Alumine

L’alumine ou oxyde d’aluminium de formule Al2O3 est le plus abondant oxyde métallique de la croûte terrestre après la silice. Elle existe sous forme hydratée dans un minerai naturel, la bauxite.

L’alumine, ou oxyde d’aluminium, est une poudre blanche de masse moléculaire 102 très stable. C’est un oxyde réfractaire, car sa température de fusion est très élevée (2054 °C). L’alumine se forme naturellement à l’air à la surface de l’aluminium, mais contrairement à la rouille pour les alliages ferreux, l’alumine forme une couche étanche qui protège l’aluminium de l’oxydation et lui garde son aspect métallique brillant|

Il existe plusieurs formes d’alumine plus ou moins hydratées :

    • la bayerite, polymorphe de la gibbsite, de structure monoclinique, hydroxyde de composition α-Al(OH)3
    • la boéhmite de structure orthorhombique, hydroxyde de composition γ-AlOOH
    • le corindon de structure hexagonale, oxyde de formule α-Al2O3

Au cours de la déshydratation, des phases métastables apparaissent. Elles sont mal cristallisées et quasi cubiques en adoptant presque toutes les lettres de l’alphabet grec : ε, γ, δ, θ. Cependant elles se convertissent toutes en oxyde α-Al2O3 (corindon ) au dessus de 1 000 °C. L’alumine β n’est pas vraiment une alumine, car elle correspond à la formule Na2O,11Al2O3, avec une structure hexagonale où les blocs Al2O3 adoptent une structure de type spinelle entre lesquels les ions sodium se placent sur des sites labiles et lui donnent une conduction ionique excellente qui le font adopter comme électrolyte dans les batteries sodium-soufre.

La source principale d’alumine est la bauxite. C’est un minerai qui a été découvert près du village des Baux en Provence (cf. Aluminium) par le chimiste Pierre Berthier en 1821 qui lui donna d’abord le nom de « terre des Baux » transformé ensuite en bauxite par Henri Sainte Claire Deville. La bauxite est riche en bayerite et en oxyde de fer qui lui donne cet aspect rougeâtre. La première usine de Salindres utilisa le procédé Deville-Péchiney qui passait par une calcination avec du carbonate de sodium pour former l’aluminate de sodium qui est solubilisé et séparé des silicates et hydroxydes de fer.

Actuellement le procédé le plus utilisé est le procédé Bayer, où l’on attaque directement la bauxite par la soude concentrée à chaud vers 200-250 °C. Les hydrates sont transformés en aluminates, les impuretés sont séparées par décantation et filtration et forment un déchet riche en soude, silice et hydroxyde de fer, les « boues rouges » de mauvaise réputation ! En refroidissant la liqueur, le trihydrate précipite et donne l’alumine après calcination à 1050 °C. En France c’est l’usine de Gardanne (Bouches-du-Rhône) qui utilisa le procédé dès la fin du XIXe siècle et le perfectionna jusqu’à maintenant.

L’essentiel de la production d’alumine sert à la fabrication de l’aluminium par le procédé Héroult-Hall qui est une électrolyse réductrice en bain de fluorures fondus à la température de 960 °C

Sous forme monocristalline, dans le système corindon, on utilise sa propriété de dureté qui est de 9 sur l’échelle de Mohs, qui en fait un minéral très proche du diamant. Si le rubis est une pierre précieuse naturelle (cf. Pierres précieuses), c’est en 1897 que Auguste Verneuil mit au point un procédé de synthèse de monocristaux de corindon dopé en agents colorants (chrome pour le rubis, fer et titane pour le saphir) par la fusion de la poudre d’alumine à travers la flamme d’un chalumeau oxyhydrique qui peut atteindre plus de 2 500 °C. Les gouttes d’alumine fondues tombent sur un cristal d’amorçage et le corindon croît en formant une carotte ou une bouteille qui descend doucement en fonction de la croissance.

Une autre méthode est celle du tirage Czochralski (cf. Silicium) qui fournit des cristaux plus gros. L’utilisation de ces pierres synthétiques en joaillerie et en horlogerie reste importante. La dureté du corindon en fait aussi un matériau de choix pour les « verres de montres » inrayables, et certain hublots d’hélicoptères de combat. Les lasers à rubis sont aussi d’utilisation courante.

L’alumine est également utilisée sous forme céramique frittée à haute température, elle résiste à l’abrasion et on en fait des supports de fils en textile et des embouts de pulvérisateurs de poudres ou de liquides chargés. C’est également un élément important pour les prothèses soumis à frottements notamment, les prothèses de hanche. C’est également un réfractaire pour les revêtements des fours de haute température et pour des éléments, tubes ou moufles pour les réacteurs haute température. Sous forme de fibres assemblées en nappes ou tissus c’est un isolant haute température.

On utilise aussi la faculté des petits cristaux, obtenus par broyage de l’alumine fondue, d’être très dur, avec des arêtes de clivages très coupantes pour en faire un abrasif. Les petits cristaux sont déposés sur une bande de papier enduite de colle, alignés perpendiculairement au plan de la bande par un champ électrique, la colle polymérise et fixe les cristaux et la bande est ensuite découpée pour fournir les papiers abrasifs.

L’alumine flash est une alumine de transition, mal cristallisée issue de la calcination éclair de la bayerite, elle a une très grande surface spécifique de l’ordre de 300 m2/g et une granulométrie de l’ordre de 30 µm. Par hydratation et passage par la boéhmite, on peut obtenir des billes de 2 à 10 mm très solides avec une surface spécifique de l’ordre de 90m2/g qui, imprégnées de catalyseur, ont été les éléments des pots catalytiques de 1978 à 1985, date à laquelle la technologie des monolithes a pris le dessus.

D’une manière plus générale, l’alumine est employée en catalyse hétérogène comme support de particules métalliques et d’oxydes, mais aussi comme catalyseur acide intrinsèque du fait de la présence de groupes hydroxyle de surface. Ses propriétés modulables en font le support le plus employé dès lors que son acidité résiduelle n’est pas préjudiciable : sa stabilité redox et sa grande stabilité thermique assurent la grande durée de vie de nombreux systèmes catalytiques. Son acidité peut être modulée par la formation d’oxydes ternaires amorphes ou cristallisés : aluminosilicates amorphes, zéolithes, matériaux mésoporeux, céramiques sont autant de familles de matériaux permettant de répondre à la réactivité souhaitée.

Pensée du jour

« Des Baux à Gladstone, de Salindres à Gardanne l’alumine a fait son chemin.  »

Sources

Pour en savoir plus

Déjà membre de la SCF ?

J'adhère