Extraction du cuivre

La métallurgie d'extraction du cuivre est l’ensemble des opérations permettant la production de cuivre métallique à partir de minerai de cuivre ou à partir de déchets métallurgiques recyclés contenant du cuivre (en 2005, plus de 30 % du cuivre consommé en 2005 était recyclé^[1]).

Le minerai de cuivre le plus courant est la chalcopyrite (CuFeS₂) qui représente plus de 50 % de la production, mais on trouve également du cuivre sous forme de sulfures dans la tétraédrite, la bornite et l'énargite, et sous forme d'oxyde dans la cuprite, la malachite, l'azurite et la chalcocite. Dans une large mesure, les oxydes et les sulfures de cuivre sont naturellement séparés. Aussi n'est-il généralement pas nécessaire de séparer les oxydes et les sulfures dans le minerai^[pas clair].

La teneur en cuivre des minerais varie de 0,5 à 5 %, alors qu'elle est de 0,01 % dans les roches volcaniques et de 0,0055 % dans les roches cristallines.

Pour des raisons environnementales et économiques, de nombreux sous-produits de l'extraction du cuivre sont récupérés. Par exemple, le dioxyde de soufre gazeux est transformé en acide sulfurique, qui est d'ailleurs utilisé dans le processus d'extraction.

Histoire

Âge du cuivre

L'âge du cuivre est la première évolution d'outils en métal, dans une période parfois différenciée sous le nom de chalcolithique.

Il ne s'agit au départ que de cuivre utilisé à l'état natif et simplement martelé pour lui donner une forme : à ce stade, on l'utilise plutôt comme une pierre malléable que comme un métal. La teneur en cuivre des gisements est alors de l'ordre de 90 %. Il n'y a donc aucune extraction et le cuivre est mis en forme dans son état natif.

Les mines sont en surface et exploitées à ciel ouvert, la prospection reste donc simple.

Après l'âge du cuivre

La mine de Chino au Nouveau-Mexique.

Évolution de la richesse du minerai de cuivre.

Des gisements de minerai de cuivre ont été découverts, il y a 4 700 ans, dans le Sinaï par les Égyptiens, lors d'une expédition du pharaon Smerkhet.

Comme pour beaucoup de métaux non ferreux, l'extraction du cuivre s'est faite à partir de gisements de plus en plus pauvres. En 1800, le minerai anglais titre plus de 9 % de cuivre. Il en contient encore plus de 6 % vers 1880, mais il est épuisé. À la même époque, au moment de la mise au point du procédé Manhès-David, le minerai américain, très abondant, contient en moyenne 3 % de cuivre^[2], 2 % en 1930, 1 % en 1975 et 0,6 % au début du XXI^e siècle^[3],[4].

Actuellement

Aujourd'hui les sources de cuivre sont plus discrètes et difficiles à trouver. Des gisements de chalcopyrite sont exploités intensivement au Canada, en Zambie, au Katanga en République démocratique du Congo, au Mali, au Kazakhstan, en Mauritanie, en Pologne et aux États-Unis, dans les États de l'Arizona, du Montana, du Nouveau-Mexique, et de l'Utah. Une des plus grandes mines du monde se trouve à Chuquicamata, dans le désert d'Atacama au Chili. La malachite (une pierre verte opaque) est exploitée dans la région de Lubumbashi dans l'Est du Congo. À l'heure actuelle, la teneur en cuivre des gisements riches est de l'ordre de 4 %. La plus grande mine de cuivre à ciel ouvert du monde est située sur l'île de Bougainville ; elle est fermée depuis 1989 à la suite de sabotages effectués par l'Armée révolutionnaire de Bougainville.

Formation du minerai

Minerai primaire

Les minerais de cuivre se forment quand les solutions géothermales, riches en métaux dissous, remontent à la surface et, en s'amalgamant avec d'autres métaux, précipitent en se déposant en veines à travers la roche. Le cuivre se dépose en sulfure de cuivre ou même en métal. Sur un pas de temps de plusieurs milliers d'années, l'air ou l'eau finit par pénétrer et oxyder le minéral.

Les minéraux de cuivre les plus communs en zone hydrothermale sont :

• la bornite Cu₅FeS₄
• la chalcopyrite CuFeS₂

• 
  Chalcopyrite, des mines de tungstène de Nababeep, en Afrique du Sud.
• 
  Bornite incrustée dans du quartz, de la mine Leonard, à Butte, États-Unis.

Oxydation

Les sulfures de cuivre peuvent être oxydés. Par des solutions acides, le soufre et le fer sont remplacés par des carbonates et hydroxydes. Les Fe peuvent être éliminés, suivant les types de minerais, sous forme de sulfate de fer soluble ou encore sous forme de goethite, limonite…

Les minéraux de cuivres les plus courants obtenus sont :

• l'atacamite Cu₂Cl(OH)₃
• l'azurite Cu₃(CO₃)₂(OH)₂
• la cuprite Cu₂O
• la chrysocolle CuSiO₃(H₂O)₂
• la malachite Cu₂CO₃(OH)₂
• le cuivre Cu
• la ténorite CuO

Enrichissement

Certains minéraux peuvent ensuite précipiter à cause des eaux hydrothermales et donner :

• de la chalcocite Cu₂S
• de la covellite CuS

Extraction

Catastrophe environnementale avec une mine de sulfure pour l'extraction de cuivre dans le village de Levikha, de l'oblast de Sverdlovsk, en Russie. En fonction des cours du cuivre, la mine était en production, ou arrêtée. Lorsqu'elle est était arrếtée elle était inondée. Elle a fini par faire faillite, mais les eaux de la mine, acides, ont atteint la surface, y détruisant la vie^[5]. Aujourd'hui l'eau est pompée, neutralisée, puis jetée dans la rivière Taguil. Le ministère des ressources naturelles et de l'environnement de la fédération de Russie a lancé des études, mais qui semblent ne pas avancer. Septembre 2018.

Autre vue par drone de la catastrophe de la mine d'extraction de cuivre de Levikha. Septembre 2018.

Extraction hydrométallurgique

La voie hydrométallurgique pour l'extraction du cuivre est de plus en plus privilégiée en raison de

• son coût énergétique moindre ;
• des frais d'investissements faibles ;
• la possibilité de traiter les minerais in situ (cas de la lixiviation en tas) ;
• la mise en continu des procédés d'extraction.

La plupart des minerais de cuivre extraits aujourd'hui sont des sulfures de métal telle que la chalcopyrite. Il est possible de dissoudre dans l'eau ces sulfures par plusieurs voies.

Une première solution consiste simplement à libérer les ions Cu²⁺ en arrosant un tas de minerai par de l'acide sulfurique. Ce procédé s'applique néanmoins principalement aux minerais oxydés. Les minerais sulfurés peuvent être grillés (oxydés) et entrer dans ce processus de fabrication.

La seconde solution a pour but d'oxyder les minerais sulfurés par lixiviation bactérienne (Thiobacillus ferrooxidans) dans un environnement fortement oxydant (acide sulfurique). Le mode de fonctionnement est de type catalytique. L'oxydation de cuivre en ion cuivrique est accélérée par les bactéries. Ces dernières se nourrissent de dioxyde de carbone et ont la particularité de pouvoir vivre dans un environnement très hostile. Pour la lixiviation bactérienne, des phases alternées de lavage (à l'eau) de repos et d'arrosage (à l'acide) sont nécessaires afin de maintenir l'activité des bactéries. On notera enfin que ces bactéries sont présentes naturellement dans le tas et il n'est pas nécessaire de les cultiver pour les introduire.

Extraction pyrométallurgique

Évolution des procédés utilisés dans la métallurgie extractive du cuivre, par rapport au nombre de fonderies les utilisant dans le monde.

Le chauffage dans divers fours tels que les fours de grillage, le haut fourneau ou le four à réverbère, le four à arc électrique, la fusion flash permet de réduire et fondre le cuivre, qui peut être ensuite affiné par un convertisseur (procédé Manhès-David).

Au milieu du XX^e siècle, le haut fourneau subi la concurrence du four à réverbère. En effet, bien que doté d'une excellente efficacité thermique, il ne peut fondre que des minerais rocheux, qui constituent un lit perméable aux gaz. À l'inverse, le four à réverbère est efficace avec les minerais fins, de moins bonne qualité, qui, sans agglomération, colmateraient les hauts fourneaux. Mais début du XXI^e siècle, la fusion flash s'impose face au four à réverbère, d'abord à cause de considérations écologiques, puis à cause des économies d'énergie qu'elle permet. Pendant le choc pétrolier de 1973, elle le supplante définitivement, assurant plus de 60 % de la production de cuivre^[6].

Au début du XXI^e siècle, la production de cuivre au haut fourneau se cantonne au domaine très particulier de la refusion de déchets de cuivre relativement pauvres, cela en raison de la grande souplesse de conduite du haut fourneau sur des matières extrêmement variables^[7].

• 
  Hauts fourneaux produisant une matte de cuivre, en 1899, en Australie.
• 
  Convertisseur Peirce-Smith, en 1972, aux États-Unis.

Avec l'appauvrissement des minerais, l'hydrométallurgie se complexifie alors que l'extraction pyrométallurgique évolue peu. Au début du XXI^e siècle, la pyrométallurgie ne représente plus que 10 % de l'énergie nécessaire à toute l'extraction du cuivre^[8].

Affinage électrométallurgique

Le cuivre issu des procédés d'affinage pyrométallurgiques, appelé blister, contient moins de 1 % en poids d'éléments indésirables ce qui est encore une proportion nettement trop élevée. Ces éléments ont une forte influence sur les propriétés électriques ou thermiques du cuivre. Un raffinage par électrolyse doit encore être réalisé afin de retirer ces éléments, dont certains sont précieux (or, argent, …) ou relativement peu abondants (indium, thallium, sélénium, tellure, …) et sont récupérés dans les résidus d'électrolyse (boues sédimentées au fond des cellules d'électrolyse). Ces impuretés (Au, Ag, In, Tl, Se, Te) sont contenues au départ dans les minerais de sulfure de cuivre tel que la chalcopyrite.

Purification par fusion de zone

Pour la purification avancée de cuivre au laboratoire, il est possible également de recourir à la fusion de zone sur des quantités modestes de matériaux. La méthode ou la technique de la zone fondue (également appelée fusion de zone ou raffinage par zone fondue et désignée en anglais par les termes zone melting et zone refining) est une technique permettant de purifier des composés cristallisés stables à la fusion. L'avantage de cette technique est qu'elle peut permettre d'obtenir de très hauts degrés de pureté (99,999 % en masse pour le silicium^[9], par exemple). Elle a été inventée dans les années 1950 par W. G. Pfann^[10].