Réduction électrolytique de l'aluminium

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La réduction électrolytique de l'aluminium est le procédé qui permet de fabriquer le métal aluminium à partir de l'alumine extraite de la bauxite. Le procédé a été inventé simultanément par Paul Héroult en France et Charles Martin Hall aux États-Unis en 1888.

[modifier] Principe

Schéma de la cuve d'électrolyse

[modifier] Généralités

L'alumine est dissoute dans un bain d'électrolyse qui est chauffé entre 950°C et 1000°C.

Dans le bain d'électrolyse l'alumine s'ionise suivant la réaction suivante :

$\begin{matrix} & \\ Al_2O_3 & \overrightarrow{\qquad} & 2Al^{3+} + 3O^{2-} \\\end{matrix}$

Suivant le principe de l'électrolyse on fait passer un courant électrique entre l'anode et la cathode. On obtient les réactions suivantes :

[modifier] Cathode

$\begin{matrix} & \\ Al^{3+}+ 3e^- & \overrightarrow{\qquad} & Al^0\ m\acute{e}tal \\\end{matrix}$

[modifier] Anode

$\begin{matrix} & \\ 2O^{2-}+ C & \overrightarrow{\qquad} & CO_2 +4e^- \\\end{matrix}$

[modifier] Réaction globale

Globalement on obtient :

$\begin{matrix} & \\ 2 Al_2O_3 (solution) + 3C (solide) & \overrightarrow{\qquad} & 4Al^0 (liquide) +3 CO_2 (gaz) \\\end{matrix}$

A noter qu'il existe une réaction concurrente :

$\begin{matrix} & \\ 2 Al^0 (solution) + 3 CO_2 (gaz) & \overrightarrow{\qquad} & Al_2O_3 (solution) +3 CO (gaz) \\\end{matrix}$

Les réactions ci-dessus ne tiennent pas compte du bain électrolytique. Le bain est ici considéré comme un composé dans lequel se dissout l'oxyde d'aluminium et qui ne tient aucun rôle dans les réactions. Bien que les phénomènes ne semblent pas être parfaitement connus, le bain d'électrolyte tient un rôle.

[modifier] Détail

[modifier] Le bain d'électrolyse

le bain d'électrolyse est constitué principalement de :

un fluorure : la cryolithe. Elle représente environ 70% de la masse du bain d'électrolyse. La cryolite a comme composition : (AlF₃, 3NaF).
Du fluorure d'aluminium : AlF₃. Il est fortement consommé pendant l'élctrolyse en formant du tétrafluoroaluminate de sodium. Qui se décompose en donnant de nouveau de l'alumine, du fluorure de sodium (NaF) et de l'acide fluorhydrique (HF).
Du fluorure de calcium : CaF₂ qui est pratiquement inerte.

La composition ionique du bain serait donc : Na⁺, F^-, AlF^3-, AlF^4-, et Al_xO_yF_z^(3x-2y-z.

[modifier] Réactions à l'anode

L'anode est en carbone. Elle est fabriquée à l'aide de coke de pétrole calciné (coke de brai) et brai de houille.

A l'anode, on a la réaction suivante :

$\begin{matrix} & \\ 4F^- + Al_2O_2F_4^- + C & \overrightarrow{\qquad} & 4 e^- + 2AlF_4^- + CO_2 \\\end{matrix}$

On a également la réaction secondaire suivante :

$\begin{matrix} & \\ 4F^- + Al_2O_2F_4^- + 2C & \overrightarrow{\qquad} & 4 e^- + 2AlF_4^- + 2 CO \\\end{matrix}$

[modifier] Réactions à la cathode

La cathode est en carbone. Elle est en permanence recouverte d'aluminium liquide.

A la cathode, nous avons les réactions électrochimiques suivantes :

Réaction primaire :

$\begin{matrix} & \\ AlF_4^- + 3e^- & \overrightarrow{\qquad} & Al (liquide) + 4F^- \\\end{matrix}$

Réactions secondaires :

$\begin{matrix} & \\ Na^+ + 3C & \overrightarrow{\qquad} & Na \\\end{matrix}$

$\begin{matrix} & \\ 4Al + 3C \overrightarrow{\qquad} & Al_4C_3 \\\end{matrix}$

les produits fabriqués par ces deux réactions, pénétrent dans la cathode et provoquent son endommagement progressif.

L'aluminium liquide est régulièrement pompé (sans en retirer la totalité). L'aluminium est ensuite emmené dans des fours de réchauffage pour enlever les impuretés et ajuster la composition.

[modifier] Aspects technologiques

Pour fabriquer une tonne d'aluminum, il faut :

deux tonnes d'alumine
0.5 tonne de carbone.

A l'origine, les cuves (les marmites) avaient une intensité de 5000 à 6000 ampères pour un voltage de 6 à 7 volt.

Actuellement (cas de l'usine Alcan de Dunkerque) les cuves ont une intensité de 350 000 ampère pour un voltage de 4 volt. Pour fabriquer une tonne d'aluminium il faut consommer 12 000 kWh.