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Données atomiques
Données physiques
CARBONATE DE SODIUM Données chimiques
Données thermodynamiques

 

Le carbonate de sodium, (ancien nom "natron") appelé improprement "soude" par les industriels (en anglais "soda ash"), est soit extrait de dépôts naturels, principalement aux États-Unis (Wyoming), en Afrique (Kenya, Botswana), en Chine et en Turquie, soit synthétisé (pour 70 % de la production mondiale, en 2015) principalement selon le procédé Solvay à partir de chlorure de sodium et de calcaire.

 

ÉTAT NATUREL :

 Gisements de carbonate de sodium : fossiles ou dans des lacs salés.

- Gisement fossile de l'état du Wyoming, à Big Island à 40 km au Nord-Ouest de Green River, aux États-Unis. Il a été découvert en 1938 lors d'un forage pétrolier. Il est situé entre 120 et 1 050 m de profondeur et couvrirait 2 600 km2. Il est constitué de 42 couches de trona (Na2CO3,NaHCO3,2H2O) dont 11 de plus de 2 mètres d'épaisseur. Des couches atteignent une teneur de 97 % de trona. Les réserves seraient d'environ 22 milliards de t. Deux couches sont actuellement exploitées souterrainement.

Le gisement résulte de l'accumulation de sédiments, à l’Éocène, il y a 50 millions d'années, dans deux lacs s'étendant sur les états actuels du Wyoming, du Colorado et de l'Utah avec des superficies atteignant jusqu'à 57 000 et 38 850 km2.

Son exploitation a débuté en 1950 et elle a supplanté toute la production américaine de carbonate synthétique (17 usines en 1938, 10 en 1969, 1 en 1979 qui a fermé en 1986). Les gisements du bassin de Green River représentent, en 2015, 75 % des capacités des Etats-Unis.

L'exploitation souterraine est effectuée soit selon des techniques minières classiques (méthode des "chambres et piliers") soit par forages et dissolution in situ (méthode utilisée, en partie, par Tronox). Dans le premier cas, le taux de récupération est de 45 %, 30 % dans le second cas.

Le traitement du minerai est réalisé selon 2 procédés, l'un au monohydrate, l'autre au sesquicarbonate.

2 (Na2CO3,NaHCO3,2H2O) = 3 Na2CO3 + 5 H2O + CO2

L'exploitation des gisements naturels consomme moins d'énergie, de 5,6 à 7 GJ/t, que la fabrication industrielle, de 8,9 à 14,25 GJ/t.

- Sociétés exploitantes : en millions de t de capacités annuelles, en 2015.

Tronox 4,41 Solvay 2,54
Ciner Wyoming 2,95 Tata Chemicals 2,54
Source USGS

Tronox, groupe australien, qui a acquis le 1er avril 2015 les activités dans le carbonate de sodium de FMC, possède la mine de Granger et à 94 % celle de Westvaco, la participation restante étant détenue par Sumitomo Corp. (Japon). Les mines, souterraines, sont situées à 490 m de profondeur, avec plus de 4 000 km de galeries. La couche de trona exploitée a une épaisseur de 3 mètres. La mine de Westvaco est exploitée souterrainement par voie classique et par dissolution, celle de Granger seulement par dissolution. La mine de Westvaco est exploitée depuis 1947, celle de Granger a été développée à l'origine par Texasgulf, filiale d'Elf Atochem. Les réserves prouvées et probables sont de 835,7 millions de t renfermant 87 % de trona.

Ciner Group, société turque, a acquis en octobre 2015 les parts (51 %) détenues par OCI (Corée du Sud) dans OCI Chemical, la société devenant Ciner Wyoming. OCI avait acheté, en 1996, les parts de Rhône Poulenc. 49 % des parts sont détenues par Natural Resources Partners. En 2015, la production est de 2,416 millions de t de carbonate de sodium avec l'extraction de 3,67 millions de t de minerai d'une teneur comprise entre 85 et 89 %. Les réserves prouvées et probables sont de 242,7 millions de t de minerai renfermant 86 % de trona pouvant donner 132,3 millions de t de carbonate de sodium. L'exploitation a lieu à une profondeur comprise entre 244 et 335 m.

Les activités de Solvay sont détenues à 20 % par Asahi Glass (Japon). Par ailleurs, Solvay possède un gisement de nahcolite (hydrogénocarbonate de sodium), non exploité, à Piceance Creek, dans le Colorado, d'une capacité de 0,91 million de t.

Tata Chemicals (Inde) détient 75 % d'une joint venture avec Owens-Illinois Inc. En 2015, la production a été de 2,122 millions de t de carbonate de sodium.

- Gisement de Beypazari, en Turquie : exploité depuis 2009, par Eti Soda, filiale à 74 % de Ciner Group et à 26 % du groupe étatique Eti Maden. Le gisement a été découvert, en 1979, lors de la recherche de gisements de charbon. Le gisement est exploité par dissolution. La capacité de production est de 1,7 million de t/an. Eti Soda prévoit l'exploitation d'un nouveau gisement, à Kazan, en vue d'une capacité de production supplémentaire de 2,5 millions de t/an à compter de 2018.

- Lacs salés : le carbonate de sodium est récupéré à partir de saumures contenant de l'ordre de 16 % de NaCl, 6,5 % de Na2CO3, des borates et des sels de lithium et potassium. Par carbonatation (à l'aide de CO2) de la saumure, l'hydrogénocarbonate précipite.

- Principaux lacs :

 Production de carbonate naturel :

La production mondiale, en 2014, est de 14,6 millions de t dont 11,6 millions de t aux États-Unis.
Les États-Unis sont le principal exportateur mondial avec, en 2015, 6,39 millions de t. Elles sont destinées à 16 % au Brésil, 15 % au Mexique, 10 % à l'Indonésie, 5 % à l'Australie, 5 % au Chili...
L'ANSAC, regroupe les activités d'exportation, hors Union européenne, de 3 producteurs des États-Unis, Tronox, Tata Chemicals et Ciner Wyoming.
Les exportations vers l'Union européenne sont réalisées au travers de l'American-European Soda Ash Shipping Association (AESSA).
Au total, en 2015, les capacités de production des États-Unis sont détenues à 54 % par des capitaux étrangers, à 23 % indiens, 15 % belges, 11 % turcs et 5 % japonais.

- Les unités de production de carbonate de sodium coproduisent de l'hydrogénocarbonate, du sulfate de sodium et de l'hydroxyde de sodium dans le Wyoming et du chlorure de sodium, du sulfate de sodium et du borax en Californie.

Réserves de carbonate naturel : en 2015, en millions de t. Monde : 24 milliards de t.

États-Unis 23 000 Mexique 200
Botswana 400 Turquie 200
Source : USGS

 

FABRICATION INDUSTRIELLE :

Le carbonate de sodium synthétique est quasi exclusivement obtenu par le procédé Solvay mis au point entre 1861 et 1865. Une variante du procédé Solvay, le procédé Hou, est utilisée en Chine, avec co-production de chlorure d'ammonium utilisé comme engrais. En 2015, le procédé Solvay est employé par 45 % des unités de production, le procédé Hou par 25 %, le carbonate naturel représentant 23%.
Une coproduction de carbonate de sodium (75 000 t/an) est réalisée, lors de divers procédés, par BASF.

 Matières premières : chlorure de sodium et calcaire. L'ammoniac intervient dans la fabrication mais il est presque totalement recyclé.

 Principe de la fabrication : selon la réaction globale suivante qui toutefois n'est pas réalisable directement :

2 NaCl + CaCO3= Na2CO3 + CaCl2

Le procédé Solvay consiste en 8 étapes, dans des unités de production dénommées soudières.

1 - Préparation d'une saumure saturée par du chlorure de sodium.

2 - Absorption dans cette saumure d'ammoniac recyclé.

3 - Calcination du calcaire dans un four à chaux, qui donne du dioxyde de carbone :

CaCO3 = CaO + CO2(g)

4 - Préparation d'un lait de chaux, en présence d'un excès d'eau :

CaO + H2O = Ca(OH)2

5 - Carbonatation de la saumure ammoniacale avec le dioxyde de carbone provenant de la calcination du calcaire et de la décomposition de l'hydrogénocarbonate, l'hydrogénocarbonate, NaHCO3, peu soluble précipite.

NH3(aq) + H2O + CO2(aq) = NH4HCO3

NH4HCO3 + Na+ + Cl- = NH4+ + Cl- + NaHCO3

6 - Filtration de l'hydrogénocarbonate.

7 - Calcination de l'hydrogénocarbonate vers 150-200°C :

2 NaHCO3 = Na2CO3 + H2O(g) + CO2(g)

8 - L'ammoniac est régénéré à l'aide du lait de chaux :

2 (NH4+ + Cl-) + Ca(OH)2 = 2 NH3(aq) + Ca2+ + 2 Cl- + 2 H2O

Le chlorure de calcium, CaCl2 est un coproduit partiellement valorisé comme desséchant, sel de déneigement... ou rejeté en rivière ou en mer. Les rejets dans la Meurthe d'ions Cl- par les usines françaises de carbonate de sodium sont limités de telle sorte que leur contribution soit au maximum de 400 mg.L-1 dans la Moselle à Hauconcourt (100 km en aval).

- Consommations (par t de Na2CO3) : NaCl : 1,6 t, CaCO3 : 1,1 à 1,3 t, eau de réfrigération : 20 à 50 m3, énergie : 8,9 à 12,35 GigaJ.

- Les unités de production ont des capacités pouvant atteindre 1,5 million de t/an. Elles fournissent deux qualités de carbonate de sodium :

- léger : c'est le produit obtenu directement, dont les particules ont un diamètre moyen de 100 µm et une densité apparente de 500 kg/m3. Il est utilisé principalement dans l'industrie des détergents.

- dense : le carbonate de sodium subit une recristallisation en carbonate monohydraté puis une calcination qui donne des particules de 300 à 400 µm et une densité apparente proche de 1 000 kg/m3. C'est cette qualité qui est la plus demandée, en particulier par l'industrie verrière et la métallurgie.

- Le procédé Hou, utilisé en Chine, consiste à associer la production de carbonate de sodium, à celle d'ammoniac. Le dioxyde de carbone coproduit lors de la production d'ammoniac est utilisée à la place de celui provenant de la calcination du calcaire. La production de chlorure de calcium est ainsi évitée et le chlorure d'ammonium obtenu est utilisé comme engrais dans la culture du riz. La consommation d'énergie est de 14,25 GJ/t.

- Le carbonate a une teneur supérieure à 99,5 % en Na2CO3, la principale impureté est NaCl : 0,1 à 0,3 %. C'est un produit qui s'hydrate et se carbonate au contact de l'air en donnant, en partie, de l'hydrogénocarbonate.

 

PRODUCTIONS : en 2015, en milliers de t. Monde : 53 400, Union européenne : 8 346.

Chine 26 130 Turquie 1 900
États-Unis 11 600 Inde 2 400
Russie 2 800 Pologne 1 100
Allemagne 2 600 France 1 000
Source : USGS

En 2015, la capacité mondiale de production est de 69,5 millions de t/an, celle de la Chine de 32 millions de t/an, celle des Etats-Unis, de 12,7 millions de t/an, celle de l'Union européenne de 9,5 millions de t/an.

En 2015, la production de l'union européenne est de 8,346 millions de t dont 2,536 millions de t en Allemagne et 905 797 t en Espagne. Pour les autres pays les productions sont confidentielles.

La Chine est premier producteur mondial depuis 2003. En Chine, en 2015, les capacités de production sont de 32 millions de t/an dont 17,2 millions de t/an selon le procédé Solvay, 13,8 millions de t/an selon le procédé Hou et 1,9 million de t/an de carbonate naturel.

Dans l'Union européenne : par pays et ( ) producteurs, en 2015, en milliers de t/an de capacités de production.

Allemagne (Solvay, Ciech, BASF) 1 805 Italie (Solvay) 1 000
Bulgarie (Solvay, Sisecam) 1 500 Roumanie (Ciech) 535
Pologne (Ciech) 1 300 Royaume Uni (Tata Chemicals) 460
France (Solvay, Novacarb) 1 260 Belgique (BASF) 25
Espagne (Solvay) 1 020    
Sources : Ciech

Commerce international : en 2015, le principal pays exportateur est les États-Unis, avec 6,39 millions de t, suivi de la Chine, avec environ 2 millions de t et de la Turquie, avec 800 000 t.

Producteurs : en millions de t de capacités annuelles de production, en 2015.

Solvay (Europe, États-Unis, Egypte) 7,0 Ciech (Pologne, Roumanie, Allemagne) 2,45
Ciner Group (États-Unis, Turquie) 4,55 BSC Chemicals (Russie) 2,33
Tronox (Etats-Unis) 4,4 Sisecam (Turquie, Bosnie, Bulgarie) 2,0
Tata Chemicals (Inde, États-Unis, Royaume-Uni, Kenya) 4,3 Nirma Ltd. (Etats-Unis) 1,32
Sources : rapports annuels des sociétés

Solvay : n° 1 mondial (22 % des capacités mondiales et 60 % des capacités de l'Union européenne) avec une capacité de production de 7 millions de t/an, dont 5,1 millions de t en Europe.
- Solvay produit du carbonate de sodium à partir de minerai à Green River au Wyoming (États-Unis) dans une unité de production détenue à 80 %, les 20 % restant étant propriété de Asahi Glass (Japon).

- En Europe, les unités de production de carbonate de sodium synthétique sont situées en Italie (Rosignano, 1 000 000 t/an de capacités), Espagne (Torrelavega, 1 020 t/an de capacités), France (Dombasle, 700 000 t/an de capacités), Allemagne (Rheinburg, 600 000 t/an de capacités et Bernburg, 540 000 t/an de capacités). L'unité de production de Devnya, en Bulgarie, 1 500 000 t/an de capacités est détenue à 75 % par Solvay et 25 % par Sisecam (Turquie).

- Solvay produit également du carbonate de sodium en Egypte, à Alexandrie, avec 130 000 t/an de capacité et en 2011, en Chine, a pris une participation de 30 % dans l'usine de Bin Hai du groupe Tianjin Soda Ash, la capacité de l'usine étant de 800 000 t/an, la part de Solvay de 220 000 t/an de carbonate de sodium et 30 000 t/an d'hydrogénocarbonate.

Ciner Group, avec l'exploitation du gisement de Green River, aux Etats-Unis, et celui de Beypazari, en Turquie. Les capacités aux Etats-Unis sont de 2,95 millions de t/an, celles d'Eti Soda, en Turquie, de 1,6 million de t et celles prévues de Kazan Soda de 2,5 millions de t.

Tronox, avec 9 % des capacités mondiales de production.

Tata Chemicals a produit, en 2015-16, du carbonate de sodium naturel, aux États-Unis, à Green River, avec 2 121 544 t et au Kenya, avec 310 907 t et du carbonate de sodium synthétique, au Royaume Uni, à Lostock, avec 460 000 t et, en Inde, à Mithapur, dans l'état de Gujarat, avec 810 000 t.

Ciech, avec 25 % des capacités de production de l'Union européenne, groupe polonais possède 2 usines de production en Pologne, à Inowroclaw, avec une capacité de production de 600 000 t/an et à Janikowo, avec 700 000 t/an, une usine en Allemagne, à Stassfurt, avec 615 000 t/an et une usine en Roumanie, à Gorova, avec 535 000 t/an.

BSC Chemicals (Russie) possède deux unités de production en Russie, à Sterlitamak avec 1 700 t/an et Berezniki avec 630 000 t/an.

 

SITUATION FRANÇAISE : en 2015, avec 2 unités de production.

- Dombasle (54, Solvay) : l'usine construite en 1874, a une capacité de 700 000 t/an de carbonate de sodium et de 120 000 t/an d'hydrogénocarbonate. 70 % de la production de l'usine est destiné à l'industrie verrière.

- La Madeleine, commune de Laneuveville-devant-Nancy (54, Novacarb, filiale de Novacap), avec une capacité de production de 560 000 t/an de carbonate et de 140 000 t/an d'hydrogénocarbonate.

- Production : 1 million de t.

- Exportations : 318 857 t vers l'Allemagne à 39 %, la Belgique à 30 %, les Pays Bas à 20 %.

- Importations : 225 194 t de Turquie à 35 %, des États-Unis à 23 %, d'Espagne à 10 %.

 

UTILISATIONS :

 Consommations, en 2015 : Monde : 57 millions de t.

Chine : 23 millions de t, Europe : 11,4 millions de t, États-Unis : 5,22 millions de t, Inde : 2,7 millions de t.

 Secteurs d'utilisation, en %, en 2015.

 

États-Unis

Monde

Verre

48 %

51 %

Produits chimiques

30 %

9 %

Savons, détergents

7 %

15 %
Désulfuration des gaz de combustion

4 %

 
Papier
1 %
1 %
Métallurgie

6 %

Source : IHS et USGS

- Verre : voir ce chapitre. Dans le monde, hors Asie du Nord-Est, en 2014, la consommation est destinée à 26 % pour le verre creux et à 23 % pour le verre plat.

- Produits chimiques : utilisé à 50 % dans ce secteur pour produire des phosphates sodiques (tripolyphosphates dans les détergents, l'alimentation..., voir le chapitre H3PO4). Employé également pour fabriquer NaHCO3 (voir ci-dessous), les silicates de sodium (détergents, zéolithes...).

Na2CO3 tend à remplacer NaOH pour l'obtention de solutions basiques.

- Détergents : d'une part le carbonate de sodium est utilisé pour élaborer le tripolyphosphate et d'autre part, les lessives en poudre contiennent de 5 à 20 % en masse de carbonate de sodium.

C'est également un agent neutralisant dans la fabrication des savons.

- Métallurgie, sidérurgie : Na2CO3 est utilisé couramment comme désulfurant de la fonte, dans le traitement par lixiviation des minerais d'uranium, le traitement de surface des métaux...

 

Données atomiques
Données physiques
HYDROGENOCARBONATE DE SODIUM
(ou bicarbonate de sodium)
Données chimiques
Données thermodynamiques

 

Il existe des dépôts naturels d'hydrogénocarbonate de sodium (la nahcolite), par exemple aux États-Unis, dans le Colorado. Ce gisement a été exploité par Solvay, jusqu'en 2004 et est actuellement exploité par dissolution par Natural Soda, filiale du groupe canadien Enirgi Group. En général, l'hydrogénocarbonate de sodium est préparé à partir de carbonate de sodium. Aux États-Unis, l'hydrogénocarbonate est dénommé "baking soda".

 

FABRICATION INDUSTRIELLE :

NaHCO3, produit intermédiaire dans le procédé Solvay, n'est pas utilisé directement car il n'est pas suffisamment pur. Il est obtenu par carbonatation, en solution aqueuse, de carbonate de sodium purifié, selon la réaction :

Na2CO3 + H2O + CO2(aq) = 2 NaHCO3

Aux États-Unis, NaHCO3 est produit à partir de carbonate naturel ou d'hydrogénocarbonate naturel (nahcolite).

 

PRODUCTIONS : les capacités annuelles de production sont, dans le monde, en 2015, de 5,3 millions de t à 50 % en Asie, 25 % en Europe, 20 % en Amérique du Nord.

En 2015, la production est de 215 835 t en France, 237 719 t en Italie, 165 762 t en Espagne, la production allemande étant confidentielle.

Producteurs :

- Solvay , n°1 mondial avec 20 % des capacités de production, possède dans l'Union européenne des capacités de production de 650 000 t/an, avec 250 000 t/an en Italie à Rosignano, 150 000 t/an en Allemagne à Rheinburg et Bernburg, 130 000 t/an en Espagne à Torrelavega et 120 000 t/an en France à Dombasle. Aux Etats-Unis la production est effectuée à Parachute (Colorado) avec du carbonate provenant de l'exploitation Solvay de Green River (Wyoming). En Thaïlande, la production est réalisée à Map Ta Phut, avec une capacité de 100 000 t/an.

- Church & Dwight n°2 mondial avec 700 000 t/an aux Etats-Unis (principal producteur dans ce pays), avec des usines à Old Fort (Ohio) avec une capacité de 280 000 t/an, Green River (Wyoming) avec une capacité de 200 000 t/an et Camaçari (Bahia, Brésil). Aux Etats-Unis, le carbonate de sodium nécessaire à la fabrication de l'hydrogénocarbonate est fourni par Tata Chemicals. Church & Dwight spécialisé dans les détergents (marque XTra), les produits d'entretien, d'alimentation animale et d'hygiène distribue la marque Arm & Hammer.

- Natural Soda, filiale du groupe canadien Enirgi Group, deuxième producteur aux Etats-Unis, exploite le gisement de nahcolite du Piceance Creek Basin, près de Rifle, au Colorado, aux Etats-Unis, avec une capacité de production de 250 000 t/an. Le minerai est extrait du gisement, à 580 m de profondeur, par dissolution dans de l'eau chaude qui remontée en surface libère l'hydrogénocarbonate par refroidissement.

- Tata Chemicals a produit, en 2015-16, en Inde 97 000 t, ainsi qu'au Royaume Uni, avec 135 000 t/an.

- Autres producteurs : Ciech (150 000 t/an en Allemagne et Pologne), Tronox (Etats-Unis), Ciner Group (Etats-Unis), Sisecam (200 000 t/an en Turquie, Bosnie et Bulgarie), Asahi Glass et Tosoh Corporation (Japon, 90 % des capacités du pays), Novacap (140 000 t/an en France).

 

SITUATION FRANCAISE : en 2015.

- Production : 214 249 t.

L'unité de production de Solvay, à Dombasle (54), a une capacité de 120 000 t/an.

L'unité de production de Novacarb sur le site de La Madeleine, à Laneuveville-devant-Nancy (54), a une capacité de 140 000 t/an, après la mise en service d'une ligne de production de 50 000 t/an d'hydrogénocarbonate destiné, en particulier, à l'hémodialyse.

- Exportations, en 2016 : 99 489 t vers la Belgique à 28 %, l'Allemagne à 27 %, les Pays Bas à 12 %.

- Importations, en 2016 : 104 607 t d'Espagne à 51 %, de Turquie à 17 %, de Belgique à 9 %.

 

UTILISATIONS :

Consommation : dans le monde, en 2014, 3,9 millions de t, à 25 % en Europe, 24 % en Chine, 24 % en Amérique du Nord.

Secteurs d'utilisation : en 2014.

Alimentation animale 30 % Purification de gaz 13 %
Alimentation humaine 20 % Chimie 5 %
Cosmétiques, pharmacie 13 % Détergents, nettoyage 5 %
Source : Solvay

Utilisations principales :

L'alimentation humaine aux Etats-Unis, animale en Europe et les sels de bain au Japon. L'hydrogénocarbonate apporte CO2, par un chauffage modéré (au-dessus de 60°C) ou en milieu aqueux acide, ce qui permet son utilisation comme poudre levante dans l'alimentation et comme sel effervescent dans les boissons et les comprimés. Son appellation commerciale courante est le bicarbonate de sodium.

 Autres utilisations :

- L'épuration de SO2 et HCl des fumées et le traitement des eaux. Par exemple, à l'aide du procédé Neutrec, mis au point par Solvay, consistant à épurer les fumées, par voie sèche, à l'aide d'hydrogénocarbonate. Solvair Natural Solution, joint venture 50-50 entre Solvay et Enirgi Group exploite ce procédé.

- Son pH de 8,5 (à 20°C pour une solution à 100 g NaHCO3/L) permet une utilisation comme agent de nettoyage. Employé aussi dans l'alimentation animale comme substance tampon.

- Employé dans les traitements par dialyse.

 

Bibliographie :

- ESAPA (European Soda Ash Producers Association), CEFIC, Avenue E. Van Nieuwenhayse 4, B-1160 Bruxelles, Belgique.

- "Reference document on best available techniques for the manufacture of large volume inorganic chemicals - solids and others industry", Commission européenne, août 2007.

- A. Marcu, "Sectoral case study - Soda ash", CEPS, Brussels, 2015.

- Documents de Solvay, rue du prince Albert 33, B-1050 Bruxelles, Belgique.

- Documents de Solvay France, 12 cours Albert 1er, 75383 Paris Cedex 08.

- Le site Solvay sur le bicarbonate de sodium.

- C. Breton, Carbonate de sodium, Techniques de l'Ingénieur, J 6 195, 2002.

- Informations de Novacarb, usine de Nancy-La Madeleine, BP 20015, 54410 Laneuveville-devant-Nancy.

- Les carbonates et sulfates de sodium, Mémento du BRGM, 1992.

- Molécules, magazine de l'Union des Industries Chimiques, n°20, avril 1989.

 

© Société Chimique de France.