Le sulfure de zinc (ZnS) est un composé inorganique d'un intérêt considérable en raison de ses propriétés thermiques remarquables, qui lui ouvrent la voie à une multitude d'applications, allant des revêtements optiques à l'électronique. L'exploitation du zinc, sous ses diverses formes, remonte à des millénaires. Des artefacts en laiton, un alliage de zinc et de cuivre, ont été découverts et datés du 3ème millénaire avant notre ère, témoignant de l'ancienneté de son utilisation. Les émissions atmosphériques naturelles de zinc, issues de phénomènes tels que le volcanisme et l'érosion des roches, sont estimées à environ 5,9 millions de tonnes par an. Dans la nature, le zinc est rarement trouvé à l'état pur ; il est le plus souvent associé à d'autres éléments tels que le plomb (Pb), le cadmium (Cd), le fer (Fe), le cuivre (Cu), le bismuth (Bi), l'antimoine (Sb), l'arsenic (As), le germanium (Ge), l'indium (In), l'argent (Ag) et l'or (Au).
Le minerai de zinc le plus abondant est la blende, également connue sous le nom de sphalérite, dont la formule chimique est ZnS. D'autres minerais de zinc incluent la smithsonite (ZnCO3) et l'hémimorphite ou calamine (Zn4Si2O7(OH)2,H2O). La teneur en zinc des minerais bruts varie généralement entre 4 % et 20 %. L'extraction minière du zinc se répartit en trois catégories principales : les exploitations souterraines, qui représentent 80 % des sites et fournissent 64 % de la production mondiale ; les exploitations à ciel ouvert, qui constituent 8 % des sites pour 15 % de la production ; et enfin, les exploitations combinant les deux méthodes, qui représentent 12 % des sites et contribuent à 21 % de la production.
La plus grande mine de zinc au monde, un titre qu'elle a détenu jusqu'en 2008 et qu'elle a retrouvé depuis 2015, est celle de Red Dog, située en Alaska. Cette mine à ciel ouvert, exploitée par Teck, a débuté ses opérations en 1990, suite à la découverte du gisement en 1968. Fin 2024, les réserves prouvées et probables de Red Dog s'élevaient à 29,1 millions de tonnes de minerai, contenant 11,5 % de zinc, 3,3 % de plomb et 61,8 grammes par tonne d'argent. En 2021, la production de cette mine a atteint 555 600 tonnes de zinc, 109 100 tonnes de plomb et 358 tonnes d'argent. Environ 30 % des concentrés de zinc produits sont traités dans la raffinerie de Teck à Trail, en Colombie-Britannique, Canada. L'épuisement progressif du gisement principal de Red Dog ("Main") est compensé par l'exploitation de gisements adjacents, tels que "Aqqaluk", également une mine à ciel ouvert.
Entre 2008 et 2014, la mine de Rampura Agucha, située dans le Rajasthan en Inde et exploitée par Hindustan Zinc (détenue à 64,9 % par Vedanta et 29,5 % par l'État indien), a été la plus importante mine de zinc au monde. Sa production pour l'exercice 2024-2025 s'est élevée à 515 000 tonnes de zinc et 52 000 tonnes de plomb. Les réserves prouvées et probables de Rampura Agucha sont estimées à 46,8 millions de tonnes de minerai, renfermant 10,7 % de zinc, 1,1 % de plomb et 37 grammes par tonne d'argent.
La mine d'Antamina, au Pérou, est une coentreprise détenue par Glencore (33,75 %), BHP-Billiton (33,75 %), Teck (22,5 %) et Mitsubishi (10 %). Située dans la cordillère des Andes, entre 4 200 et 4 700 mètres d'altitude, dans la province de Huari, cette mine à ciel ouvert extrait son minerai qui est ensuite concentré. Le concentré est ensuite mélangé à de l'eau et transporté via un pipeline de 302 km jusqu'au port de Punta Lobitos, près de Huarmey, pour être exporté. Ce pipeline, d'un diamètre de 21 à 25 cm, est enfoui à 1 mètre de profondeur et le transport prend environ 50 heures, avec une capacité annuelle de 2,5 millions de tonnes. Fin 2024, les réserves prouvées et probables d'Antamina s'élevaient à 551 millions de tonnes, contenant 0,68 % de zinc, 0,92 % de cuivre, 0,02 % de molybdène et 12 grammes par tonne d'argent, ainsi que du plomb et du bismuth. En 2023, la production a été de 267 900 tonnes de zinc, 426 900 tonnes de cuivre et 360,6 tonnes d'argent, tandis qu'en 2021, 7 407 tonnes de plomb et 2 234 tonnes de molybdène ont été produites.
Les mines de Mount Isa, regroupées avec celles de Lady Loretta et George Fisher, dans le Queensland en Australie, également exploitées par Glencore, ont produit en 2024 un total de 288 700 tonnes de zinc, 92 200 tonnes de plomb et 115,4 tonnes d'argent. Ce complexe minier produit également du cuivre, avec 67 400 tonnes. La mine de Peñasquito au Mexique, exploitée par le groupe Newmont, a été acquise début 2019 auprès de Goldcorp. Bien qu'étant une mine d'or, elle a produit en 2024, 9,3 tonnes d'or, 1 026 tonnes d'argent, 258 000 tonnes de zinc et 96 200 tonnes de plomb.
En février 2019, la mine de Gamsberg en Afrique du Sud, développée par le groupe indien Vedanta, a été inaugurée. Sa production devrait atteindre 250 000 tonnes de zinc par an. Pour la période 2024-2025, la production a été de 133 000 tonnes de zinc et 86 tonnes de plomb. La mine à ciel ouvert de San Cristóbal en Bolivie, exploitée par le groupe japonais Sumitomo Corporation, a vu sa participation vendue en 2023 à une société canadienne. En 2024, la production de concentrés de zinc-argent s'est élevée à 338 000 tonnes et celle de concentrés de plomb-argent à 103 000 tonnes.
En novembre 2017, la mine de Dugald River dans le Queensland en Australie, exploitée par MMG (filiale du groupe chinois China Minmetals), est entrée en production. En 2024, sa production a atteint 163 588 tonnes de zinc, 20 781 tonnes de plomb et 57,6 tonnes d'argent. Les mines de Cerro Lindo au Pérou et Vazante au Brésil sont exploitées par Nexa Resources, une filiale du groupe brésilien Votorantim. En 2024, la production de Cerro Lindo a été de 86 207 tonnes de zinc, 29 888 tonnes de cuivre, 13 891 tonnes de plomb, 132,7 tonnes d'argent et 153 kg d'or. Les réserves prouvées et probables de Cerro Lindo sont de 39 millions de tonnes, contenant 1,38 % de zinc, 0,52 % de cuivre, 0,20 % de plomb et 21,4 grammes par tonne d'argent.
La plus importante mine européenne est celle de Tara en Irlande, exploitée par Boliden. En 2023, elle a produit 53 000 tonnes de zinc, 7 000 tonnes de plomb et 0,998 tonne d'argent. Les réserves prouvées et probables de Tara sont de 14 millions de tonnes de minerai, contenant 5,5 % de zinc et 1,5 % de plomb. La mine souterraine de Neves Corvo, dans la province de l'Alentejo au Portugal, était exploitée par Lundin Mining. En 2024, sa production s'est élevée à 109 571 tonnes de zinc, 28 228 tonnes de cuivre, 6 395 tonnes de plomb et 58,4 tonnes d'argent. Les réserves prouvées et probables de Neves Corvo sont de 20,1 millions de tonnes pour la zone riche en cuivre (contenant 2,01 % de Cu, 0,61 % de Zn, 0,22 % de Pb et 31,6 g/t de Ag) et de 18,7 millions de tonnes pour la zone riche en zinc (contenant 0,3 % de Cu, 7,66 % de Zn, 1,86 % de Pb et 62,2 g/t de Ag).
Le groupe Votorantim, via sa filiale Nexa Resources, exploite également la mine de Vazante au Brésil. En 2024, la production de Vazante a été de 169 592 tonnes de zinc, 10 171 tonnes de plomb et 61,9 tonnes d'argent. Les réserves prouvées et probables sont de 24 millions de tonnes, avec une teneur de 15,4 % de zinc, 1,2 % de plomb et 34,9 g/t d'argent.
En France, l'usine Nyrstar d'Auby (Nord) utilise le procédé Vieille Montagne - Lurgi pour le grillage de ses concentrés de zinc. Ce procédé, le plus répandu dans le monde, est également employé pour la récupération de l'acide sulfurique.
Après l'extraction du minerai, une première étape de traitement physique vise à éliminer une grande partie de la gangue, c'est-à-dire les matériaux inutiles. Pour les minerais sulfurés, cette étape implique généralement une opération de flottation. Avant de pouvoir séparer les différents composants du minerai, il est nécessaire de "libérer" les particules valorisables par un broyage fin. Ce broyage doit être d'autant plus poussé que les sulfures métalliques à récupérer sont disséminés dans le minerai sous forme de fines particules.
La flottation est réalisée dans des cuves où le minerai broyé est mis en suspension dans l'eau. Divers réactifs peuvent être ajoutés pour ajuster le pH, modifier les propriétés de surface des particules (à l'aide de collecteurs) et former des mousses stables. D'autres additifs peuvent moduler l'action des collecteurs : les déprimants augmentent le mouillage des particules indésirables, tandis que les activateurs annulent les effets des déprimants. Une arrivée d'air permet de former des bulles qui entraînent les éléments valorisables à la surface, formant une écume qui est ensuite collectée. Après flottation, les concentrés contiennent généralement entre 40 % et 60 % de zinc, sous forme de sulfure de zinc (ZnS), avec une moyenne d'environ 53 %. La concentration est généralement effectuée dans des installations proches des sites d'extraction, et les concentrés sont ensuite transportés, souvent par voie maritime, vers les installations de traitement métallurgique.
Le grillage est une étape cruciale qui transforme le sulfure de zinc (ZnS) en oxyde de zinc (ZnO), plus facile à traiter par la suite. Durant ce processus, le dioxyde de soufre (SO2) est produit, représentant une teneur de 6 à 7 % dans le gaz évacué du grillage. Ce SO2 est récupéré et transformé en acide sulfurique (H2SO4), permettant aux producteurs de zinc, tout comme ceux de plomb, de devenir également des producteurs d'acide sulfurique. Il est possible de produire jusqu'à 2 tonnes d'acide sulfurique par tonne de zinc traitée.
Deux procédés principaux de grillage coexistent, dépendant de la méthode de réduction ultérieure :
Grillage en lit fluidisé : Utilisé lorsque la réduction est effectuée par hydrométallurgie. Ce procédé opère à des températures plus basses (900-950°C) pour préserver la finesse initiale du concentré et éviter la formation de ferrites insolubles, qui compliqueraient l'attaque acide. Les particules à griller sont mises en suspension dans de l'air insufflé à travers la sole du four. Le débit d'air est d'environ 10 m³/min/m² de sole. La teneur résiduelle en soufre, principalement sous forme de sulfate, est de 1,5 à 2 %. Le procédé Vieille Montagne - Lurgi, le plus répandu dans le monde, utilise cette technique, comme à l'usine Nyrstar d'Auby en France.
Grillage sur machines Dwight et Lloyd : Utilisé pour la pyrométallurgie, particulièrement pour les concentrés riches en plomb. La calcine produite doit être suffisamment résistante mécaniquement pour supporter la charge du four et rester poreuse pour permettre la réduction par le monoxyde de carbone. Le grillage est effectué à haute température (1000°C et plus) pour agglomérer la calcine par frittage. Les machines Dwight et Lloyd consistent en une bande sans fin de chariots mobiles munis de grilles, sur lesquels l'air est soufflé. Ce type de grillage est également utilisé pour les concentrés de plomb.
L'hydrométallurgie est la voie privilégiée pour le traitement des minerais de zinc modernes, en particulier ceux qui sont riches en fer.
Lixiviation : La calcine (oxyde de zinc) est attaquée par une solution diluée d'acide sulfurique (180 à 190 g/L) à une température de 55 à 65°C. La chaleur nécessaire est souvent apportée par la dissolution des oxydes. La plupart des oxydes métalliques présents dans la calcine passent en solution, à l'exception de l'oxyde de plomb qui forme du sulfate de plomb, peu soluble. La dissolution permet de récupérer 75 à 90 % du zinc en solution sous forme d'ions Zn²⁺. Le zinc restant insoluble est généralement celui qui a formé des ferrites avec l'oxyde ferrique durant le grillage. La solution de lixiviation, qui contient également 30 à 50 g/L d'ions Zn²⁺ non récupérés lors de l'électrolyse précédente, est recyclée en amont des opérations hydrométallurgiques.
Élimination des ions ferriques : C'est l'étape la plus délicate de l'hydrométallurgie du zinc, surtout pour les minerais riches en fer. Lors de la "lixiviation neutre", le milieu est rendu oxydant par injection d'air ou de dioxygène, ou par ajout de dioxyde de manganèse ou de permanganate de potassium, afin d'oxyder les ions Fe²⁺ en ions Fe³⁺. Le pH de la solution est progressivement augmenté par ajout de calcine, atteignant environ 5 dans la dernière cuve, ce qui provoque la précipitation de l'hydroxyde ferrique (Fe(OH)₃). Cependant, l'hydroxyde ferrique est difficile à filtrer industriellement. Pour pallier ce problème, plusieurs procédés sont utilisés :
Purification de la solution : Après lixiviation, la solution contient encore, outre Zn²⁺, des ions tels que Cu²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, Co²⁺ et Mn²⁺. L'ajout de zinc permet d'éviter l'introduction d'ions étrangers. Les ions Cu²⁺ et Cd²⁺ sont facilement réduits et se déposent sur des particules de zinc d'environ 30 micromètres de diamètre. La réduction des ions Ni²⁺ et Co²⁺ est plus difficile et nécessite l'ajout d'activateurs et une température plus élevée (75 à 95°C). La quantité de zinc utilisée pour cette purification dépend de…
La solution purifiée est ensuite soumise à une électrolyse. Le zinc est déposé sur des cathodes en aluminium, formant des plaques de zinc métal. La solution d'électrolyte, appauvrie en zinc mais enrichie en acide sulfurique, est recyclée pour la lixiviation.
Le sulfure de zinc (ZnS) présente des propriétés thermiques qui le rendent particulièrement intéressant pour diverses applications.
Conductivité Thermique : La conductivité thermique du ZnS est modérée comparée à celle des métaux. À température ambiante, pour du ZnS de sphalérite de haute pureté, elle se situe autour de 25 à 30 W/(m·K). Cette valeur peut diminuer en présence d'impuretés ou de défauts dans la structure cristalline. La forme wurtzite du ZnS présente un comportement similaire, sa conductivité thermique étant également affectée par l'intégrité structurelle, bien que les propriétés de transport thermique puissent différer légèrement de celles de la sphalérite. La capacité du ZnS à dissiper la chaleur est cruciale dans les applications de revêtements optiques, où la chaleur générée par des sources lumineuses de haute intensité doit être efficacement évacuée.
Capacité Thermique Spécifique : Cette propriété, qui mesure la quantité d'énergie thermique nécessaire pour élever la température d'une masse unitaire d'une substance d'un degré Celsius, est importante lorsque le ZnS est soumis à des variations de température importantes. Dans les plastiques haute performance contenant du ZnS, elle affecte la capacité du matériau composite à absorber et libérer la chaleur lors des fluctuations de température, sans subir d'expansion ou de contraction excessive. Elle est également pertinente dans les systèmes de gestion thermique.
Expansion Thermique : Le sulfure de zinc possède un coefficient d'expansion thermique (CTE) relativement faible. Cet avantage est particulièrement apprécié dans les applications optiques, où un faible CTE garantit que les lentilles et fenêtres en ZnS maintiennent leur forme et leurs propriétés de réfraction sur une large plage de températures. Dans les applications électroniques, où le ZnS peut servir de substrat ou de matériau d'encapsulation, un faible CTE réduit la contrainte thermique entre les différents composants, prévenant ainsi les fissures ou le délaminage qui peuvent survenir lorsque des matériaux aux CTE différents sont soumis à des cycles thermiques.
Stabilité Thermique : Le sulfure de zinc fait preuve d'une bonne stabilité thermique jusqu'à des températures relativement élevées. Il commence à se décomposer aux alentours de 1180 à 1200°C dans des conditions atmosphériques normales. Dans le domaine de la céramique, le ZnS peut être utilisé comme additif pour améliorer la stabilité thermique des matériaux céramiques. En métallurgie, il peut agir comme fondant dans certaines opérations de fusion à haute température.
La synthèse de nanofils de sulfure de zinc peut être réalisée grâce au procédé de croissance VLS (Vapor-Liquid-Solid). Dans ce processus, des catalyseurs métalliques, généralement de l'or, jouent un rôle essentiel.
La précision est fondamentale pour une synthèse VLS réussie. Des solutions de chauffage haute performance, soutenues par une recherche et développement experte, sont nécessaires pour contrôler le diamètre et maximiser la longueur des nanofils, assurant ainsi que les catalyseurs métalliques fonctionnent comme prévu. KINTEK fournit des équipements adaptés à ces exigences.
L'industrie du zinc est dominée par plusieurs grandes entreprises minières et métallurgiques à travers le monde. Parmi elles, on trouve :
Ces entreprises jouent un rôle crucial dans la chaîne d'approvisionnement mondiale du zinc, de l'extraction du minerai au traitement métallurgique, en passant par la production de sous-produits tels que l'acide sulfurique.
Fin 2024, les réserves prouvées et probables de zinc à l'échelle mondiale étaient estimées à environ 240 millions de tonnes de zinc contenu. La production minière mondiale de zinc contenu était projetée à 13 millions de tonnes pour l'année 2025. Ces chiffres soulignent l'importance stratégique du zinc dans l'économie mondiale et la nécessité de pratiques d'exploitation minière durables et efficaces.
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