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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.

Bibliographie

Journal of Chemical Education, 73, décembre 1996, 1163.
F. Bersani, Les stockages souterrains de gaz carbonique, cadre juridique, Conseil Général des Mines, 5 avril 2006.
Enseignements liés aux sites naturels de CO₂, Géologues n°166, Société Géologique de France, 2010.
Carbon capture and long term storage : analysis of 2010 Survey, Series on Chemical Accidents, n°26, OCDE Environment, Health and Safety Publications, Paris, 2013.
P. Broutin, Le captage et stockage du CO₂, IFP Énergies Nouvelles, Novembre 2012.
S. Holloway, J.M. Pearce, T. Ohsumi, et V.L. Hards, « A review of natural CO₂ occurences and releases and their relevance to CO₂ storage » British Geological Survey, CR/05/104, septembre 2005.
P. DiPietro, Carbon dioxide enhanced oil recovery, NETL, décembre 2012.
R. Alis et al., « Natural CO₂ reservoirs on the Coloraco Plateau and Southern Rocky Mountains : candidates for CO₂ sequestration« .
« The global status of CCS/2016« , Global CCS Institute, Melbourne, Australie, mars 2015.
« 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

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Le graphite, Mémento du BRGM, 1989.
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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.

Archives

Diamant

Données physico-chimiques

Données atomiques

Voir également le chapitre carbone.

La structure cristalline est cubique, avec une maille cubique à faces centrées de paramètre a = 0,357 nm. Les atomes de carbone sont situés aux nœuds de la maille ainsi qu’au centre de 4 des 8 sites tétraédriques.

Données physiques

Masse volumique	Dureté	Température de fusion	Température d’ébullition	Conductibilité électrique	Conductibilité thermique	Solubilité dans l’eau
3,51 g.cm^-3	10	> 3 550°C	4 827°C	10^-15 S.m^-1	2 300 W.m^-1.K^-1	insoluble

Données thermodynamiques

Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : 1,9 kJ.mol^-1
Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : 2,9 kJ.mol^-1

Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 2,4 J.K^-1mol^-1
Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 6,1 J.K^-1mol^-1

Données industrielles

La production de diamants synthétiques est nettement plus importante que celle de diamants naturels. En effet, en 2019, la production de diamants synthétiques a été de plus de 14,6 milliards de carats, essentiellement en Chine, celle de diamants naturels, de 142 millions de carats.

État naturel

Les diamants sont constitués de carbone à l’état natif. La teneur en diamants des mines est très faible : il faut traiter en moyenne 3 tonnes de minerai pour obtenir 1 carat soit 0,20 g et 250 t pour produire un diamant de joaillerie, taillé, de 1 carat.

Le plus gros diamant découvert est le Cullinan, en 1905, dans la mine Premier, en Afrique du Sud, avec 3 106 carats avant taille. Ces dernières années, le plus gros diamant blanc et pur, le Diamant du Centenaire, a été découvert en 1986 dans la mine de Premier, en Afrique du Sud, avec 599 ct avant taille, 273 ct après. Dans sa plus grande largeur il mesure 5 cm.

Gisements et exploitations minières :

Les diamants, formés il y a plus de 990 millions d’années dans le magma terrestre, à une profondeur de 125 à 200 km, à des températures comprises entre 900 et 1300°C et à pression très élevée (45 à 60 kbar), sont remontés rapidement à la surface de la terre lors d’éruptions volcaniques. Lors de leur remontée, les diamants n’ont pas eu le temps de se transformer en graphite, forme stable du carbone à la surface de la terre. Les diamants sont donc dans un état métastable. Les gisements se présentent sous forme de :

Cheminées ou « pipes » : cônes renversés s’enfonçant parfois à plusieurs milliers de mètres sous la surface du sol. La roche de ces cheminées est généralement de la kimberlite ou parfois de la lamproite (c’est le cas de la mine d’Argyle). Elle est exploitée d’abord à ciel ouvert et lorsque la profondeur atteinte devient trop importante, une exploitation souterraine prend le relai. Les cheminées volcaniques formées de kimberlite ne contiennent des diamants exploitables que dans 1 cas sur 200, en moyenne. Dans le monde, en 2018, il y a 30 mines de kimberlite en activité.
Dépôts alluvionnaires, dans le lit de fleuves et en bordure du littoral, provenant de l’érosion des cheminées volcaniques : c’est le cas du littoral namibien et des exploitations du Namaqualand d’Afrique du Sud.

Un cas particulier est celui du gisement de Popigaï, en Russie, qui s’est formé il y a 35 millions d’années lors de l’impact d’une météorite, la pression générée lors de l’impact ayant transformé du graphite en diamant. Situé en Sibérie, à 2 000 km au nord de Krasnoïarsk, le cratère possède un diamètre d’une centaine de km. Les diamants présents, de qualité industrielle, ont une taille de 0,5 à 2 mm. Les ressources présentes dans ce gisement seraient considérables.

Actuellement, une partie des stériles rejetés lors des exploitations antérieures est retraitée. Par exemple, autour de la mine de Kimberley, en Afrique du Sud.

Après broyage du minerai, un enrichissement est effectué à l’aide de techniques gravimétriques, par exemple avec un milieu dense de particules de ferrosilicium, les diamants (densité de 3,52) sont extraits avec le ferrosilicium qui est ensuite récupéré magnétiquement et recyclé. Les diamants, hydrophobes et oléophiles, peuvent être séparés en milieu eau-huile puis enfin repérés, un à un, par leur fluorescence sous rayonnement X.

On distingue : les gemmes (environ 20 % de la production en poids et plus de 65 % en valeur) utilisés en joaillerie, les quasi-gemmes (37 à 39 % de la production en poids) qui sont de plus en plus utilisés en joaillerie et les diamants industriels (43 % de la production en poids).

Productions

En 2023. Monde : 111 523 millions de carats pour 12 725 millions de $ US et 114 $US/ct, en moyenne.

en milliers de carats (1 carat= 0,20 g), millions de dollars US et $US/ct
Pays	Production	Valeur	$US/ct	Pays	Production	Valeur	$US/ct
Russie	37 317	3 606	97	Afrique du Sud	5 892	794	135
Botswana	25 095	3 283	131	Zimbabwe	4 913	303	62
Canada	15 981	1 550	97	Namibie	2 385	1 234	517
Angola	9 754	1 532	157	Sierra Leone	525	102	195
R. D. du Congo	8 347	65	8	Lesotho	472	139	294

Source : Kimberley Process

On estime à plus de 400 t la masse totale des diamants extraits dans le monde depuis les origines. En 1950, la production était de 15 millions de carats/an.

La Russie est le premier pays producteur avec des diamants de très bonne qualité. Les mines en exploitation sont principalement détenues par la société Alrosa, qui a produit, en 2023, 34,6 millions de carats. Elles sont regroupées dans divers complexes :
- Udachny avec les cheminées de Udachny et Munskoye et les dépôts alluvionnaires qui ont donné, en 2021, 6,7 millions de carats,
- Nyurba avec les cheminées de Nyurbinskaya et Botuobinskaya et les dépôts alluvionnaires qui ont donné, en 2021, 10,0 millions de carats,
- Mirny avec la cheminée International, les exploitations alluvionnaires ainsi que celle de rejets antérieurs qui ont donné, en 2021, 2,5 millions de carats,
- Aikhal avec l’exploitation de 2 cheminées (Jubilee et Aikhal) qui ont donné, en 2021, 8,2 millions de carats,
- Almazy Anabara avec dans des alluvions, en 2021, 1,4 million de carats,
- Severalmaz avec 2 cheminée, Arkhangelskaya et Karpinskogo qui ont donné, en 2021, 3,6 millions de carats.

Ces gisements, sauf Severalmaz, sont situés dans la république de Sakha, en Yakoutie, dans le Nord-Est de la Sibérie et ils posent de gros problèmes d’exploitation en raison de la température hivernale qui peut atteindre les moins 60°C. Le gisement de Severalmaz est situé dans la région d’Arkhangelsk. En 2023, la République de Sakha compte pour 79 % de la production, la région d’Arkhangelsk pour 21 %.

En 2023, les diamants sont exploités dans 10 mines à ciel ouvert, 3 mines souterraines et dans 11 dépôts alluvionnaires, Alrosa représentant 91 % de la production, AGD Diamonds 9 %.
Les réserves prouvées et probables d’Alrosa, en Russie, sont, début 2021, de 628 millions de carats.

La production du Botswana est assurée par la société Debswana (en joint venture 50/50 entre De Beers et l’État du Botswana) dans 3 mines à ciel ouvert : Jwaneng, Orapa et Letlhakane qui ont produit, en 2024, un total de 17,9 millions de carats. La mine de Jwaneng, est la mine la plus riche, en valeur, dans le monde. Elle est constituée de 3 cheminées exploitées à une profondeur moyenne de 400 m. En 2024, sa production a été de 6,779 millions de carats. Les mines d’Orapa et Letlhakane ont produit 11,156 millions de carats. Les réserves prouvées et probables de Jwaneng sont de 128,6 millions de carats, celles de Orapa de 139,4 millions de carats, celles de Letlhakane de 5,2 millions de carats. La production de la mine de Letlhakane ne provient plus que de l’exploitation des rejets antérieurs, celle de la mine à ciel ouvert ayant cessé en 2017.

La production canadienne est assurée par les mines suivantes :
- Ekati Diamond Mine, située dans les Territoires du Nord-Oues par Arctic Canadian Diamond. En 2023, la production a été de 2,6 millions de carats. Les réserves prouvées et probables sont de 105,4 millions de carats. En mars 2023, la mine a été acquise par la société australienne Burgundy Diamond Mines.
- Diavik Diamond Mine, détenue, depuis novembre 2021, totalement par Rio Tinto, située dans les Territoires du Nord-Ouest, exploitée souterrainement et à ciel ouvert, a produit, en 2024, 2,759 millions de carats. Les réserves prouvées et probables sont de 3,1 millions de t renfermant 2,2 carats par tonne. En novembre 2021, Rio Tinto est devenu le seul propriétaire avec l’acquisition des parts de Dominium Diamond.
- La mine de Gahcho Kué, détenue par De Beers à 51 % et Mountain Province Diamonds à 49 %, également dans les Territoires du Nord-Ouest, a été ouverte en septembre 2016. En 2024, la production a été de 4,7 millions de carats. L’exploitation, avec 3 mines à ciel ouvert, est prévue durer 12 ans avec 4,45 millions de carats/an et une extraction totale de 53 millions de carats. Fin 2023, les réserves probables sont de 23,7 millions de t renfermant 1,41 carats par tonne.
- Le 19 octobre 2016 a été inaugurée la mine Renard, au Québec, détenue par Stornoway. En 2018, la production a été de 1,32 million de carats. Les réserves prouvées et probables sont de 30,187 millions de t de minerai renfermant 0,66 carats/t soit un total de 20 millions de carats. En 2020, l’exploitation a été mis en veille.

En République Démocratique du Congo, dans le Kasaï Oriental et Occidental, la production est essentiellement, à 80 %, artisanale. Les types de diamants produits au Congo sont incolores, bruns, gris, olives et toute la gamme chromatique des jaunes, cognacs et orangés.
La production angolaise provient principalement de la mine de Catoca, détenue à 41 % par la société russe Alrosa, 41 % par la société étatique Endiama et 18 % par le groupe néerlandais LL International Holding. En 2022, la production a été de 5,58 millions de carats et les réserves, en 2019, de 122 millions de carats. Par ailleurs, la société Endiama détient 39 % de la mine de Somihuana en association avec le groupe sud-africain Trans Hex qui en détient 33 %. En 2022, la production a été de 128 000 carats.
En Afrique du Sud, la production est assurée :
- par Petra Diamond, qui a produit en 2023-24, 2,7 millions de carats, dans les mines de Finsch, avec 1,10 million de carats, Cullinan, avec 1,40 million de carats et Williamson, avec 320 000 carats,
- par De Beers Consolidated Mines Limited détenue à 74 % par De Beers et 26 % par Ponahulo Holding, qui exploite la mine de Venetia avec, en 2024, une production de 2,166 millions de carats et des réserves prouvées et probables de 59,7 millions de carats.
Au Zimbabwe, la production est assurée en grande partie par la société étatique Zimbabwe Consolidated Diamond (ZCDCO) qui exploite les mines de Chiadzwa et Chimanimani avec, en 2021, une production de 4,0 millions de carats.
En Namibie, la production est d’excellente qualité, plus de 98 % des diamants sont de qualité joaillerie. La production est assurée par Namdeb, société détenue à parts égales entre De Beers et le gouvernement namibien, avec des réserves prouvées et probables de 77 millions de carats, voir ci-dessous.
La production australienne était assurée par la mine d’Argyle (Nord-Ouest du pays), découverte en 1979, mise en exploitation en 1985, propriété de Rio Tinto. La production a été de 10,945 millions de carats, en 2020. Les diamants produits (50 % de diamants industriels, 45 % de quasi-gemmes, 5 % de gemmes) sont colorés (couleur champagne et cognac et plus rare, rose). La mine, à ciel ouvert, est relayée, depuis 2013, par une exploitation souterraine. Depuis 1985, la mine a produit 800 millions de carats. Les réserves étant épuisées, la mine a fermé en novembre 2020.

Principaux producteurs : en 2020, répartition du marché, en volume, et, en 2016, en valeur.

Sociétés	en volume	en valeur	Sociétés	en volume	en valeur
Alrosa (Russie)	27,5 %	29 %	Catoca (Angola)	5,2 %	7 %
De Beers	23,0 %	38 %	Petra Diamond (Afrique du Sud)	3,0 %	3 %
Rio Tinto	13,5 %	4 %

Sources : Alrosa et De Beers

Alrosa, détenu à 33 % par la Fédération de Russie et 33 % par la République de Yakoutie a produit, en 2023, 34,6 millions de carats, voir ci-dessus avec la production russe. Par ailleurs détient une participation de 41 % dans la mine angolaise de Catoca.
De Beers :
La société a été fondée en 1888 pour exploiter les mines sud-africaines. De Beers est contrôlé à 85 % par Anglo American et à 15 % par l’État du Botswana. Le groupe De Beers extrait des diamants naturels, fabrique des diamants synthétiques et commercialise une grande partie de la production mondiale.
Production de diamants naturels pour un total, en 2024, de 24,712 millions de carats. En millions de carats, en 2024 :
- Namibie : 2,234 par Namdeb, joint venture 50/50 entre De Beers et l’État Namibien, qui exploite d’une part le littoral maritime et d’autre part les mines d’Orange River et Elisabeth Bay, cette dernière étant en vente.
- Botswana : 17,935 par Debswana société détenue moitié-moitié par De Beers et l’État du Botswana, dans les mines de Jwaneng (6,779), d’Orapa et Letlhakane (11,156).
- En Afrique du Sud les exploitations minières sont détenues à 74 % par De Beers et 26 % par Ponahulo Holding. La production, avec 2,166 millions de carats en 2024, a été réalisée dans la mine de Venetia. Fin 1990, arrêt de l’exploitation de la cheminée de Kimberley, appelée « Big Hole », découverte en 1871 puis la production s’est poursuivie dans des mines voisines et à partir des terrils qui ont été vendus en janvier 2016.
- Canada : 2,377 dans la mine de Gahcho Kué dans les Territoires du Nord-Ouest.

Production de diamants industriels et de matériaux ultra durs, par Element Six. Les usines de production sont situées en Irlande (Shannon), Royaume-Uni (Île de Man), Suède (Robertfors), Ukraine (Poltava), Chine (Suzhou), États-Unis (Santa Clara, en Californie) et Afrique du Sud (Springs).

La production de Rio Tinto avec, en 2024, 2,759 millions de carats, provient de la mine de Diavik, au Canada et des réserves de 3,1 millions de t renfermant 2,2 carats/t. Les réserves étant épuisées, la mine d’Aryle, en Australie, a fermé en novembre 2020.
Petra Diamond, a produit en 2023-24, 2,70 millions de carats, principalement en Afrique du Sud avec 3 mines et en Tanzanie avec une mine.
- En Afrique du Sud, exploite les mines de Finsch, avec 1,10 million de carats et Cullinan, avec 1,40 million de carats,
- en Tanzanie, la mine de Williamson, qui est à l’arrêt avec une production à partir de rejets antérieurs de 320 000 carats.

Les réserves prouvées et probables sont de 30 millions de carats.

Réserves : en 2018, sur un total de 1,774 milliards de carats. Répartition :

Russie	41 %		Canada	14 %
Afrique	43 %

Source : Alrosa

Utilisations

En 2013, à 54 % dans la joaillerie et à 46 % dans l’industrie.

Répartition de la consommation de diamants, en joaillerie, en valeur, en 2020, sur un total de 68,3 milliards de dollars.

États-Unis	51 %	Inde	6 %
Chine	11 %	États du Golfe	4 %
Japon	7 %	Reste du monde	22 %

Source : De Beers

Utilisé dans l’industrie pour sa dureté (10, par définition, dans l’échelle de Mohs) dans les abrasifs, filières, trépans, outils de coupe… Les diamants polycristallins et impurs (carbonados et borts) sont préférés aux diamants purs car ils sont moins fragiles. Toutefois, dans ce secteur, les diamants naturels ne représentent que 1 % de la consommation. Ce sont les diamants synthétiques qui assurent 99 % de la consommation.

Un diamant parfait et pur n’absorbe pas la lumière visible et est parfaitement transparent. L’énergie de la bande interdite est de 5,45 eV, énergie nettement supérieure à l’énergie des photons visibles. Cela n’est plus le cas en présence d’impuretés ou de défauts cristallins.

La classification des diamants est réalisée en fonction de la présence d’impuretés qui absorbent ou non dans l’infrarouge. Les diamants de type I peuvent contenir jusqu’à 0,3 % d’azote, ils absorbent vers 8 μm. Ils absorbent également le rayonnement visible dans le domaine du bleu-violet et sont donc colorés en jaune. Les diamants de type II ne contiennent pas d’azote et ils n’absorbent pas le rayonnement infrarouge. Les diamants IIa ne contiennent ni azote ni bore. Les diamants IIb contiennent du bore donnant une absorption du rayonnement visible dans le rouge et donc une couleur bleu. Le diamant « Régent » est de ce type.

Le diamant de type IIb est un excellent isolant (ρ > 10¹⁴ ohm.cm) et le matériau qui possède la conductibilité thermique la plus élevée (2000 W.m^-1.K^-1 à 20°C).

Les diamants se transforment en graphite à l’air vers 600°C et sous vide vers 1500°C.

Diamants synthétiques

Historique

Les laboratoires de recherche ont essayé de reproduire, à l’échelle industrielle, les conditions existant dans le magma terrestre et permettant la formation de diamant. La première synthèse, gardée secrète, a été réalisée en Suède, dans le laboratoire d’Allmanna Svenska Elektriska Aktiebolaget. La première synthèse officielle et brevetée a été réalisée le 16 décembre 1954, dans les laboratoires de General Electric.

Fabrication

Les premières fabrications ont été réalisées sous haute pression et température élevée. Les diamants obtenus, dénommés HPHT, représentent actuellement la plus grande partie (99 %) de la production de diamants synthétiques. Un autre mode d’élaboration par dépôt chimique en phase vapeur (diamants CVD) commence à être industrialisé.

Diamants HPHT : un mélange de graphite et d’un métal de transition (Ni, par exemple) qui sert de solvant pour le carbone (le diamant y est moins soluble que le graphite), entouré de pyrophylitte et muni de contacts électriques permettant le chauffage par effet Joule, forme une chambre de réaction cylindrique qui est placée au centre d’une presse tétraédrique. Entre 1667 et 1728°C, à 54 kbar, le diagramme de solidification Ni-C présente une zone fondue en présence de C cristallisé sous sa forme diamant. Le taux de croissance est d’environ 1 mm/jour. La pyrophylitte (phyllosilicate de la famille du talc) présente l’avantage d’être plastique sous haute pression et donc de transmettre de façon homogène les pressions exercées.

Les diamants produits sont, en général, de couleur jaune (due à la présence d’azote) ou verte. Ils font souvent moins de 1 carat et 5 à 6 dixièmes de mm. Un diamant de 14,2 carats, de bonne qualité industrielle a été produit par De Beers.

Les producteurs de diamants synthétiques produisent aussi du nitrure de bore cubique (dont la dureté approche celle du diamant) qui demande également, pour son élaboration, de très hautes pressions. Les produits proposés vont des poudres microniques, aux grains, aux pierres et aux plaquettes polycristallines (pour outils d’usinage et pièces d’usure) obtenues par frittage de grains de diamant ou de nitrure de bore cubique.

Diamants CVD : des revêtements de matériaux par des couches minces (5 à 10 μm) de diamant, réalisées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), sont commercialisés. De même, des diamants synthétiques de bonne qualité commencent à être produits par dépôt chimique en phase vapeur. La croissance du diamant (polycristallin, nanocristallin ou monocristallin) est réalisée à partir d’un substrat de diamant que l’on fait croître. La croissance est réalisée sous pression réduite, en présence de méthane et de dihydrogène, qui, sous l’action d’une décharge électrique, donnent un plasma.

Production

En 2011. Monde : 4 380 millions de carats.

en millions de carats
Chine	4 000	Japon	34
États-Unis (2017)	125	Biélorussie	25
Russie	80	Suède	20
Afrique du Sud	60	Ukraine (2008)	4
Irlande	60	France	3

Source : USGS

En 2019, la production chinoise est de 14,6 milliards de carats.

La production de diamants synthétiques était de 329 millions de carats en 1990.

Producteurs :

Aux États-Unis, la production est assurée par Diamond Innovations, filiale de Hyperion, à Worthington, dans l’Ohio et par Mypodiamond à Smithfiels en Pennsylvanie.

Element Six, détenu, pour la branche abrasifs à 60 % par le groupe De Beers et 40 % par Umicore, possède des usines de production en Irlande à Shannon, au Royaume-Uni dans l’Île de Man, en Suède à Robertfors, en Ukraine à Poltava, en Chine à Suzhou, aux États-Unis à Santa Clara, en Californie et en Afrique du Sud à Springs.

Recyclage

Après utilisation, les diamants industriels peuvent être recyclés, cela a représenté 120 millions de carats, en 2019, aux États-Unis.

Utilisations

Consommation : en 2019, les États-Unis ont consommé 460 millions de carats.

Les diamants synthétiques sont plus adaptés à la plupart des besoins industriels que les diamants naturels : ils possèdent un meilleur pouvoir de coupe et ont une durée d’utilisation plus longue. Ils couvrent 99 % des besoins industriels mondiaux en diamant.

En 1992, plus de 250 000 ct de diamants ont été utilisés pour raboter sur 120 km, la surface (1,8 millions de m² de béton) d’une autoroute américaine, en Floride.

Leur utilisation est limitée à 700°C (transformation en graphite) et au travail de matériaux ne réagissant pas avec le carbone. Ils sont, jusqu’à 1 200°C, remplacés par le nitrure de bore cubique.

Les dépôts de diamant sont utilisés pour usiner des alliages Al-Si, des composites Al-SiC…

Bibliographie

J-C. Michel, « Les mutations du monde du diamant », Ecomines, BRGM, décembre 2006 et janvier 2007.
J-C. Michel, « Les diamants synthétiques ou de culture », Ecomines, BRGM, janvier 2008.
Diamants-infos, 56 rue la Fayette, 75009 Paris.
Diamondfacts.org.
Processus de Kimberley, Avenue Isiro n°8, Kinshasa-Gombe, R. D. du Congo.
World Diamond Council, 580 Fifth Avenue, 28 th Floor, New York, NY 10036, États Unis.
Natural Diamond Council.
De Beers, rapports annuels et informations, 17 Charterhouse Street, EC1N6RA London, Royaume Uni.
The global diamond industry, Bain & Company, AWDC, 2021.
Du diamant naturel au diamant de synthèse, Revue du Palais de la Découverte, n°245, février 1997.

Archives

Charbon

Données industrielles

État naturel

La teneur en carbone des charbons est d’autant plus élevée qu’ils sont plus anciens. On distingue les charbons par leur teneur en carbone, leur pouvoir calorifique (quantité de chaleur en millithermie dégagée par 1 kg de charbon) ou en fonction de leurs propriétés et utilisations, par exemple :

Gras, charbons à coke ou charbons métallurgiques qui sont utilisés pour produire le coke destiné à la métallurgie.
Flambants ou charbons-vapeur qui sont utilisés pour produire de l’énergie dans les chaudières industrielles. Ce sont les charbons les plus abondants.

Les charbons sont également classés d’après leur teneur en carbone :

La tourbe ou lignite brun est de formation récente, au quaternaire. Elle renferme de 25 à 35 % de carbone, 30 % d’oxygène, 6 % d’hydrogène et est extraite des marais.
Le charbon sub-bitumineux ou lignite noir s’est formé au tertiaire. Il renferme de 35 à 45 % de carbone, 25 % d’oxygène, 5 % d’hydrogène.
Le charbon bitumineux s’est formé à l’ère primaire (carbonifère, 360 à 300 millions d’années). Il renferme de 45 à 86 % de carbone.
L’anthracite contient plus de 86 % de carbone. Il est très recherché, mais les réserves mondiales sont peu abondantes. Il est principalement utilisé pour le chauffage domestique individuel.

Exploitations minières

A ciel ouvert ou découvertes : le charbon est exploité ainsi lorsque la couche de stérile ne dépasse pas de 200 à 400 m d’épaisseur.
Elles présentent l’avantage, par rapport aux exploitations souterraines, d’une productivité nettement supérieure (les dernières mines mises en exploitation extraient de 10 à plus de 30 millions de t par an), d’une mise en exploitation plus rapide (2 à 5 ans, au lieu de 10 ans), de coûts d’exploitation plus réduits, de taux de récupération qui peuvent atteindre plus de 90 % et de conditions de travail moins dangereuses. L’activité minière est dans ce cas une activité de type travaux publics. Par exemple, en France, pour l’exploitation de la « Grande Découverte » de Carmaux, 82 millions de t de stériles ont été déplacées pour extraire, en 10 ans, 1,2 million de t de charbon.

La plus grande exploitation, à ciel ouvert, dans le monde, est celle de Cerrejón, dans la péninsule de Guajira, au Nord-Est de la Colombie. Le gisement s’étend sur 69 000 hectares et le complexe minier, comprenant, la mine, la voie ferrée et le port, était propriété à parts égales d’Anglo American, BHP Billiton et Glencore. En janvier 2022, Glencore a acquis des parts de ses partenaires. L’exploitation minière utilise 240 camions de 320, 240 et 190 t de capacité. La production de 22,0 millions de t, en 2023, est acheminée par voie ferrée, sur 150 km, par des convois pouvant atteindre 130 wagons, jusqu’à Puerto Bolivar sur la mer des Caraïbes. Le charbon est destiné exclusivement à l’exportation. Les réserves prouvées et probables sont de 260 millions de t.

Dans le monde, les exploitations minières sont de plus en plus à ciel ouvert. La moyenne mondiale est de 40 %, en 2006, alors qu’elle était de 22 % en 1970. En 2018, les exploitations australiennes sont à 80 % à ciel ouvert, celles des États-Unis à 63,6 %.

Souterraines : les mines sont exploitées selon deux méthodes principales.

La méthode des chambres et piliers laisse subsister des piliers maintenant la voûte, ces piliers pouvant renfermer 40 % du charbon présent initialement. Les piliers peuvent être parfois, ensuite, abattus,
celle de longue taille exploite un front de taille sur 3 à 4 km de long et 250 à 400 m de large, en maintenant temporairement la voûte par des vérins hydrauliques puis en la laissant s’effondrer derrière l’exploitation, c’est le foudroyage qui permet de récupérer environ 75 % du charbon contenu.

Une unité d’exploitation comporte au moins 2 puits reliés entre eux par un ensemble de galeries pour assurer la circulation d’air (aérage) afin de diluer le grisou (CH₄) et abaisser la température. Du diazote sous pression est utilisé comme gaz d’inertage, à titre préventif et curatif, pour traiter les zones déjà exploitées dans lesquelles le charbon restant a tendance à s’échauffer par oxydation à l’air.
L’eau est évacuée (exhaure) par une cascade de pompes vers la surface (les débits moyens sont de 20 à 30 m³/min/unité).

Exemple du bassin de Lorraine exploité par les Houillères du Bassin de Lorraine (groupe Charbonnages de France), les dernières unités de production ayant fermé en 2004.
Le gisement lorrain est le prolongement, en France, du gisement exploité depuis le XVI^ème siècle en Sarre où il affleure. L’exploitation a débuté, en 1856, à Petite-Rosselle. La structure géologique du gisement est complexe. L’inclinaison des veines de charbon varie de l’horizontale (« plateures » entre 0 et 30° d’inclinaison) à la verticale (« dressants » pour une inclinaison > 65°), en passant par les « semi-dressants ». Avant la fin de l’exploitation, 3 unités exploitaient des « plateures » : La Houve à Creutzwald (profondeur : 1 000 m), Reumaux à Freyming-Merlebach (profondeur : 1 250 m) et Forbach. Une unité (Vouters à Freyming-Merlebach) exploitait les « dressants ».

Concentration : après extraction, le charbon brut est dirigé vers des lavoirs. Il est immergé dans un liquide dense composé d’eau et de particules de magnétite en suspension afin d’augmenter la densité du milieu. Ainsi, le charbon plus léger, flotte à la surface et est récupéré par raclage et les schistes, plus denses, coulent au fond du bac.

Productions

Production de charbon

En 2023, en millions de t sur un total de 9 096 millions de t. Source : Energy Institute Statistical Review of World Energy

en millions de t, en 2023
Chine	4 710	Russie	432
Inde	1 011	Afrique du Sud	228
Indonésie	775	Kazakhstan	116
États-Unis	526	Allemagne	102
Australie	456	Pologne	89

Source : Energy Institute Statistical Review of World Energy

La production de l’Union européenne est, en 2023, de 291,7 millions de tonnes.

En 2018, en Chine, on compte 3 373 mines, après la fermeture de 628 mines en 2012, 770 mines en 2013, 1 725 mines en 2014 et de 5 000 mines entre 2014 et 2018. La production chinoise est située dans le nord du pays, en particulier dans la province de Mongolie Intérieure, avec, en 2019, 27,6 % de la production du pays, de Shanxi, avec 25,9 % et de Shaanxi, avec 16,9 % alors que les régions consommatrices sont situées à l’est. Le charbon représente actuellement 40 % du fret transporté par les chemins de fer chinois, le charbon extrait en Chine étant transporté à 60 % par rail.
En 2022, aux États-Unis, les principales mines en activité sont les suivantes :

en millions de t
Black Thunder (Arch Coal)	62,2	Belle Ayr	14,3
North Antelope Rochelle (Peabody)	60,4	Freedom (dans le Dakota du Nord)	11,9
Antelope Coal (Navajo Transitional Energy Company)	21,7	Cordero (Navajo Transitional Energy Company)	11,7
Buckskin	18,2	Caballo (Peabody)	11,4
Eagle Buttle	15,1	Bailey (en Pennsylvanie)	10,8

Source : EIA

Ces mines sont toutes à ciel ouvert sauf Bailey et situées dans le Wyoming, sauf Freedom et Bailey, Freedom est une mine de lignite. Au total, aux États-Unis, il y a, en 2019, 658 mines en activité. En 2019, la production est à 47,9 % de charbon bitumineux, 44,1 % de sub-bitumineux, 7,5 % de lignite et 0,37 % d’anthracite. En 2021, la production est à 61,8 % à ciel ouvert, 38,2 souterraine.

La capacité de production des mines est de 790 millions de t/an. Le maximum avait été atteint en 2009 avec 1,276 milliard de t/an.

En Australie, en 2019, la production provient du Queensland à 52,5 %, principalement de charbon métallurgique et de Nouvelle Galles du Sud à 43,2 %, principalement de charbon-vapeur. La production de lignite provient principalement de la province de Victoria.

Production de charbon-vapeur, en 2018. Monde : 5 977 millions de t, Union européenne : 60 millions de t.

en millions de t
Chine	3 026	Australie	258
Inde	676	Afrique du Sud	254
États-Unis	562	Russie	245
Indonésie	543	Kazakhstan	96

Source : Eurocoal

Production de charbon-métallurgique, en 2018. Monde : 1 033 millions de t, Union européenne : 16 millions de t.

en millions de t
Chine	534	États-Unis	72
Australie	179	Inde	49
Russie	93	Kazakhstan	11

Source : Euracoal

Production de lignite, en 2019. Monde, en 2018 : 803 millions de t, Union européenne, en 2019 : 308 millions de t.

en millions de t
Allemagne	131	Australie, en 2018	46
Turquie	86	Inde, en 2018	45
Russie, en 2018	81	Serbie	39
Pologne	50	République tchèque	37
États-Unis, en 2018	52	Bulgarie	28

Source : Euracoal

En 2018, le lignite représente 9,3 % de la production mondiale et 77,2 % de celle de l’Union européenne avec 98 % de la production allemande, 48 % de celle de la Pologne, 18 % de celle de la Russie, 9 % de celle de l’Australie, 7,5 % de celle des États-Unis et 6 % de celle d’Inde.
La production chinoise de lignite, non prise en compte par l’IEA, serait de 272 millions de t.

Productions de l’Union européenne : en 2023. Total : 49,7 millions de t de houille et 223,7 millions de t de de lignite.

en millions de t de houille et ( ) de lignite
Pologne	48,3 (40,1)	Grèce	(9,7)
République tchèque	1,4 (28,7)	Hongrie	(4,1)
Allemagne	(102,3)	Slovénie	(2,4)
Bulgarie	(21,0)	Slovaquie	(0,8)
Roumanie	(14,8)

Source : Euracoal

Dans l’Union européenne, en 2022, l’industrie charbonnière emploie 143 669 personnes.

En Allemagne, en 2018, les 2 dernières mines souterraines de production de houille en activité, Prosper-Haniel dans la Ruhr et Ibbenbüren en Rhénanie du Nord-Westphalie qui produisait de l’anthracite, ont fermé. La dernière mine de Sarre avait fermé en juin 2012, Auguste Viktoria dans la Ruhr avait fermé le 1^er janvier 2016.
La production de lignite, à ciel ouvert, est réalisée dans quatre régions :

Rhineland, dans la région de Cologne, Aachen et Mönchengladbach, avec 95,2 millions de t, en 2015, dans 3 mines.
Lusatian, au Sud-Est du Brandenburg et au Nord-Est de la Saxe, avec 62,5 millions de t, dans 4 mines.
Centre, au sud de Leipzig, avec 18,9 millions de t, dans 2 mines.
Amsdorf, en Basse Saxe, avec 330 000 t.

Les réserves allemandes sont, en 2020, de 35,9 milliards de t de lignite.

Commerce international : hors lignite, en 2023.

Principaux pays exportateurs, sur un total de 1 338 millions de t.

en millions de t
Indonésie	380	Mongolie	67
Australie	349	Colombie	57
Russie	204	Canada	39
États-Unis	91	Kazakhstan	29
Afrique du Sud	74	Mozambique	13

Source : ITC

Les exportations indonésiennes sont destinées à 29 % à l’Inde, 22 % à la Chine, 9 % aux Philippines, 7 % à la Malaisie.

Principaux pays importateurs.

en millions de tonnes
Chine	311	Vietnam	45
Inde	252	Turquie	39
Japon	167	Malaisie	38
Corée du Sud	119	Philippines	36
Taipei chinois	59	Allemagne	30

Source : ITC

Les importations chinoises proviennent à 33 % de Russie, 22 % de Mongolie, 21 % d’Indonésie, 17 % d’Australie.

En 2021, les importations de l’Union européenne sont de 106 millions de t provenant de Russie à 52,7 %, d’Australie à 17,0 %, des États-Unis à 15,3 %, de Colombie à 6,5 %, du Canada à 2,7 %, d’Afrique du Sud à 2,6 %, du Kazakhstan à 1,3 %, du Mozambique à 0,9 %.

Principaux producteurs de charbon : en 2023.

en millions de t
Coal India (Inde), en 2023-24	774	Glencore (Suisse)	114
Shenhua Energy (Chine)	324	Bumi Resources (Indonésie)	79
Peabody Energy (États-Unis)	127	China Coal Energy (Chine), en 2018	76
Shaanxi Coal & Chemical Industry (Chine), en 2014	126	Arch Coal (États-Unis)	75
SUEK (Russie), en 2022	114	BHP Billiton ( Australie), en 2022-23	43

Sources : rapports annuels des sociétés

Coal India exploite, en Inde, 322 mines dont 138 souterraines, 171 à ciel ouvert et 13 mixtes, avec une production, en 2023-24, de 774 millions de t, à 96 % à ciel ouvert. Le groupe est contrôlé à 66 % par l’État indien et produit 79 % du charbon du pays. Les réserves prouvées sont de 52,546 milliards de t. Produit également du charbon au Mozambique au travers d’une filiale Coal India Africana Limitada (CIAL).
En 2023, la production de Shenhua Energy a été de 324,5 millions de t avec des réserves de 9,48 milliards de t. La production a été de 225,9 millions de t en Mongolie intérieure et de 92,5 millions de t dans la province du Shanxi et 6,1 dans celle de Shanxi. La mine la plus importante, Shendong, en Mongolie intérieure à la limite du Shaanxi a produit 190,5 millions de t. Le groupe contrôle 2 408 km de voies ferrées. Par ailleurs, Shenhua a vendu par gazéification du charbon 364 400 t de polyéthylène et 341 500 t de polypropylène. La production d’électricité a été de 212 milliards de kWh.
Peabody Energy, exploite 17 mines, principalement aux États-Unis (Wyoming, Colorado, Arizona, Nouveau Mexique, Illinois et Indiana), mais aussi en Australie (6 mines dans le Queensland et en Nouvelle Galles du Sud avec 23,0 millions de t, en 2023). Ses réserves prouvées et probables sont de 2,093 milliards de t dont 1,787 milliard de t aux États-Unis. La mine de charbon la plus importante de la société, à ciel ouvert, est celle de North Antelope Rochelle (Wyoming) avec 62,0 millions de t, en 2023, et un total de plus de 1 milliard de t depuis l’ouverture de la mine. Elle exploite également l’une des plus importante mine souterraine d’Amérique du Nord, celle de Gateway North (Illinois) avec 2,5 millions de t en 2023.
Glencore exploitait, en 2020, 26 mines avec, en 2023, une production de 113,6 millions de t.
- en Australie avec une production, en 2023, de 73,8 millions de t,
- en Afrique du Sud avec une production de 17,8 millions de t,
- en Colombie, avec la mine de Cerrejón et une production de 22,0 millions de t.

Les réserves prouvées et probables sont de 2,027 milliards de t.

SUEK (Siberian Coal Energy) exploite, en Russie, 25 mines dans les régions de Kemerovo, Khakasia, Krasnoyarsk, Buryatia, Zabaikalye, Khabarovsk et Primorye. La production, en 2021, a été de 67,8 millions de t de houille et 34,7 millions de t de lignite brun. Elle a été réalisée à ciel ouvert pour 73,3 millions de t et souterrainement pour 29,2 millions de t. Les ventes à l’export ont été, en 2022, de 42,5 millions de t. Les réserves sont de 7,415 milliards de t dont 2,874 de houille et 4,471 de lignite.
Bumi Resources exploite du charbon en Indonésie, au travers de 4 filiales, KPC, à 51 %, Arutmin à 70 % et FBS à 50 % à l’est de Kalimantan et PEB à 84,5 % au sud de Sumatra. KPC exploite, les mines de Sangatta et Bengalon avec, en 2023, une production de 53,6 millions de t. Arutmin exploite 6 mines avec, en 2023, une production de 23,8 millions de t. Les réserves sont de 2,351 milliards de t.
Arch Coal, exploite 7 mines aux États-Unis, la plus importante, Black Thunder, dans le Wyoming, a produit, en 2023, 62,2 millions de t. En 2023, les ventes ont été de 75 millions de t. Les réserves prouvées et probables sont de 598,9 millions de t.
China Coal Energy, exploite plus de 70 mines avec une capacité de production de 300 millions de t/an et a vendu, en 2017, 129 millions de t de charbon. Les réserves sont de 23 milliards de t. A partir du charbon, la production a été de 2 millions de t d’urée, 625 000 t de méthanol, 498 000 t de polyéthylène, 478 000 t de polypropylène.
BHP Billiton a produit, en 2022-23, 14,172 millions de t de charbon-vapeur et 29,020 millions de t de charbon métallurgique. Les exploitations minières sont situées :
- en Australie, dans les provinces du Queensland et en Nouvelle Galles du Sud, dans le Queensland, la production est réalisée pour le charbon métallurgique d’une part en association 50/50 avec Mitsubishi pour 6 mines et d’autre part en association 80/20 avec Mitsui pour 2 mines. Par ailleurs, exploite en propre du charbon-vapeur, dans une mine en Nouvelle Galles du Sud.
- en Colombie la participation de 33,33 % dans la mine de Cerrejón qui exploite du charbon-vapeur a été vendue, en janvier 2022, à Glencore.

Les réserves prouvées et probables sont de 2,114 milliards de t.

Réserves mondiales : fin 2020. Monde : 753 milliards de t pour l’anthracite et les bitumineux et 320 milliards de t pour les sub-bitumineux et lignite, Union européenne (Pologne, Allemagne, Grèce) : 26 milliards de t pour l’anthracite et les bitumineux et 53 milliards de t pour les sub-bitumineux et lignite.

en milliards de tonnes pour l’anthracite et les bitumineux et ( ) pour les sub-bitumineux et lignite
États-Unis	219 (8)	Ukraine	32 (2)
Chine	135 (30)	Kazakhstan	26 (-)
Inde	106 (5)	Pologne	23 (6)
Australie	74 (77)	Indonésie	23 (12)
Russie	72 (90)	Afrique du Sud	10 (-)

Source : Energy Institute Statistical Review of World Energy

Les réserves de sub-bitumineux et de lignite de l’Allemagne sont de 35,9 milliards de t.
Le plus important gisement mondial est situé à Shenmu (Chine, province du Shanxi).

Situation française

En 2024.

Production : l’État français s’est progressivement désengagé de l’exploitation charbonnière. La signature du Pacte charbonnier en 1994 a entraîné la fermeture des derniers sites français de production. Ainsi la mine d’Alès dans le Gard a fermé en 2001, suivie par les mines de Forbach et Merlebach (en Moselle), la mine de La Mure (en Isère), la mine de Gardanne (Provence) fermée le 1^er février 2003 et enfin le 23 avril 2004 la dernière mine, celle de La Houve à Creutzwald (Lorraine), cesse son activité. Suite à l’arrêt des exploitations, la société des Charbonnages de France a été liquidée le 31 décembre 2007.

Le maximum de production avait été atteint en 1958 avec 58,9 millions de t avec un maximum de personnel, en 1947, de 358 241 personnes.

Une production résiduelle, estimée, en 2014, à 300 000 t/an, provenait du traitement des terrils du Pas de Calais et du Gard et des schlamms de Lorraine et était utilisée dans les centrales thermiques d’E.ON avant la fermeture de celles-ci en 2014 et 2015. Depuis 2015, la production française est nulle.

Les ressources sont estimées à 425 millions de t de houille et 300 millions de t de lignite.

Commerce extérieur :
Anthracite :

Exportations : 15 219 t à 58 % vers la Belgique, 40 % vers l’Allemagne.
Importations : 211 701 t à 42 % du Pérou, 35 % de Belgique, 5 % du Vietnam, 4 % d’Italie, 3 % de Chine.

Houille métallurgique :

Exportations : 143 374 t à 52 % vers l’Espagne, 26 % l’Allemagne, 23 % la Belgique.
Importations : 2 682 269 t à 60 % d’Australie, 39 % des États-Unis.

Charbon-vapeur :

Exportations : 30 032 t à 50 % vers la Thaïlande, 39 % la Belgique.
Importations : 1 561 516 t à 64 % d’Australie, 15 % de Colombie, 6 % d’Afrique du Sud, 4 % des États-Unis, 4 % de Belgique.

Lignite :

Exportations : 3,4 t totalement vers la Suisse.
Importations : 18 587 t à 94 % d’Allemagne, 4 % d’Espagne.

Tourbe :

Exportations : 18 033 t à 34 % vers la Belgique, 28 % la Suisse, 9 % l’Espagne, 7 % la Tunisie, 4 % la Pologne.
Importations : 538 482 t à 29 % d’Allemagne, 27 % de Belgique, 18 % des Pays Bas, 14 % d’Estonie, 4 % de Lettonie.

Consommation : en 2018, 9,4 millions de tep à 44 % par la fabrication de la fonte, 40 % pour l’électricité et la chaleur, 11 % dans les industries manufacturières hors alimentation des hauts-fourneaux.

Utilisations

Consommations

En 2023, avec approximativement 1 exajoule (EJ) = 40 t d’anthracite = 95 t de lignite. Monde : 164,03 EJ, Union européenne : 5,48 EJ.

en exajoules
Chine	91,94	Russie	3,83
Inde	21,98	Afrique du Sud	3,33
États-Unis	8,20	Corée du Sud	2,69
Japon	4,54	Vietnam	2,32
Indonésie	4,32	Allemagne	1,83

Source : Energy Institute Statistical Review of World Energy

Secteurs d’utilisation

	États-Unis, en 2015	Union européenne, en 2013	France, en 2018
Électricité	92,5 %	72,1 %	27 %
Autres industries	4,8 %	6,4 %	11 %
Sidérurgie	2,4 %	18,0 %	44 %
Résidentiel et tertiaire	–	3,5 %	4 %

Source : statistiques de l’AIE

Les 2/3 du charbon utilisé dans le monde sert à la production d’énergie, cette part est de 90 % pour le lignite.

Énergie

Dans le monde, en 2022, le charbon fournissait 26,7 % de l’énergie primaire. Partout, sauf en France, son utilisation dans les centrales thermiques produisant de l’électricité est très importante.

Part du charbon dans la production d’électricité de quelques pays : en 2023. Monde : 35 %, Union européenne : 13 %.

Afrique du Sud	82 %	Australie	46 %
Inde	75 %	Corée du Sud	33 %
Chine	61 %	Japon	30 %
Pologne	60 %	États-Unis	13 %

Source : Energy Institute Statistical Review of World Energy

Dans l’Union européenne, en 2023, % de l’électricité produite issue du charbon. Total : 13 % :

Pologne	60 %	Pays Bas	9 %
Allemagne	25 %	Espagne	2 %
Italie	25 %	France	0,2 %

Source : Energy Institute Statistical Review of World Energy

Centrales thermiques au charbon : l’utilisation de la technologie du lit fluidisé circulant permet de brûler, avec un haut rendement, des combustibles pauvres (lignite, schlamm…) et grâce à l’ajout de CaCO₃ dans le foyer de la chaudière et au traitement des gaz de combustion d’atteindre un taux de désulfuration de 90 %. Par exemple, en 2018, la centrale thermique EdF de Cordemais (44) a produit ainsi 38 017 t de désulfogypse valorisé dans la production de ciment et 6 561 valorisé en agriculture. Dans un lit fluidisé circulant, le combustible brûle en suspension dans un courant d’air et circule jusqu’à combustion complète. Celle-ci a lieu à 900°C au lieu de 1300°C dans une chaudière classique ce qui réduit la formation d’oxydes d’azote. Le charbon est injecté dans la chaudière sous forme d’une pulpe eau-charbon à 60-70 % de charbon.
Dans les centrales thermiques à cycle combiné à gazéification intégrée (IGCC, en anglais), le charbon est dans un premier temps gazéifié sous forme de gaz de synthèse, qui est refroidi, purifié puis brûlé dans une turbine à gaz pour produire de l’électricité. La chaleur générée par la gazéification du charbon ainsi que celle issue de la turbine à gaz est récupérée pour produire de la vapeur d’eau utilisée à son tour pour produire de l’électricité. Lorsqu’une séquestration du dioxyde de carbone produit est prévue, le gaz de synthèse est converti afin de d’augmenter sa teneur en dihydrogène et de transformer le monoxyde de carbone présent en dioxyde de carbone qu’il est possible de séparer avant la combustion du gaz de synthèse dans la turbine à gaz (voir le chapitre dihydrogène).

EdF exploite, en France, 2 centrales thermiques au charbon. Celle du Havre (76) de 600 MW et celle de Cordemais (44) avec deux tranches de 600 MW chacune.
La société Uniper (ex E.ON) exploitait, en France, 3 sites avec la centrale Émile Huchet à Saint-Avold (80) et 3 tranches d’une puissance totale de 1 045 MW, la centrale Lucy à Montceau les Mines (71) d’une puissance de 245 MW et la centrale de Provence à Meyreuil (13) avec 2 tranches d’une puissance de 1 425 MW. 2 des 3 tranches de la centrale Emile Huchet et la centrale Lucy ont été fermées en 2014. La centrale de Provence devrait être convertie pour un fonctionnement à partir de biomasse.
En 2023, le charbon a donné, en France, une production de 7,26 TWh d’électricité.

Chauffage : dans le monde, en 2016, le charbon représente 43,6 % de l’énergie produite pour générer de la chaleur. En France, cette part est de 3,6 %.

Par exemple, la production de chaleur en Île de France est assurée par des installations thermiques gérées par la CPCU, Compagnie Parisienne de Chauffage Urbain, qui utilise différentes sources d’énergie pour produire la chaleur. En 2019, 42,9 % de la vapeur livrée est produite à partir des ordures ménagères, 37,0 % à partir du gaz naturel, 11,7 % à partir du charbon, 5,9 % à partir de bois, 2,0 % à partie de biogaz et de la géothermie. La chaufferie de Saint Ouen II de la CPCU a consommé, en 2017, 148 000 t de charbon pour produire 1,665 millions de t de vapeur et 4 979 MWh d’électricité.

Sidérurgie

En 2012, la consommation mondiale de la sidérurgie a représenté 13 % de la consommation de charbon. En 2015, la consommation de la sidérurgie française a été de 5,9 millions de t. Le charbon est principalement utilisé après transformation en coke mais aussi en injection directe dans les hauts fourneaux. Par exemple, en 2015, en Allemagne, la consommation par t de fonte obtenue dans les hauts fourneaux est 329,5 kg de coke et 164,1 kg de charbon pulvérisé par injection directe.
En France, le charbon est cokéfié dans les 3 cokeries intégrées aux complexes sidérurgiques d’ArcelorMittal à Fos (13) et Dunkerque (59).
La production mondiale de coke, avec, en 2018, 646 millions de t est dominée par la Chine avec une production de 438 millions de t. La production de l’Union européenne a été de 38,8 millions de t, celle du Japon de 32,6 millions de t, celle de la Russie de 26,9 millions de t, celle de la Corée du Sud de 17,7 millions de t, celle de l’Amérique du Nord, de 14,5 millions de t, celle de l’Ukraine de 10,2 millions de t, celle de l’Allemagne de 9,2 millions de t, celle de la Pologne de 9,2 millions de t. En 2015, la production française a été de 3,150 millions de t (voir le chapitre consacré au Coke).
En 2013, l’injection directe de charbon pulvérisé dans les hauts fourneaux a été, dans le monde, de 48,2 millions de t dont 14,9 millions de t au Japon, 9,1 millions de t en Corée du Sud, 4,4 millions de t en Allemagne, 3,8 millions de t en Russie, 3 millions de t en Inde, 2,6 millions de t en France, 1,5 million de t aux États-Unis.

Émissions de dioxyde de carbone

Voir également les chapitres dioxyde de carbone et effet de serre.

Dans des centrales électriques thermiques, les émissions de dioxyde de carbone sont :

pour le lignite de 1 015 g/kWh,
pour la houille de 855 g/kWh,
pour le gaz naturel de 400 g/kWh.

Dans l’Union européenne, en 2014, émissions de dioxyde de carbone par les centrales thermiques au charbon. Total : 762 millions t.

en millions t
Allemagne	256	Grèce	34
Pologne	129	Bulgarie	26
Royaume Uni	87	Pays Bas	20
Espagne	43	Roumanie	19
République tchèque	42	France	11
Italie	39	Danemark	10

Source : Greenpeace UK

Les émissions mondiales de dioxyde de carbone générées par la combustion du charbon ont été, en 2017, de 14,502 milliards de t.

Carbochimie

L’obtention du coke donne divers sous-produits qui sont valorisés. 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). Les BTX (benzène, toluène, xylènes, voir ce chapitre) proviennent de la cokéfaction pour 5 % de la production en Europe de l’Ouest (2 % aux États-Unis). Le naphtalène provient à 60-70 % du charbon aux États-Unis et à 100 % au Japon.
Le gaz de cokerie est souvent brûlé, avec récupération de l’énergie, mais aussi utilisé pour produire du méthanol. Ainsi, en 2018, il donne 10 % de la production chinoise de méthanol.

Par ailleurs, divers procédés peuvent donner des hydrocarbures à partir du charbon. Par exemple, la liquéfaction indirecte selon le procédé Fischer-Tropsch avait été employé, à grande échelle, par l’Allemagne nazie, dépourvue de ressources pétrolières, pendant la deuxième guerre mondiale avec, en 1944, une production, dans 25 usines, de 6,5 millions de t de carburants. Depuis, la production d’hydrocarbures selon ce procédé a été abandonnée du fait de la concurrence du pétrole avec son faible prix. Seule l’Afrique du Sud, riche en charbon, a développé, à partir de 1955, une production commerciale en raison des sanctions économiques de l’époque de l’apartheid et d’un embargo sur les produits pétroliers de la part de la communauté internationale.
Dans ce pays, le charbon a été utilisé massivement comme matière première chimique par la société Sasol pour produire du gaz de synthèse, du dihydrogène, de l’ammoniac, de l’essence synthétique selon le procédé Fischer-Tropsch et divers dérivés pétrochimiques. La société Sasol a extrait, en 2018-19, 36,1 millions de t de charbon qui sont, dans l’usine de production de Secunda, dans la province de Mpumalanga, en grande partie transformés en gaz de synthèse puis, dans 9 réacteurs travaillant sous pression à 350°C, en présence d’un catalyseur à base de fer, en carburants et divers produits tels que le pentène, l’hexène, l’octène, des alcools, de l’acide acétique, de l’acétone, du propylène, de l’éthylène … La production est ainsi, en 2018-19, de 7,8 millions de t de carburant représentant, en 2014, 35 % de la consommation sud-africaine.
De son côté, la Chine, riche en réserves de charbon, développe depuis peu de temps, la production d’oléfines (éthylène et propylène) à partir de charbon, par l’intermédiaire de la production de méthanol (voir ci-dessous).

Production du gaz de synthèse : toutes ces productions d’hydrocarbures commencent par la production de gaz de synthèse par vaporeformage du charbon (voir le chapitre dihydrogène). Cette production qui avait été supplantée par le développement de l’utilisation du gaz naturel et ne subsistait principalement qu’en Afrique du Sud effectue un retour en force avec son emploi en Chine, riche en ressources de charbon et relativement pauvre en hydrocarbures.

Principe : la formation du gaz à l’eau, syngas ou gaz de synthèse, a lieu à 1000°C selon la réaction suivante :

C + H₂O = CO + H₂ Δ_rH°₂₉₈ = + 131 kJ/mole

La réaction, endothermique, nécessite un soufflage de dioxygène pour maintenir la température par combustion du carbone. Le gaz obtenu contient de 30 à 50 % de dihydrogène et 60 à 40 % de monoxyde de carbone, avec du diazote et du dioxyde de carbone. Ce gaz de synthèse peut ainsi être employé comme source de dihydrogène et de monoxyde de carbone pour produire du méthanol puis des oléfines (éthylène, propylène) et des polyoléfines (polyéthylène et polypropylène).

La production de H₂ peut être améliorée par conversion de CO pour produire de l’ammoniac puis des engrais azotés. Le monoxyde de carbone du gaz de synthèse est alors transformé en dioxyde de carbone avec production complémentaire de dihydrogène, en 2 étapes. On obtient ainsi un gaz contenant 70 % de H₂.

CO + H₂O = CO₂+ H₂ Δ_rH°₂₉₈ = – 41 kJ/mole

Production de carburants liquides :

Après formation du gaz de synthèse, le mélange de monoxyde de carbone et de dihydrogène, est transformé par le procédé Fischer-Tropsch en hydrocarbures selon la réaction, avec n compris entre 10 et 20 :

n CO + (2n + 1) H₂ = C_nH_2n+2 + n H₂O

En fonction des hydrocarbures à obtenir, la réaction est réalisée à 150-300°C avec un catalyseur au cobalt ou à plus haute température, 300-350°C et 20 à 30 bar, avec un catalyseur au fer. Un catalyseur au ruthénium est également employé.

Production de méthanol :

Le gaz de synthèse peut être converti en méthanol ou en diméthyléther, eux-même employés comme carburants en remplacement ou association avec l’essence ou le diesel (voir le chapitre méthanol) et à la base de la fabrication de nombreux produits (formaldéhyde, oléfines, acide acétique, méthacrylate de méthyle…). Depuis 1983, la gazéification du charbon est utilisée aux États-Unis, par Eastman qui produit ainsi du méthanol, à Kingsport, dans le Tennessee avec une capacité de production de 195 000 t/an. Cette utilisation du charbon est en cours de développement important en Chine où, en 2018, 82 % de la production de méthanol est réalisée à partir de charbon et 10 % à partir du gaz de cokerie.

Production d’oléfines (éthylène et propylène) :

Le méthanol peut être transformé en éthylène et propylène, à des température comprises entre 350 et 450°C, sous une pression de 0,1 à 0,3 MPa, en présence comme catalyseur de zéolithe. Dès 1975, Mobil avait découvert que le méthanol pouvait être converti en essence puis en 1977, en oléfines, en utilisant une zéolithe, ZSM-5, la sélectivité étant d’environ 60 %. La mise au point par Union Carbide d’une nouvelle zéolithe synthétique, SAPO-34, a permis d’atteindre une sélectivité de 75 à 80 % et de rendre le procédé compétitif. Dénommé UOP/Hydro, est il actuellement développé par Honeywell qui de plus, en association avec Total, a complété le procédé UOP par une opération de craquage dénommé OCP (Olefin-Cracking-Process) permettant d’atteindre une sélectivité de 90 % en oléfines. Cette amélioration a été réalisée par Total sur son site de Feluy, en Belgique, avec un réacteur de démonstration qui a validé le procédé donnant des oléfines destinées à la polymérisation en polyéthylène et polypropylène.
Le procédé UOP/OCP peut utiliser du méthanol brut de fabrication qui est vaporisé dans le réacteur UOP dans lequel le catalyseur, SAPO-34, est maintenu en lit fluidisé. Lors des réactions de transformation du méthanol, le catalyseur est rapidement recouvert de coke qui réduit ses capacités. En conséquence, il circule dans le réacteur en étant de façon continue réactivé, à l’extérieur du réacteur, par brûlage du coke avec de l’air. Les réactions, complexes, font intervenir le diméthyléther (DME) selon les équations simplifiées suivantes :

2 CH₃OH = CH₃OCH₃ + H₂O
CH₃OCH₃ = C₂H₄ + H₂O
3 CH₃OCH₃ = 2 C₃H₆ + 3 H₂O

La zéolithe synthétique SAPO-34 est un silicoaluminate phosphaté possédant des sites acides de Brønsted, de structure de type chabazite, qui possède des micropores de 0,38 nm. Le rapport entre le propylène et l’éthylène est compris entre 0,75 et 1,25. A côté de ces derniers, il y a formation de composés en C4 à C8 qui peuvent, dans le réacteur additionnel OCP, être craqués pour donner à leur tour de l’éthylène et du propylène, augmentant ainsi la sélectivité. Par ailleurs le réacteur OCP produit plus de propylène que d’éthylène ce qui donne au total pour le procédé UOP/OCP un rapport propylène sur éthylène compris entre 1,3 et 1,8.

A côté du procédé UOP/OCP, d’autres procédés sont développés, avec des technologies chinoises pour les procédés D-MTO et S-MTO et par Lurgi qui a développé un procédé MTP (Méthanol-To-Propylène). Diverses usines de production sont construites ou en cours de construction en Chine. La production peut être réalisée directement à partir du charbon dans des usines de production intégrées de la mine aux oléfines puis aux polyoléfines et dans ce cas elle est appelée (CTO : Coal-To-Olefins). Si elle est réalisée seulement à partir du méthanol elle est appelée (MTO : Methanol-To-Olefins).
La consommation d’eau de ces procédés est importante, de 20 à 40 t par t d’oléfine pour le procédé MTO et près de 90 t/t pour les procédés CTO. En Chine, les mines de charbon sont situées dans des régions arides ce qui pose des problèmes d’approvisionnement en eau.
La première unité de production commerciale a été construite, en 2010, à Baotou, en Mongolie Intérieure. Depuis, 25 unités de production ont été construites avec une capacité de production, en 2019, de 5,21 millions de t/an d’éthylène soit 21 % de la capacité de production chinoise.

Production de gaz naturel synthétique :

Le gaz de synthèse peut aussi être converti en méthane, c’est-à-dire en gaz naturel de synthèse. la réaction de méthanation mise en jeu est la suivante, en présence de catalyseur au nickel :

CO + 3 H₂ = CH₄ + H₂O

La société Dakota Gasification Company, exploite une unité de production à Beulah, dans le Dakota du Nord. Par jour, la gazéification de 18 000 t de lignite donne du gaz de synthèse transformé par méthanation en 4,8 millions de m³ de gaz naturel synthétique. 8 000 t par jour de dioxyde de carbone, soit la moitié de la production, est exporté par 330 km de pipeline, au Canada, pour être utilisé pour assister la récupération de pétrole des gisements de Weyburn et Midale, dans le Saskatchewan. Ainsi, fin 2016, un total de 35 millions de t de dioxyde de carbone a été séquestré depuis 2000.

Gazéification in situ :

Divers projets sont en cours et plusieurs installations de démonstration sont en fonctionnement afin de gazéifier le charbon « in situ ». Le procédé consiste à forer 2 puits jusqu’à une veine de charbon, de relier ces 2 puits par un forage horizontal. Par l’un des puits, de l’air ou du dioxygène est injecté qui brûle le charbon permettant d’atteindre une température d’environ 1200°C puis l’apport de vapeur d’eau permet de réaliser un vaporeformage produisant du gaz de synthèse qui est récupéré par le deuxième puits. La société Yerostigaz exploite, à Angren, en Ouzbékistan, depuis 1961, une unité de gazéification « in situ » commerciale donnant 1 million de m³ de gaz de synthèse par jour destiné à produire de l’électricité par combustion.

Bibliographie

Chiffres clés de l’énergie, Datalab, Commissariat Général au Développement Durable, Septembre 2021.
Energy Institute Statistical Review of World Energy.
Statistiques de l’Agence Internationale de l’Énergie, 9 rue de la Fédération, 75739 Paris Cedex 15.
World Coal Association, 5th Floor, Heddon House, 149-151 Regent Street, W1B4JD, Londres, Royaume Uni.
European Association for Coal and Lignite (Euracoal), Av de Tervueren 168 Bte 1, 1150 Bruxelles, Belgique.
US Energy Information Administration, 1000 Independence Ave. SW, Washington DC20585, États-Unis.
Verein der Kohlenimpoteure, Ferninandstrasse 35, 20095 Hamburg, Allemagne.
D. Jones et K. Gutmann, « End of an era : why every european country needs a coal phase-out plan » Greenpeace UK, décembre 2015.
Gasification & Syngas Technologies Council (CSTC), 3030 Clarendon Blvd, Suite 330, Arlington, Virginie, VA 22201, États-Unis.
D. Hurd, S. Park, J. Kan, « China’s coal to olefins industry« , Deutsche Bank, Markets Research, 2 juillet 2014.

Archives

Borates

Données industrielles

De façon générale la teneur des minerais et des borates (sels contenant des anions de type (B_mO_n)^x-) est exprimée en oxyde de bore (B₂O₃). Par exemple, la teneur du borax pur, Na₂B₄O₇,10H₂O, est de 36,5 % en B₂O₃.

État naturel

La teneur moyenne de l’écorce terrestre en bore est de l’ordre de 3 ppm, celle de l’eau de mer de 4 à 5 mg/L.

Minerais : les gisements exploitables, résultants d’une activité volcanique et d’un climat aride, se rencontrent principalement en Turquie, aux États-Unis, en Californie, dans le désert de Mojave, dans le massif andin et au Tibet.

Les principaux minéraux exploités sont le borax (Na₂B₄O₇,10H₂O) appelé tincal, aux États-Unis, la kernite (Na₂B₄O₇,4H₂O, associée au borax), la colémanite (Ca₂B₆O₁₁,5H₂O), exploitée principalement en Turquie et l’ulexite (NaCaB₅O₉,8H₂O) exploitée principalement en Amérique du Sud. Ces 4 minéraux fournissent 90 % de la production mondiale.

Les autres minéraux exploités sont nombreux. Parmi ceux-ci : la pricéite (Ca₂B₁₀O₁₉,7H₂O, en Turquie), la szaibelyite (MgBO₂(OH), en Russie), la sassolite (B(OH)₂), la boracite (Mg₃B₇O₁₃Cl)…

Exploitations minières : les deux principaux gisements mondiaux, exploités à ciel ouvert, contiennent de moins de 50 à plus de 80 % de borates. Ils sont situés en Turquie et aux États-Unis, en Californie.

En Turquie, les gisements exploités sont situés entre la mer Égée et la ville de Kütahya (250 km à l’ouest d’Ankara). L’ensemble de la production est contrôlé par le groupe d’État Eti Madem avec quatre exploitations principales :

Emet : gisement découvert en 1956, produisant 1 million de t/an de minerai de colémanite contenant de 28 à 30 % de B₂O₃.
Kirka : gisement découvert vers 1970, produisant 2,5 millions de t/an de minerai de borax contenant 26 % de B₂O₃.
Bigadiç : produisant 800 000 t/an de minerais d’ulexite et de colémanite contenant de 29 à 31 % de B₂O₃.
Kestelek : produisant de la colémanite.

Aux États-Unis, en Californie, les gisements sont ceux de :

Boron : découvert en 1913 et exploité, souterrainement à partir de 1927 puis, à ciel ouvert, depuis 1957. Le gisement est situé à 150 km au Nord-Est de Los Angeles dans le désert de Mojave. La mine occupe une surface de 2,8 x 3,2 km avec une profondeur de 230 m. Les principaux borates sont présents dans le gisement mais le principal minerai extrait par Rio Tinto Minerals est le borax (tincal), avec une production, en 2023, de 495 000 t exprimées en B₂O₃ et des réserves de 13 millions de t exprimées en B₂O₃.
Searles Lake : découvert en 1863, dans un lac au centre d’une vallée désertique située entre la Vallée de la Mort et Boron. Dans le lac, les ions borates, à une teneur de 1,5 %, sont associés à de nombreux autres ions, la production principale étant celle de carbonate de sodium. Exploité par Searles Valley Minerals, filiale du groupe indien Nirma, avec une capacité de production de 110 000 t/an exprimées en B₂O₃.
La société 5E Advenced Materials développe, au sud de la Californie, un projet d’exploitation minière à Fort Cady. Le gisement est constitué de colémanite avec des ressources estimées de 109 millions de t renfermant 6,52 % de B₂O₃ et 324 ppm de lithium. La production prévue en 2026 est de 82 000 t/an d’acide borique pouvant être portée à 500 000 t/an et de 998 t/an d’équivalent de carbonate de lithium pouvant être portée à 4 990 t/an. Par ailleurs, 5E Advanced Materials développe, dans le Nevada, dans le comté de Churchill, le projet Salt Wells, sur un gisement renfermant 1 % de B₂O₃ et 810 ppm de Li.

Productions

Production minière de borates

En milliers de t de B2O3, en 2024 avec un total mondial estimé à 5,2 millions de t de B2O3 (source : USGS)

Production minière : en 2024.

en milliers de t de produits
Turquie	3 000	Pérou	300
États-Unis (estimation)	700	Bolivie	230
Chili	420	Argentine	160
Chine	340	Russie	80

Source : USGS

En 2016, les capacités mondiales de production sont de 5,6 millions de t, exprimées en B₂O₃.

Au Chili, la société Quiborax, exploite, à 4 050 m d’altitude, les salines de Surire et Ascotan renfermant de l’ulexite, avec une capacité de production de 110 000 t/an d’acide borique et 30 000 t/an de concentré de minerai. La production est à 99 % exportée. Les réserves sont de 1 500 millions de t d’ulexite correspondant à 30 millions de t de B₂O₃.

En Russie, la société Mining Chemical Company Russian Bor exploite le gisement de Dalnegorsk, dans la région de Vladivostok.

Au Kazakhstan, est exploité le lac Inder dans la région d’Atyrau.

Au Pérou, la société Inkabor, associée au groupe italien Colorobbia, exploite la Laguna Salinas, près de la ville de Arequipa. La production est effectuée durant 6 mois hors saison des pluies. Produit également de l’ulexite à Oruro, en Bolivie.

En Bolivie, la Socomirg (Sociedad Collectiva Minera Rio Grande) exploite le salar Uyuni.

En Argentine, la production provient de la région de Puna, au Nord-Ouest du pays. Les principales mines, Tincalaya et Sijes, sont exploitées, à ciel ouvert, à 4 100 m d’altitude, par Borax Argentina, filiale du groupe Allkem qui résulte de la fusion entre Orocobre et Galaxy Resources. En 2021-22, les ventes ont porté sur 53 334 t de produits (concentrés de minerai, borax, acide borique). Cette activité a été vendue, en décembre 2022, par Allkem à la société Minera Santa Rita, qui exploite par ailleurs, le Salar Hombre Muerto, à 4 100 m d’altitude, dans la province de Catamarca. La production est de 60 000 t/an avec des réserves de 2 millions de t.

Réserves de borates

Répartition mondiale, en 2021, d'un total de 1,3 milliard de t de B2O3. Source : Eti Maden

Réserves de borates : en 2021.

Répartition en %
Turquie	73 %	Pérou	2 %
Russie	8 %	Serbie	2 %
États-Unis	6 %	Kazakhstan	1 %
Chili	3 %	Bolivie	1 %
Chine	3 %	Argentine	1 %

Source : Eti Maden

Les réserves de Turquie sont constituées à 76 % de colémanite, 22 % de borax et 2 % d’ulexite.

Le projet de la mine lithium-borate de Jadar, près de la ville de Loznica, en Serbie est développé par Rio Tinto. Il renferme un minéral, la jadarite (Na₂OLi₂O(SiO₂)₂(B₂O₃)₃H₂O), connu seulement dans ce gisement. Les réserves estimées sont de 16,6 millions de t de minerai renfermant 13,4 % de B₂O₃ et 1,81 % de Li₂O. La production pourrait atteindre 160 000 t/an comptées en B₂O₃d’acide borique ainsi que 255 000 t/an de sulfate de sodium coproduit et 55 000 t/an de carbonate de lithium. En janvier 2022, face à l’opposition des populations locales le gouvernement serbe a annulé l’autorisation d’exploitation.

Principaux producteurs :

Eti Madem, groupe d’État, contrôle la production turque. En 2021, a produit 2,54 millions de t de composés de bore, exprimées en B₂O₃. Devenu n°1 mondial en 2005, le groupe approvisionne, en 2021, 62 % de la demande mondiale. Possède des capacités de production de 2,81 millions de t/an exprimées en B₂O₃, situées à :
- Kirka avec 1,34 million de t/an de borax pentahydraté, 80 000 t/an de borax décahydraté, 24 000 t/an de borax anhydre,
- Emet avec 290 000 t/an d’acide borique,
- Bigadiç avec 700 000 t/an de colémanite et d’ulexite,
- Bandirma avec 150 000 t/an de borax décahydraté, 115 000 t/an de borax pentahydraté, 95 000 t/an de borax anhydre, 8 000 t/an d’oxyde de bore et de borax anhydre.
Rio Tinto Minerals filiale du groupe minier britannique Rio Tinto qui exploite, aux États-Unis, le gisement de Boron. Les capacités de production sont de 3 millions de t de minerai et 1 million de t de composés de bore. En 2023, la production minière exprimée en B₂O₃ est de 495 000 t. En France, ce groupe est présent à travers sa filiale Borax Français. Les minerais produits par la société, ou importés de Turquie, sont raffinés en Californie et en France. Le groupe assure 23 % de la demande mondiale.

Commerce international de borates naturels, en 2023.

Principaux pays exportateurs, sur un total, en 2023, de 991 770 t :

en tonnes de produits
Turquie	482 720	Pays Bas	14 241
Bolivie	321 421	Espagne	6 233
Argentine	92 692	Russie	2 907
Chili	31 283	Malaisie	2 795
Autriche	26 870	Pérou	2 424

Source : ITC

Les exportations de la Turquie sont destinées à la Chine pour 40 %, à l’Inde pour 15 %, à la Russie pour 6 %, aux États-Unis pour 6 %.

Principaux pays importateurs sur un total de 994 460 t :

en tonnes de produits
Brésil	300 351	Russie	27 384
Chine	279 696	Indonésie	24 425
Inde	86 791	Malaisie	24 310
Autriche	29 715	Taipei chinois	22 340
États-Unis	28 577	Japon	15 084

Source : ITC

Les importations brésiliennes proviennent à 56 % de Bolivie, 31 % d’Argentine, 10 % du Chili, 4 % de Turquie.

Traitement des minerais

Dans le cas de gisements de borax, le minerai broyé est mis en présence d’eau à l’ébullition. Le borax passe en solution et est ainsi séparé de la gangue insoluble. Il est récupéré par évaporation de l’eau, cristallisation avec 5 (pentahydraté) ou 10 (décahydraté) molécules d’eau puis centrifugation. Les produits sont ensuite séchés dans des fours tournants.

On obtient ainsi le principal produit commercialisé, le borax ou tétraborate de disodium décahydraté (Na₂B₄O₇,10H₂O). La consommation d’énergie est de l’ordre de 8,6 GJ/t de B₂O₃. Le borax anhydre, Na₂B₄O₇, est obtenu par chauffage vers 400°C.

L’acide borique (H₃BO₃ ou acide orthoborique) est préparé par attaque sulfurique du borax :

Na₂B₄O₇,10H₂O + H₂SO₄ = 4 H₃BO₃ + Na₂SO₄ + 5 H₂O

Le sulfate de sodium ainsi coproduit a de nombreuses utilisations dans les produits détergents, l’industrie du verre…, voir ce chapitre.

L’oxyde de bore (B₂O₃) est obtenu par déshydratation, à 300°C, de l’acide borique :

2 H₃BO₃ = B₂O₃ + 3 H₂O

Dans le cas de minerai de colémanite, celui-ci est soit directement utilisé après purification, soit il subit un traitement à l’aide de carbonate de sodium qui donne le borax ou une attaque sulfurique qui donne l’acide borique.

Dans le cas des saumures du lac Searles, une cristallisation fractionnée donne le borax ou une extraction par solvant et acidification donne l’acide borique.

Commerce international d’oxyde de bore et d’acide borique : en 2023, en tonnes de produits.

Principaux pays exportateurs : sur un total estimé, en 2022, à 506 927 t :

en tonnes de produits
États-Unis	253 503	Pays Bas	17 221
Turquie (estimation)	250 000	Argentine	16 736
Chili	95 481	Bolivie	6 068
Russie	67 834	Belgique	3 069
Pérou	33 992	Autriche	2 869

Source : ITC

Les exportations des États-Unis sont destinées à la Chine pour 32 %, au Japon pour 17 %, aux Pays Bas pour 16 %, à la Corée du Sud pour 14 %.

Principaux pays importateurs :

en tonnes de produits
Chine	259 323	France	26 587
Brésil	55 558	Pays Bas	25 157
Corée du Sud	40 454	Japon	19 348
États-Unis	37 979	Allemagne	18 333
Taipei chinois	37 930	Italie	14 707

Source : ITC

Les importations chinoises proviennent des États-Unis pour 31 %, de Russie pour 23 %, de Turquie pour 21 %, du Chili pour 20 %.

Commerce international de borates et perborates : en 2023, en tonnes de produits.

Principaux pays exportateurs : sur un total estimé à 1,6 million de t.

en tonnes de produits
Turquie (estimation)	800 000	Pologne	21 158
États-Unis	630 017	Slovénie	14 468
Pays Bas	78 145	Malaisie	11 702
Guatemala	25 743	Pérou	9 099
Chine	21 786	Suède	8 771

Source : ITC

Les exportations des États-Unis sont destinées à la Chine pour 50 %, au Canada pour 9 %, à l’Inde pour 8 %, à l’Indonésie pour 6 %.

Principaux pays importateurs :

en tonnes de produits
Chine	734 149	Canada	69 143
États-Unis	168 646	Allemagne	60 562
Inde	130 569	Guatemala	50 056
Pays Bas	93 115	Malaisie	47 629
Indonésie	82 572	France	46 766

Source : ITC

Les importations chinoises proviennent de Turquie pour 59 %, des États-Unis pour 40 %.

Situation française

En 2024.

Production :
Pas de production minière.

Production de divers borates à partir de minerais importés, à Coudequerque (59) par Borax Français, filiale de Rio Tinto. La capacité de production de l’usine est de 100 000 t/an de produits, soit 6 t/h de borax à partir de minerai importé des États-Unis et 10 t/h d’acide borique cristallisé à partir de colémanite importée de Turquie. La production est exportée à 80 %.

Commerce extérieur :
Borates naturels :

Exportations : 48 t vers la Belgique à 58 %, l’Allemagne à 16 %, la Suède à 13 %, la Pologne à 8 %.
Importations : 4 507 t de Turquie à 57 %, du Luxembourg à 27 %, d’Italie à 5 %.

Tétraborate anhydre et hydraté :

Exportations : 5 558 t vers l’Espagne à 53 %, le Portugal à 47 %.
Importations : 41 038 t de Turquie à 78 %, du Luxembourg à 16 %, des États-Unis à 4 %.

Autres borates :

Exportations : 2 670 t vers l’Allemagne à 72 %, les États-Unis à 12 %, le Royaume Uni à 5 %, la Belgique à 3 %.
Importations : 1 598 t de Belgique à 51 %, des États-Unis à 9 %, d’Italie à 8 %, d’Allemagne à 8 %.

Perborates :

Exportations : 257 kg vers l’Italie à 35 %, Taipei chinois à 25 %, la Thaïlande à 21 %, le Portugal à 16 %.
Importations : 12 t d’Allemagne à 75 %, de Belgique à 13 %, d’Espagne à 6 %.

Utilisations

Les principaux composés du bore sont utilisés, à plus de 99 % des quantités consommées, sous forme de borates ou de perborates.

Consommations : en 2021, la consommation mondiale est de 4,27 millions de t, exprimées en B₂O₃, à 52 % en Asie et Pacifique, 28 % en Amériques, 18 % en Europe, 1 % en Afrique, 1 % au Moyen Orient.

Secteurs d’utilisation : en 2021

Verres	50 %	Céramiques	15 %
Agriculture	17 %	Détergents	2 %

Source : Eti Maden

Industrie du verre : les borates sont principalement employés dans l’élaboration des fibres de verre d’isolation et de renforcement de plastiques. Les fibres de verre d’isolation (laine de verre) contiennent de 4 à 5 % de B₂O₃, apporté sous forme de borax pentahydraté, qui facilite la fusion du verre, empêche la dévitrification et améliore la résistance à l’eau. Les fibres de renforcement de matières plastiques contiennent de 6 à 8 % de B₂O₃ introduit généralement sous forme de colémanite car ces fibres n’admettent pas des teneurs élevées en sodium. Ces fibres sont utilisées pour la fabrication de coques de voiliers, cannes à pêche et matériaux composites utilisés dans la furtivité (leur non-conductibilité et leur faible constante diélectrique les rendent transparents aux ondes radar).
Ils sont également employés dans la fabrication du verre borosilicaté (Pyrex^®) qui renferme de l’ordre de 12,5 % de B₂O₃ qui apporte la résistance aux chocs thermiques et aux acides. L’oxyde de bore est apporté sous forme de borax hydraté ou anhydre ou d’acide borique. En 2021, le verre borosilicaté représente 21 % de la consommation de produits de bore, la laine de verre 14 %, les fibres de verre 12 % et le verre pour écrans TFT et LCD 3 %.
Émaux et glaçures céramiques : comme dans le cas des verres (les émaux et les glaçures sont des verres), l’oxyde de bore facilite la formation du verre et sa teneur permet d’ajuster les coefficients de dilatation thermique du support et du revêtement. Il augmente l’indice de réfraction et la résistance aux attaques chimiques et aqueuses.
Agriculture : le bore est un oligoélément essentiel à la croissance et au développement des plantes (il est un des constituants des parois cellulaires). Des borates, sous forme de borax ou d’octoborate (Na₂B₈O₁₃,4H₂O) peuvent être ajoutés aux engrais.
Détergents : utilisation aux États-Unis sous forme de borax et en Europe et plus récemment aux États-Unis sous forme de perborates de sodium (NaBO₃) mono ou tétrahydratés. Les perborates entrent, à des teneurs de 10 à 20 % en masse, dans les lessives en poudre. Le monohydrate est utilisé dans les poudres compactes.
Le perborate de sodium est fabriqué, après attaque par la soude (avec parfois ajout de Na₂CO₃) du borax qui donne une solution de métaborate de sodium, par précipitation à l’aide de H₂O₂ vers 20°C.

Na₂B₂O₄ + 2 H₂O₂ + 6 H₂O = 2 NaBO₃,4H₂O

En Europe, la production est assurée par le groupe Solvay, dans son usine de Bad Hönningen, en Allemagne, par Evonik, en Allemagne, par Belinka Perkemija, filiale du groupe Kansai Helios, en Slovénie.
Les perborates qui libèrent H₂O₂ au-dessus de 60°C, qui ont été les principaux agents de blanchiment utilisés en Europe, sont actuellement remplacés par les percarbonates qui libèrent le peroxyde d’hydrogène à plus basse température.

Sidérurgie et métallurgie : les borates dissolvent les oxydes métalliques et sont donc utilisés comme flux dans la soudure et le brasage (utilisation de borate de potassium) ainsi que pour favoriser, en métallurgie, l’obtention de laitiers fusibles. Cette propriété de dissolution des oxydes métalliques est utilisée en chimie, en analyse qualitative : en formant des perles de borax, on obtient des verres de couleurs caractéristiques des métaux dont les oxydes ont été dissous.
L’acide borique est utilisé, en galvanoplastie dans les bains de nickelage.
Le bore (voir cet élément) entre dans la composition d’alliages divers.

Autres utilisations :

Peintures : le borate de zinc (2ZnO,3B₂O₃,3,5H₂O) est utilisé comme pigment anticorrosion.
Inhibiteur de corrosion des métaux : par exemple dans les circuits de refroidissement d’eau des automobiles.
Ignifugation : de fibres cellulosiques (par exemple dans les matelas en coton) et de plastiques sous forme de borax, acide borique, borate de zinc.
Ciments et bétons : le borax ralenti leur vitesse de durcissement.
Fongicide et insecticide : pour traiter les bois de construction, en particulier contre les termites.
Pharmacie : antiseptiques, les borates, sont utilisés dans de nombreux produits d’usage courant : cosmétiques, produits d’hygiène…
Centrales nucléaires : le bore et en particulier l’isotope naturel ¹⁰B étant absorbeur de neutrons, des borates sont utilisées, en solution, dans le circuit primaire des réacteurs REP. Lors de l’accident de la centrale nucléaire de Fukushima, au Japon, l’eau déversée sur les réacteurs était additionnée de borax.
Chimie : les borates sont les produits de départ de tous les composés du bore vus par ailleurs. L’acide borique est utilisé comme catalyseur lors de l’oxydation du cyclohexane destiné à produire le Nylon.

Bibliographie

Les borates, Mémento du BRGM, 1992.
European Borates Association, Rue des Deux Églises, 26, B-1000 Bruxelles, Belgique.
« Eti Maden and the borate industry », Industrial Minerals International Congress and Exhibition, Prague, 2016.
C. Helvaci, « Borate deposits: An overview and future forecast with regard to mineral deposits », Journal of boron 2 (2) 59-70, 2017.
Information du Borax Français, BP 59, 59411 Coudekerque-Branche Cedex.
American Ceramic Society Bulletin, juin 1997.
Applications industrielles des composés du bore, Informations Chimie, n°178, juin 1978.

Archives

Halogénures de bore

Données industrielles

Le trichlorure de bore (BF₃) est utilisé dans le raffinage des métaux (permet l’élimination de nitrures, carbures, oxydes), en catalyse, dans la fabrication de fibres de bore.

Données physico-chimiques

Données atomiques

Données physiques

Données chimiques

Données thermodynamiques

Données industrielles

Présence

Dans l’atmosphère

Dans le sol

Dans l’eau

Autres sources de CO2

Propriétés physiques

Conditionnement – transport

Transport par pipeline

Transport par navires

Productions

Producteurs et distributeurs

Situation française

Sources de CO2

Unités de 100 à 350 t/j de CO2

Unités de 2 à 30 t/j

Unités de 2 à 8 t/j

Commerce extérieur

Utilisations

Formes d’utilisation

Utilisations diverses

Risques lors de son utilisation

Bibliographie

Archives

Données industrielles

Matières premières

Fabrication et propriétés

Productions

Capacités annuelles de production de fibres de carbone

Situation française

Utilisations

Consommations de fibres de carbone :

Secteurs d’utilisation

Bibliographie

Archives

Données industrielles

Fabrication industrielle

Productions

Situation française

Utilisations

Secteurs d’utilisation du charbon actif

Bibliographie

Archives

Données industrielles

Caractéristiques

Fabrication industrielle

Productions

Situation française

Utilisations

Secteurs d’utilisation du noir de carbone

Bibliographie

Archives

Données industrielles

Fabrication industrielle

Productions

Production de coke

Situation française

Utilisations

Bibliographie

Archives

Données physico-chimiques

Données atomiques

Données physiques

Données thermodynamiques

Données industrielles

État naturel

Productions

Production de graphite naturel

Réserves de graphite naturel

Situation française

Utilisations du graphite naturel

Secteurs d’utilisation du graphite naturel

Graphite artificiel et matériaux en carbone

Pyrolyse et graphitation

Matières premières

Autres sources de CO₂

Sources de CO₂

Unités de 100 à 350 t/j de CO₂