Brésil	4 188	Belgique	1 168
Inde	3 840	Afrique du Sud	1 115
Allemagne	2 650	Autriche	1 045
Indonésie	2 478	Canada	1 001
Royaume Uni	1 783	Turquie	925

Source : ITC

Les importations brésiliennes proviennent à 45 % de Colombie, 27 % de Chine, 12 % d’Australie, 9 % des États-Unis.

Principaux producteurs : ce sont les principaux producteurs d’acier, voir ce chapitre.

Situation française

Production de 2,824 millions de t, en 2023, dans 3 cokeries intégrées aux complexes sidérurgiques d’ArcelorMittal à Fos (13) et Dunkerque (59). Après l’arrêt des hauts fourneaux de Lorraine, le coke produit à Sérémange (57) alimente l’usine de Dunkerque.

Commerce extérieur : en 2024, pour le coke de houille.

Les exportations étaient de 110 413 t avec comme principaux marchés à :

78 % la Belgique,
22 % l’Espagne.

Les importations s’élevaient à 790 209 t en provenance principalement à :

41 % d’Allemagne,
29 % de Pologne,
5 % d’Indonésie,
5 % de Chine,
4 % d’Espagne.

Utilisations

Essentiellement en sidérurgie. Il permet d’apporter le carbone nécessaire au fonctionnement du haut fourneau à l’aide d’un matériau perméable, résistant mécaniquement à la compression et non fusible, qualités que ne possède pas la houille qui, en particulier, fond entre 350 et 500°C.

La consommation est de 330 à 450 kg/t de fonte dans un haut fourneau.

Bibliographie

A3M, 17 rue de l’Amiral Hamelin, 75783 Paris Cedex 16.
Verein der Kohlenimpoteure, Ferninandstrasse 35, 20095 Hamburg, Allemagne.
US Energy Information Administration, 1000 Independence Ave., SW
Washington, DC 20585.
Resource-Net.

Archives

Graphite

Données physico-chimiques

Données atomiques

Voir également le chapitre carbone

Structure cristalline

hexagonale de paramètres a = 0,246 nm et c = 0,671 nm.
La structure est formée de feuillets d’atomes de carbone disposés aux sommets d’hexagones, distants entre eux de 0,142 nm. Les feuillets sont distants entre eux de 0,34 nm.

Données physiques

Masse volumique	Dureté	Température de fusion	Température d’ébullition	Conductibilité électrique	Conductibilité thermique	Solubilité dans l’eau
2,25 g.cm^-3	1 à 2	3 652°C	4 827°C	Parallèlement aux feuillets : 25.10³ S.m^-1 Perpendiculairement aux feuillets : 25 S.m^-1	Parallèlement aux feuillets : 1950 W.m^-1.K^-1 Perpendiculairement aux feuillets : 5,7 W.m^-1.K^-1	insoluble

Données thermodynamiques

Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 5,7 J.K^-1mol^-1
Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 8,5 J.K^-1mol^-1

Enthalpie molaire standard d’ébullition à la température d’ébullition : 711 kJ.mol^-1

Données industrielles

En 2016, la consommation mondiale de graphite a été de 2,45 millions de t dont 950 000 t de graphite naturel et 1,5 million de t de graphite synthétique.

État naturel

Dans les gisements, le graphite se présente :

Sous forme de paillettes (flakes, en anglais) de taille supérieure à 100 µm, disséminées dans des roches métamorphiques (gneiss, micaschistes). La teneur en graphite est comprise, avant enrichissement, entre 5 et 40 %. Ils sont principalement présents en Chine, dans la province d’Heilongjiang et au Brésil.
Sous forme « amorphe » (terme impropre car le graphite est cristallisé) de fines particules, inférieures à 1 µm, dans des gisements, en général, plus jeunes que les précédents. La teneur est de 25 à 80 % en graphite, avant enrichissement. Ils sont principalement présents en Chine dans la province du Hunan et au Mexique dans l’État de Sonora.
Sous forme de filon dans des veines (vein ou lump, en anglais) qui peuvent atteindre plusieurs mètres d’épaisseur. La teneur des veines peut varier entre 88 et 99 %. Ce type de gisement est exploité exclusivement au Sri Lanka et représente moins de 1 % de la production mondiale. La société Graphit Kropfmühl, filiale du groupe néerlandais AMG exploite dans ce pays la mine souterraine de Bogala. Les mines souterraines de Kahatagaha et de Kolongaha sont exploitées par la société étatique Kahatagaha Graphite Lanka Limited.

En 2018, les paillettes comptent pour 600 000 t à 800 000 t, le graphite amorphe, 300 000 t et celui en filon, 4 000 t.

Les minerais, après broyage, sont enrichis par flottation, le graphite étant naturellement hydrophobe. Les concentrés mis sur le marché ont généralement une teneur de 60 à 70 % en carbone avant une purification, également par broyage et flottation, donnant une teneur d’environ 85 %.
Des teneurs plus élevées, de 99 % jusqu’à 99,95 %, peuvent être obtenues par traitements chimiques, en particulier à l’aide d’acide fluorhydrique pour éliminer la silice, ou thermiques.

Productions

Production de graphite naturel

En milliers de t, en 2024, pour un total mondial de 1,6 million de t. Source : USGS

en milliers de t
Chine	1 270	Russie	20
Madagascar	89	Canada	20
Mozambique	75	Corée du Sud	9,6
Brésil	68	Corée du Nord	8,1
Inde	27,8	Norvège	7
Tanzanie	25	Sri Lanka	3,3

Source : USGS

Avec le développement des besoins suscités par la demande pour les batteries au lithium, de très nombreux projets d’exploitation minière sont en cours d’étude.

La production chinoise provient, principalement, des provinces de Heilongjiang et Shandong. Elle est à 15 % « amorphe » et à 85 % sous forme de paillettes.
Au Mozambique, les exploitations minières sont situées au nord du pays dans la province de Cabo Delgado, le graphite produit étant destiné à l’exportation par le port de Pemba.
- La société Graphit Kropfmühl, filiale du groupe néerlandais AMG exploite en association avec l’Empresa Moçambinaca de Exploração Mineira, la mine à ciel ouvert de Ancuabe dans la province de Cabo Delgado, réouverte en juillet 2017, avec une capacité de production de 9 000 t/an. Par ailleurs, exploite des mines de graphite en Allemagne, à Kropfmühl, au Sri Lanka, à Bogala et en Chine.
- En novembre 2017, la société australienne Syrah Resources a commencé à produire, dans sa mine à ciel ouvert de Balama avec, en 2023, une production de 94 000 t de graphite en paillettes à une teneur de 98 %. La capacité de production est de 350 000 t/an. Les réserves prouvées et probables sont de 110 millions de t de minerai renfermant 16,4 % de graphite. Le minerai renfermant également du vanadium avec une teneur de 0,23 % de V₂O₅, l’exploitation de cette coproduction est envisagée. Par ailleurs, Syrah Resources a construit, à Vidalia, en Louisiane, aux États-Unis, une usine, BAM, de fabrication de graphite sphérique destiné aux batteries lithium-ion d’une capacité initiale de 11 250 t/an pouvant être portée à 45 000 t/an.
- Triton Minerals, société des Émirats Arabes Unis dans laquelle le groupe chinois Jinan Hi Tech a une participation de 34 %, développe le projet d’Ancuabe, adjacent à la mine de Graphit Kropfmühl, avec des réserves de 24,9 millions de t de minerai renfermant 6,2 % de graphite. La production prévue est de 60 000 t/an. Développe également le projet Cobra proche de la mine de Balama exploitée par Syrah avec des ressources estimées à 103 millions de t renfermant 5,2 % de graphite.
- Sur le gisement de Balama, la société australienne Battery Minerals a développé un projet minier contigu à celui de Syrah avec des réserves de 19,66 millions de t renfermant 11,06 % de graphite. La production prévue est de 58 000 t/an. Par ailleurs a développé un autre gisement proche, celui de Montepuez possédant des réserves de 42,19 millions de t à 9,27 % de graphite et une production prévue initialement de 50 000 t/an et pouvant atteindre 100 000 t/an. En 2022, cette activité a été vendue à Tirupati Graphite.
La production brésilienne provient de l’État du Minas Gerais. Les mines sont exploitées principalement par la société Nacional de Grafite, avec une capacité de production de 70 000 t/an, dans les usines de Pedra Azul, avec 36 000 t/an, Salto da Divisa, avec 12 000 t/an et Itapecerica, avec 9 000 t/an.
Madagascar produit, depuis 1907, du graphite de qualité exceptionnelle. En 1925, Madagascar était premier exportateur mondial. Exploité à ciel ouvert, la teneur, de 3 à 10 % est concentrée, par flottation, à 85 – 90 %. Les principaux producteurs sont :
- Les Établissements Gallois avec 140 000 t/an dans 2 mines (Antsirakambo avec 80 000 t/an et Marovintsy avec 60 000 t/an) situées sur la côte est, dans la région de Toamisina. En 2017, la production a été de 60 000 t.
- Greenwing Resources (ex Bass Metals) qui a débuté, en 2018, l’exploitation de la mine de Graphmada, avec une production de 1 962 t renfermant 93 % de graphite et une production prévue de 6 000 t/an pouvant être portée à 20 000 t/an. Les ressources sont de 61,9 millions de t renfermant 4,5 % de graphite.
- Tirupati Graphite, société indienne, développe deux projets, Vatomina et Sahamamy à 70 km du port de Toamasina. En 2022-23, la production est de 4 770 t avec une capacité de production de 30 000 t/an. Les ressources indiquées sont de 4,6 millions de t de minerai renfermant 4,2 % de graphite. En 2022, a acquis le gisement de Balama, développé par Battery Minerals, au Mozambique
- La société canadienne NextSource, développe dans le sud de l’île, le projet Molo avec une capacité de production de 17 000 t/an pouvant atteindre 45 000 t/an. Les réserves prouvées et probables sont de 23,6 millions de t renfermant 7,02 % de graphite. La première expédition de graphite a eu lieu en octobre 2023.
En Inde, en 2018-19, la production provient à 59 % de l’État d’Odisha, avec les mines du district de Nuwapara et à 40 % de celui de Jharkhand, avec les mines du district de Palamau. 3 des plus importantes mines, sur un total de 9, donnent 82 % de la production.
En Russie :
- La société Krasnoyarskgrafit exploite le gisement de Kureyskoe situé à la confluence de la rivière Kureika et du fleuve Ienisseï. La capacité de production est de 15 000 à 20 000 t/an.
- La société UralGraphite exploite la mine à ciel ouvert de Taiginsky dans la région de Chelyabinsk, depuis 1942. La capacité de production est de 15 000 t/an.
- La société Dalgraphite développe l’exploitation du gisement de Soyaznoye, dans la région de Birobidzhan, dans le Sud-Est de la Sibérie avec une capacité de production prévue de 40 000 t/an et des ressources de 116 millions de t renfermant 12,5 % de graphite.
En Ukraine, la production est principalement assurée par Zavalivskiy Graphite qui exploite un gisement dans la région de Kirovograd avec une capacité de production de 30 000 t/an.
En Norvège, la société Mineral Commodities (MRC) exploite la mine souterraine de Trælen dans la péninsule de Skaland située dans le nord du pays. La capacité de production est de 16 000 t/an avec des réserves de 0,60 million de t renfermant 24,8 % de graphite. En 2023 la production a été de 6 483 t de concentrés renfermant 93 % de graphite.
La production canadienne se développe avec :
- La mine du Lac-des-Iles, située au Québec, qui était exploitée depuis 1989, par Imerys. La mine, à ciel ouvert, a une capacité de production de 25 000 t/an. En décembre 2021, la mine a été acquise par Northern Graphite. En 2023, la production a été de 4 261 t de concentré de graphite et les ressources indiquées sont de 3,29 millions de t renfermant 6,4 % de graphite. Par ailleurs, Northern Graphite développe des projets en Namibie à Okanjande avec une production prévue pour 2025 avec 31 000 t/an et au Canada, en Ontario à Bisset Creek avec 44 000 t/an prévues pour 2026.
- La mine Black Crystal, en Colombie Britannique est exploitée, depuis 2016, à ciel ouvert, par Eagle Graphite. En 2019, la production est de 92 592 t de minerai renfermant 9 % de paillettes soit 7 500 t de graphite avec une pureté comprise entre 94 et 98 %. Les ressources mesurées et indiquées sont de 19,23 millions de t de minerai renfermant 1,35 % de paillettes de graphite.
- La mine de Kearney, dans l’Ontario, exploitée par Ontario Graphite, prévoit une production de 22 000 t/an. La mine avait extrait entre 1989 et 1994 17 000 t de graphite. Les réserves prouvées et probables sont de 23 millions de t renfermant 1,95 % de graphite.
- Dans la province du Québec, plusieurs projets sont à l’étude dont celui du Lac Knife, proche de la ville de Fermont, développé, à ciel ouvert, par Focus Graphite avec des réserves prouvées et probables de 7,86 millions de t renfermant 15,13 % de graphite et une production envisagée de 44 300 t/an de concentrés de graphite ou celui du lac Télépisca également par Focus Graphite ou celui au Lac Guéret par la société Mason Resources.

Commerce international : en 2023.

Principaux pays exportateurs sur un total de 541 172 t.

en t
Chine	223 112	Tanzanie	13 216
Mozambique	101 102	Pays Bas	12 911
Madagascar	60 720	Brésil	11 317
Émirats Arabes Unis	53 939	Belgique	9 124
Allemagne	16 191	États-Unis	8 332

Source : ITC

Les exportations chinoises sont destinées à 35 % au Japon, 22 % à la Corée du Sud, 10 % à l’Inde, 8 % aux États-Unis.

Principaux pays importateurs, sur un total de 705 830 t, en 2022.

en t
Chine	93 005	Inde	46 657
Canada	85 110	Allemagne	43 946
États-Unis	73 329	Pologne	14 525
Corée du Sud	52 020	Pays Bas	13 141
Japon	51 510	Belgique	12 422

Source : ITC

Les importations chinoises proviennent à 59 % du Mozambique, 27 % de Madagascar, 12 % de Tanzanie.

Réserves de graphite naturel

En millions de t, en 2024, sur un total mondial de 290 millions de t. Source : USGS.

en millions de t
Chine	81	Russie	14
Brésil	74	Vietnam	9,7
Madagascar	27	Inde	8,6
Mozambique	25	Turquie	6,9
Tanzanie	18	Canada	5,9

Source : USGS

Situation française

En 2024.

Pas de gisement exploité.

Commerce extérieur :

Les exportations étaient de 207 t avec comme principaux marchés à :

46 % l’Algérie,
21 % le Brésil,
15 % l’Allemagne,
10 % les États-Unis.

Les importations s’élevaient à 5 384 t en provenance principalement à :

40 % d’Espagne,
29 % d’Allemagne,
6 % la Chine,
6 % le Brésil.

Utilisations du graphite naturel

Consommation : dans le monde, en 2020, 1,1 million de t dont 76 000 t aux États-Unis, en 2023.

Surtout utilisé pour ses qualités réfractaires (briques, creusets), lubrifiantes, de conduction électrique et sa résistance chimique.

Propriétés particulières : la structure cristalline du graphite constituée de feuillets de graphène liés entre-eux par des liaisons faibles de Van der Waals, lui confère ses propriétés originales :

lubrifiantes : par glissement des feuillets les uns par rapport aux autres,
d’anisotropie électrique : la conductivité électrique est d’environ 1000 fois plus importante dans les feuillets qu’entre-eux,
d’intercalation : diverses espèces chimiques peuvent s’insérer entre les feuillets. Cette propriété qui donne une famille de produits appelés composés d’intercalation est employée pour d’une part fabriquer le graphite expansé et d’autre part intercaler des métaux réducteurs comme le lithium pour élaborer les anodes des batteries lithium-ion.

Afin de satisfaire ses diverses utilisations, le graphite naturel peut subir des traitement variés qui donnent :

du graphite expansé : il est obtenu par traitement de paillettes de graphite à l’aide d’un mélange d’acides sulfurique et chromique ou nitrique. On obtient ainsi un composé d’intercalation avec oxydation du carbone selon la réaction suivante :

24 C + 0,25 O₂ + 3 H₂SO₄ = [C₂₄]⁺ [HSO₄]^–,2H₂SO₄ + 0,5 H₂O

Un chauffage brutal, vers 900-1000°C, se traduit par l’expulsion, sous forme gazeuse, des espèces intercalées et l’exfoliation des feuillets de graphène.

du graphite sphérique : la forme arrondie des particules permet d’augmenter la compacité des anodes pour batteries. La pureté nécessaire est de plus de 99,95 % et la taille des particules doit être comprise entre 10 et 30 µm. Cette production est concentrée en Chine.
des feuilles de graphite : elles sont obtenues par compression de graphite expansé. Elles sont souples et permettent l’élaboration de joints d’étanchéité pour hautes températures.

Secteurs d’utilisation du graphite naturel

En 2018, dans le monde

Secteurs d’utilisation : dans le monde, en 2018.

Réfractaires	46 %	Lubrifiants	5 %
Batteries	14 %	Recarburation de l’acier	4 %
Fonderies	14 %	Produits en graphite	2 %
Produits de friction	6 %

Source : Roskill

Comme produit réfractaire, le graphite présente l’avantage de ne pas être mouillé par les laitiers et les métaux en fusion et de posséder une bonne résistance aux chocs thermiques. Il peut être utilisé seul dans les creusets de hauts fourneaux mais il est plutôt employé associé à d’autres matériaux réfractaires, par exemple en sidérurgie sous forme de revêtements magnésie-alumine-graphite dans le fond des poches de coulée de l’acier, sous forme de magnésie-graphite dans les convertisseurs à oxygène, les fours électriques à arc, les cordons de laitier des poches d’affinage, sous forme d’alumine-graphite pour les buses de coulée continue. La consommation est d’environ 5 kg/t d’acier. En 2017, la consommation mondiale par la sidérurgie est de 560 000 t.
Les batteries lithium-ion utilisent des anodes obtenues à 65 % à partir de graphite naturel sphérique, 30 % à partir de graphite synthétique et 5 % à partir d’autres matériaux. La quantité de graphite utilisé varie de 5 g pour un smartphone à 90 g pour un ordinateur portable et jusqu’à 70 kg pour un véhicule électrique. Le lithium intercalé de façon réversible entre les feuillets de graphène donne une composition correspondant au maximum à LiC₆, la distance inter-feuillet augmentant de 335 pm à 370 pm.
Lors de la décharge, à l’anode, les ions Li⁺ s’insèrent, en se réduisant, entre les feuillets de graphène selon l’équation :

x Li⁺ + x e^– + 6x C = xLiC₆

à la cathode, le lithium est oxydé selon l’équation :

LiCoO₂ = Li_1-xCoO₂ + x Li⁺ + x e^–

Lors de la charge, les réactions inverses ont lieu. L’électrolyte peut être un hexafluorophosphate de lithium, LiPF₆, dissous dans un solvant organique. En 2017, la consommation dans les batteries est de 120 000 t.

Le graphite expansé est utilisé comme retardateur de flamme, en remplacement des composés bromés, en particulier dans les mousses de polyuréthane.
Crayons : inventé par Nicolas-Jacques Conté, en 1794, le crayon graphite classique est consommé, dans le monde, au rythme de 50 millions d’unités par jour. La mine est constituée par un mélange d’argile et de graphite, plus la teneur en argile est élevée, plus le crayon est dur. En Europe, la dureté est donnée par une échelle du plus dur 9H au plus tendre 9B en passant par H, F, HB, B, le crayon étant d’autant plus noir qu’il est tendre. La société Bic qui produisait les crayons graphite de marque Conté dans son usine de Boulogne-sur-Mer au rythme de 700 000 à 800 000 crayons en bois par jour a arrêté cette production après la mise sur le marché du crayon « Évolution » dont tous les composants, y compris la mine, sont fabriqués, par extrusion, à partir du même polymère de base. La production est de un million six cent mille unités par semaine dans l’usine de Boulogne-sur-Mer.

Graphite artificiel et matériaux en carbone

Ils possèdent de meilleures propriétés mécaniques que le graphite naturel (les particules de graphite sont liées entre elles par une phase vitreuse).

Pyrolyse et graphitation

Ces matériaux sont obtenus par pyrolyse (décomposition thermique en l’absence d’agents chimiques extérieurs) de substances organiques telles que les houilles, le pétrole, les polymères, les hydrocarbures, les brais (obtenus par distillation des goudrons). La pyrolyse se traduit par le départ des matières volatiles contenues dans les matières premières, par la rupture de liaisons dans les hydrocarbures, par des polymérisations et par l’élimination de l’hydrogène. De façon générale, la pyrolyse est effectuée en chauffant progressivement les matières premières jusqu’à environ 1 000°C.

Lorsque le chauffage est réalisé rapidement à haute température, en phase gazeuse, on obtient les noirs de carbone et les pyrocarbones.

Lorsque la pyrolyse se traduit par un ramollissement des matières premières (par formation d’une phase liquide) on a cokéfaction : on obtient ainsi le coke et les produits carbonés aptes à la graphitation. La formation d’une phase liquide qui facilite la mobilité des molécules permet aux molécules aromatiques polycondensées de s’orienter en couches parallèles qui faciliteront ainsi la formation de graphite tridimensionnel. Les microcristaux de graphite ont des dimensions de l’ordre de quelques nm.

La graphitation effectuée vers 2 500 – 3 000°C se traduit par l’élimination de défauts dans les cristallites et le grossissement de celles-ci qui atteignent quelques dizaines à quelques centaines de nm.

Matières premières

Les matériaux en graphite artificiel sont souvent utilisés dans des applications qui demandent une grande pureté du graphite. Pour cette raison, on utilise principalement comme matière première le coke de pétrole. Sur une production mondiale annuelle de l’ordre de 25 millions de t de coke de pétrole, environ 1/3 est utilisée pour élaborer des produits carbonés. Sont également utilisés les cokes de brai, l’anthracite calciné et le graphite récupéré lors de l’usinage de pièces en graphite et qui est ainsi recyclé.

Fabrication

Les matières premières calcinées sont broyées puis mises en forme à l’aide d’un liant (goudron ou surtout brais utilisés à 150-180°C). La mise en forme est effectuée par extrusion pour des sections jusqu’à 50 mm de diamètre, par pressage hydraulique jusqu’à 1,2 m, par vibrotassage ou pilonnage pour des diamètres supérieurs. Les produits obtenus, appelés produits crus, sont comparables à des produits céramiques avant cuisson. La mise en forme peut également être réalisée par pressage isostatique à chaud.

Cuisson : elle consiste à réaliser la pyrolyse du liant, ce qui se traduit par un départ de matières volatiles et un retrait du produit qui peut atteindre jusqu’à 35 % en volume. Afin d’éviter, dans le matériau, des contraintes internes importantes, la vitesse de chauffage ne dépasse pas 1°C par heure lorsque les pièces ont un volume important. La cuisson est réalisée entre 800 et 1 200°C dans des fours à chambre ou à sole mobile.

Imprégnation primaire : après cuisson, le produit peut subir une imprégnation primaire qui a pour objet de diminuer la porosité (qui peut atteindre 30 % du volume) créée lors de la cuisson. L’imprégnant est en général du brai de houille qui par chauffage ultérieur (par exemple lors de la graphitation) donnera un squelette carboné qui en étayant les parois des pores augmentera la résistance mécanique du matériau. L’imprégnation est effectuée entre 150 et 180°C sous 8 à 30 bar dans des autoclaves, les pièces à imprégner ayant été préalablement dégazées sous vide.

Graphitation : ne concerne qu’une partie de la production de produits en carbone. Elle est effectuée vers 3 000°C par chauffage par effet Joule (dans des fours Acheson ou unifilaires) ou par induction (pour les produits de faibles dimensions). Lorsque le chauffage est réalisé par effet Joule, les pièces doivent être en contact les unes aux autres ou liées par de la poudre de graphite. Le calorifugeage du four qui peut représenter de 3 à 7 fois la masse des pièces à graphitiser est assuré par de la poudre de produits en carbone. Un cycle de graphitation dure de 1 à 3 semaines dont 8 heures à 3 jours sous tension. L’intensité mise en jeu peut atteindre 120 000 A. L’énergie consommée est de 3 000 à 6 000 kWh/t.

Après graphitation, les produits peuvent subir, en fonction des utilisations futures, des imprégnations secondaires, par des résines, des métaux, des verres, du pyrocarbone ou par du phosphate d’aluminium qui diminue l’oxydation des anodes destinées à l’électrométallurgie de l’aluminium. Des purifications (élimination du vanadium, du sodium, par traitement à haute température à l’aide d’halogènes) ou le dépôt de revêtements protecteurs (en SiC…) sont également réalisés.

Productions

La production mondiale de graphite synthétique est, en 2016, de 1,515 million de t dont 697 000 t en Chine.

Producteurs : quelques producteurs mondiaux.

Showa Denko (SDK) devenu Resonac, au Japon, important producteur d’électrodes pour aciéries électriques avec 259 000 t/an.

GrafTech, produit des électrodes pour aciéries électriques et pour l’élaboration de métaux non ferreux aux États-Unis à St Marys, en Pennsylvanie, au Mexique à Monterrey, en Espagne à Pampelune, en France à Calais (62) avec au total 178 000 t/an en 2024. En 2020, la production est de 134 000 t.

Graphite India, produit des électrodes pour métaux ferreux et non ferreux en Inde à Durgapur, Nashik et Bangalore ainsi qu’en Allemagne à Nurnberg, avec 98 000 t/an.

SGL, groupe allemand producteur de produits en carbone à vendu, en octobre et novembre 2017 son activité d’électrodes à Showa Denko et Triton, sa capacité de production était de 96 000 t/an.

HEG, société indienne, crée en 1977 en collaboration avec la Société des Électrodes et Réfractaires Savoie (SERS), filiale de Pechiney, produit des électrodes à Mandideep, dans l’État de Madhya Pradesh, avec une capacité de production de 100 000 t/an.

Mersen, ex Carbone Lorraine est une société française qui regroupe deux activités :

Les systèmes et matériaux avancés regroupant les applications à base de graphite ou d’autres matériaux performants. Cette activité fabrique des revêtements anticorrosion en graphite pour lesquels Mersen est n°1 mondial, des pièces de graphite obtenues par pressage isostatique à chaud en vue d’applications telles que la production de silicium destiné à la fabrication de cellules photovoltaïques, des échangeurs de chaleurs pour l’industrie chimique ou pharmaceutique.
Les applications électriques regroupent les balais d’alimentation électrique et porte-balais pour machines électriques, les frotteurs pour captage de courant par caténaire, les baguiers et systèmes de transfert de signaux. Mersen est n°1 mondial pour la fabrication de balais en graphite pour moteurs électriques industriels.

Les usines de production de produits en graphite sont situées à Gennevilliers (92) et Pagny-sur-Moselle (54) en France, Saint Marys (Pennsylvanie), Bay City (Michigan) et Salem (Virginie) aux États-Unis, Chongqing, en Chine.

Utilisations

Consommation : la consommation mondiale de produit ayant subi la graphitisation, en 2016, est de 1,5 million de t.

Secteurs d’utilisation, du graphite synthétique et naturel, dans le monde, en 2012 :

Électrodes	34 %	Batteries	4 %
Réfractaires pour élaboration de l’acier	20 %	Pièces en graphite	4 %
Lubrifiant	6 %	Produits de friction	2 %
Fonderies (revêtement de creusets)	5 %	Recarburation de l’acier	1 %

Source : Roskill

Électrométallurgie de l’aluminium : annuellement, dans le monde, 6 millions de t d’anodes et plusieurs dizaines de milliers de t de cathodes. La consommation d’anodes est de 450 kg/t de Al. Chaque anode pèse plus de 1 t. Leur production est, en général, intégrée dans l’usine d’aluminium. Elles sont préparées par vibrotassage à partir de coke de pétrole et la cuisson est effectuée à 1 100°C dans des fours à chambres à feux tournants. Le traitement de graphitation n’est pas nécessaire. Afin de réduire la combustion de l’anode, celle-ci est recouverte d’une couche d’aluminium obtenue par pulvérisation de métal liquide.
Les cathodes, dont les durées de vie atteignent de 8 à 10 ans, sont réalisées à partir d’anthracite calciné ou de graphite recyclé. La cuisson a lieu à 1 100°C. Les éléments constituant la cathode (0,7 x 0,5 x 3,3 m) sont liés entre eux par des joints en pâte carbonée qui cuisent lors du démarrage des cuves.
Électrodes pour fours à arc : production mondiale : 1 million de t/an. L’arc électrique produit entre les électrodes apporte la chaleur destinée à fondre la charge du four (dans ce cas l’arc se forme entre les électrodes et le produit à fondre) ou à réduire la charge (dans ce cas, les électrodes s’enfoncent dans la charge).
- Fours à fusion : pour la production d’acier (25 % de la consommation totale d’électrodes), de réfractaires électrofondus, d’abrasifs (corindon…).
- Fours à réduction : électrométallurgie pour produire les ferro-alliages, le silicium, le carbure de calcium, le phosphore…

Consommations : 100 kg/t de silicium, 30 kg/t de phosphore, 2,5 kg/t d’acier.

Les électrodes pour les fours à fusion ont subi la graphitation. Les électrodes pour les fours à réduction sont seulement cuites à 1 000-1 150°C.

Autres utilisations :

Balais pour moteurs électriques et générateurs : le graphite assure le contact électrique et autolubrifie la surface métallique.
Creusets de hauts fourneaux : ils sont constitués de plus de 1 000 t de blocs de carbone, à base d’anthracite calciné, cuits à 1 100°C.
Moules : les métaux, les verres, les scories ne mouillent pas le graphite. Les moules en graphite sont utilisés pour mouler des pièces de verrerie, pour souder des rails par aluminothermie grâce à l’excellente tenue aux chocs thermiques du graphite. L’électro-érosion utilise des électrodes en graphite.
Tuyères : pour missiles tactiques, fusée Ariane, tubes d’injection de diazote dans les bains en fusion d’alliages légers.
Disques de frein pour avions (Airbus), pour les TGV…
Anticathodes : utilisées dans les tubes à rayons X de radiologie. Elles sont en graphite revêtu de tungstène par dépôt chimique en phase vapeur ou par brasage d’une feuille mince. Elles tournent à 12 000 à 15 000 tours/min. Le graphite permet d’évacuer la chaleur engendrée par l’impact des électrons et limiter les effets liés à la force centrifuge (faible masse volumique du carbone).
Génie chimique : dans les échangeurs de température, dans les appareillages de synthèse de HCl (plus de 400 unités vendues par Mersen dans le monde, 75 % du marché), les pompes, les colonnes, les évaporateurs… La résistance à la corrosion du graphite est meilleure que celle de la plupart des métaux (sauf Ta, Ti, Zr). La porosité du graphite est éliminée par imprégnation secondaire à l’aide de résines (phénoliques ou furaniques qui sont polymérisées « in situ ») ou de pyrocarbone.
Isolation thermique de bâtiments par dispersion dans du polystyrène expansé. Le gain d’isolation, pour une même épaisseur peut atteindre environ 20 %.
Nucléaire : les réacteurs de la filière graphite-gaz, actuellement, en France, arrêtés, contiennent 3 000 t de graphite par réacteur. Après le démantèlement de ces centrales, le graphite sera incinéré en lit fluidisé.

Bibliographie

A. Legendre, Le matériau carbone, Eyrolles, 1992.
Le graphite, Mémento du BRGM, 1989.
M. Leguérinel et M. Le Gleuher, « Le graphite naturel et synthétique…« , Minéral Info, BRGM, janvier 2017.
« Supply and demand of natural graphite« , DERA Rohstoffinformationen, juiilet 2020.
European Carbon and Graphite Association (ECGA), Av Broqueville 12, B-1150 Bruxelles, Belgique.
H.A. Wilhelm et J. L’Heureux, « Graphites naturels et synthétiques pulvérulents« , L’Actualité Chimique, n°295-96, mars-avril 2006.
K. Mugerman, « Graphite black gold of the 21st century« , Industrial Alliance, mai 2012.
F. Barthélémy , J.F. Labbé et J.C. Picot (2012) – Panorama 2011 du marché du graphite naturel. BRGM/RP – 61339 -FR, 91 p. 15 fig., 20 tabl.
D. Fragasso, « Le graphite », Bulletin Québec mines, novembre 2015.

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