Production et utilisations de sulfate d’aluminium

Aluminum sulfate

Le sulfate d’aluminium est un composé industriel largement utilisé qui vient juste après l’oxyde d’aluminium en importance. Il a été utilisé pour la première fois à Paris en 1844 en remplacement de l’alun de potassium. Aujourd’hui, le sulfate d’aluminium a repris presque toutes les applications qui étaient à l’origine utilisées pour l’alun de potassium.

Table des matières

1. Propriétés du sulfate d’aluminium

Le sulfate d’aluminium est un solide blanc inodore qui est presque insoluble dans l’alcool anhydre mais facilement soluble dans l’eau. Les solutions aqueuses de sulfate d’aluminium sont acides. La solubilité du sulfate d’aluminium dans l’eau varie en fonction de la température et de la concentration des autres ions en solution.

Les données de la littérature sur la solubilité du sulfate d’aluminium sont incohérentes et il est difficile de faire des déclarations définitives sur la structure du précipité dans l’eau.

Solubilité du sulfate d'aluminium en fonction de la température dans l'eau
T, °C solubilité (g/100 g d'eau)
0 31.3
10 33,5
20 36.15
30 40.36
40 45.73
50 52.13
60 59.10
70 66.23
80 73.14
90 80.83
100 89.1

La forme la plus courante de sulfate d’aluminium est Al2(SO4)3·18H2O, qui se présente naturellement sous forme d’alunogène (sel capillaire). Cette forme de sulfate d’aluminium peut également être cristallisée à partir d’une solution d’acide chlorhydrique sous forme d’aiguilles blanches microscopiques. Cependant, certains chercheurs ont découvert que cette forme de sulfate d’aluminium contient en fait 17 moles d’eau, tandis que d’autres ont découvert qu’elle contient 27 moles d’eau.

En plus de Al2(SO4)3·18H2O, il existe un certain nombre d’autres sulfates d’aluminium bien définis, y compris ceux qui contiennent 16, 10 et 6 mol d’eau. Il existe également un total de 39 sulfates d’aluminium basiques et 3 acides, ainsi que 13 hydrates différents du sel neutre.

L’existence de sulfates d’aluminium avec 14, 13, 12, 9, 7, 4, 2 et 1 mol d’eau peut être conclue à partir des courbes de pression de vapeur et des courbes de déshydratation de Al2(SO4)3–H2O et Al2( Systèmes SO4)3–Al(OH)3–H2O.

Dans la pratique industrielle, la teneur en eau hydratée du sulfate d’aluminium n’est pas importante car le matériau est un solide microcristallin broyé avec une teneur en eau variable. La teneur souhaitée en Al2O3 est ajustée dans certaines limites par chauffage.

À une température supérieure à 340 °C, du sulfate d’aluminium anhydre se forme, une poudre blanche d’une densité de 2,71 g/cm3. Le sulfate d’aluminium anhydre se décompose au-dessus de 770 °C pour former de l’oxyde d’aluminium.

2. Production de sulfate d’aluminium

Le sulfate d’aluminium est produit à grande échelle à partir d’hydroxyde d’aluminium et d’acide sulfurique dans un procédé appelé procédé Giulini en Allemagne et dans la plupart des pays européens. Ce procédé est relativement simple et produit du sulfate d’aluminium d’une grande pureté.

Dans certains pays, le sulfate d’aluminium est encore produit par l’action de l’acide sulfurique sur les minerais contenant de l’aluminium, comme les argiles et la bauxite. Ce processus est plus complexe et produit du sulfate d’aluminium avec une pureté inférieure.

2.1. Processus Giulini

Le procédé Giulini est une méthode de production de sulfate d’aluminium à partir d’hydroxyde d’aluminium et d’acide sulfurique.

Le processus commence par l’ajout d’hydroxyde d’aluminium dans un récipient agité résistant à la pression. De l’acide sulfurique chaud est ensuite ajouté à partir d’un préchauffeur et le mélange est agité. La réaction commence après 60 à 300 secondes et se termine après 10 à 12 minutes.

La chaleur de la réaction fait monter la température à environ 170 °C, tandis que la pression monte à 5–6 bar. Le mélange ne doit pas être agité pendant plus d’une heure, car cela peut entraîner l’hydrolyse du sulfate d’aluminium et la formation de sulfate d’aluminium basique insoluble et de sulfate fortement acide en fusion.

La masse fondue est ensuite dirigée vers un récipient en cuivre où elle est concentrée par évaporation flash. De l’évaporateur, la masse fondue est aspirée dans un réservoir à vide bien isolé, qui est évacué à la pression de vapeur de la masse fondue de sulfate d’aluminium. Ce refroidissement sous vide évite l’incrustation des surfaces de l’échangeur de chaleur.

La masse fondue tombe du récipient sous vide dans un mélangeur, où elle est ensemencée avec 1 à 2% de poudre de sulfate d’aluminium. Le produit semblable à de la pulpe atteint ensuite une « bande de cristallisation », qui est une bande transporteuse en caoutchouc lisse, résistante à la chaleur et en forme d’auge. Le produit cristallise sur le tapis en 30 minutes environ.

En raison de la chaleur élevée de cristallisation, le matériau a une température d’environ 90 °C et ne peut pas être réduit en une taille fine en une seule étape. Il passe sur des bandes transporteuses refroidies à l’air jusqu’à ce qu’il ait refroidi à 40 °C, après quoi il est broyé et tamisé. Le produit fini est ensuite mis dans des sacs en papier ou en jute ou transporté en vrac dans des wagons-silos.

Le sulfate d’aluminium produit par le procédé Giulini a une pureté élevée de 17,2 % d’Al2O3 et ne contient que 0,01 % de matière insoluble. Cela signifie que la digestion de l’hydroxyde d’aluminium est presque complète. Pour le transport en solution, la teneur en Al2O3 est ajustée à environ 8% pour éviter la cristallisation pendant le transport.

2.2. Production à partir de bauxite

La bauxite finement broyée peut également être utilisée comme matière première pour la production de sulfate d’aluminium. Dans ce cas, 3 moles d’acide sulfurique sont ajoutées pour 1 mole d’oxyde d’aluminium dans la bauxite.

La teneur en oxyde de fer de la bauxite n’est pas prise en compte car l’oxyde d’aluminium n’est digéré qu’à 97–98%, ce qui laisse suffisamment d’acide sulfurique disponible pour produire du sulfate d’aluminium contenant 17,5% d’Al2O3.

Le sulfate d’aluminium produit à partir de la bauxite contient environ 0,5 % de Fe2O3 et 2,2 % de résidu insoluble.

2.3. Production à partir de matières premières moins pures

Lorsque les matières premières contenant du silicium subissent une digestion acide, elles donnent une solution de sulfate d’aluminium. La pureté du produit final dépend à la fois de la procédure spécifique et de la nature des matériaux initiaux.

La présence de fer, qui peut perturber le processus, est éliminée par différentes techniques. Celles-ci incluent la précipitation du fer par des réactions avec des substances telles que l’hexacyanoferrate de calcium (II), la formation de bleu de Berlin ou l’utilisation de sulfure de calcium pour créer du sulfure de fer. L’hydrolyse est utilisée pour générer du sulfate de fer basique.

La solution limpide obtenue est soit décantée et commercialisée sous forme liquide, soit concentrée à 61,5 °Bé et solidifiée avant broyage.

Il forme la qualité technique du sulfate d’aluminium et contient environ 0,5 % de Fe2O3 et 0,1 % de matière insoluble. De plus, il existe un matériau de qualité supérieure avec une teneur négligeable en Fe2O3 d’environ 0,005 %.

Le procédé Kretzschmar produit du sulfate d’aluminium très pur et sans fer par la digestion de l’argile avec de l’acide sulfurique. Cette procédure comprend l’extraction d’une partie importante des impuretés et la séparation des cristaux de la solution par agitation.

Avec l’application du vide, la formation de substances colloïdales indésirables est évitée. Le processus aboutit à l’isolement de cristaux purs et substantiels de Al2(SO4)3•18 H2O (15,3 % Al2O3), qui peuvent être facilement séparés de la liqueur mère impure par centrifugation.

Le résidu restant, un sous-produit du processus de digestion (SiO2), est transformé en hydrosilicate de calcium à l’aide de chaux, améliorant la dureté et la plasticité du mortier de chaux.

Pour réduire la liqueur mère de sulfate d’aluminium sursaturée, le Bureau américain des mines a développé un procédé qui utilise de l’éthanol pour y parvenir.

Olin Mathieson Chemical Corp. a mis au point une technique économique pour produire du sulfate d’aluminium de haute qualité en utilisant de l’argile ou des déchets de schiste provenant de mines de charbon. De gros cristaux (mesurant 1,5 à 3 mm) avec une teneur en fer inférieure à 0,03% sont formés à l’aide d’un cristalliseur.

Le sulfate d’aluminium peut être produit à partir de déchets de « boue rouge », un résidu provenant de l’industrie de l’oxyde d’aluminium. La boue rouge est mise en suspension dans de l’eau et du dioxyde de soufre est passé à travers la suspension jusqu’à ce qu’un niveau de pH de 2 soit atteint.

Un précipité contenant Al(OH)SO3 et SiO2•n H2O se forme après filtration et élimination du dioxyde de soufre sous vide. Il est ensuite filtré et traité avec de l’acide sulfurique pour dissoudre le sulfate d’aluminium.

3. Utilisations du sulfate d’aluminium

Environ les deux tiers de la production totale de sulfate d’aluminium sont utilisés pour le traitement de l’eau, et environ la moitié de la production totale est utilisée dans l’industrie du papier.

3.1. Industrie du papier

Dans l’industrie du papier, le sulfate d’aluminium est utilisé à diverses fins, notamment :

  • Agents d’encollage précipitants et fixateurs, agents de résistance à l’état humide et colorants basiques
  • Améliorer la rétention
  • Dispersion de particules de résine qui collent ensemble et bloquent les tamis
  • Réalisation d’une barbotine de haute qualité pour le couchage de papier glacé (blanc satiné)
  • Production de teintures lacustres et de papiers peints

Le sulfate d’aluminium contenant plus de 0,2 % de Fe2O3 donne au papier une teinte jaune et ne peut pas être utilisé pour du papier blanc de bonne qualité.

3.2. Purification de l’eau

Dans la purification de l’eau, le sulfate d’aluminium est un agent floculant important. La floculation est le processus consistant à faire s’agglutiner de petites particules afin qu’elles puissent être plus facilement éliminées de l’eau.

Le sulfate d’aluminium agit en neutralisant la charge négative sur le matériau colloïdal dans l’eau, ce qui permet aux particules de s’agglutiner.

La réaction qui se produit lorsque le sulfate d’aluminium est ajouté à l’eau est la suivante :

Al2(SO4)3 + 6 HCO3 → 2 Al(OH)3 + 6 CO2 + 3 SO42-

Dans cette réaction, les ions aluminium du sulfate d’aluminium réagissent avec les ions bicarbonate de l’eau pour former de l’hydroxyde d’aluminium, du dioxyde de carbone et des ions sulfate. L’hydroxyde d’aluminium flocule alors avec le matériau colloïdal dans l’eau, l’amenant à s’agglutiner et à se déposer.

Généralement, 5 à 50 g de sulfate d’aluminium suffisent pour purifier 1 m3 d’eau. Un avantage de l’utilisation du sulfate d’aluminium est qu’il ne nécessite pas de post-floculation, à condition que la quantité correcte soit ajoutée.

Les inconvénients de l’utilisation du sulfate d’aluminium comprennent la formation de dioxyde de carbone libre, l’augmentation de la dureté non carbonatée, comme le sulfate de calcium, et le pH restant entre 5 et 7.

3.3. Autres utilisations

Le sulfate d’aluminium peut également être utilisé à diverses autres fins, notamment :

  • Comme mordant dans la teinture
  • Pour le marinage des graines
  • Désodorisation des huiles minérales
  • Méchant
  • Production de gel d’hydroxyde d’aluminium
  • En tant que support de catalyseur
  • Comme matériau de départ pour presque tous les autres composés d’aluminium

Le sulfate d’aluminium est classé comme non toxique; un valeur LD50 de 6207 mg/kg (souris, orale) est signalé.

Référence

FAQ

Le sulfate d’aluminium est un solide cristallin blanc, inodore. C’est un composé chimique de formule Al2(SO4)3. Il est soluble dans l’eau et forme une solution claire. Le sulfate d’aluminium est un produit chimique industriel courant et est utilisé à diverses fins.

La masse molaire du sulfate d’aluminium est de 342,15 g/mol. Cela signifie qu’une mole de sulfate d’aluminium a une masse de 342,15 grammes.

Le sulfate d’aluminium a une large gamme d’applications. Il est utilisé dans le traitement de l’eau comme agent floculant pour purifier l’eau en provoquant l’agglutination et la sédimentation des particules. Dans l’industrie du papier, il est utilisé pour le dimensionnement, l’ajustement du pH et la purification des eaux usées. De plus, il trouve une utilisation comme mordant dans la teinture, pour le décapage des graines et dans divers procédés chimiques.

Le sulfate d’aluminium est produit en faisant réagir de l’hydroxyde d’aluminium avec de l’acide sulfurique ou en traitant des minerais contenant de l’aluminium avec de l’acide sulfurique. Il peut également être obtenu à partir de matières premières moins pures comme la bauxite. Le processus spécifique peut varier, mais il implique généralement une digestion acide, une précipitation et une séparation.

Le pH des solutions de sulfate d’aluminium varie généralement d’environ 2 à 3. Cela le rend acide, c’est pourquoi il est souvent utilisé pour l’ajustement du pH dans diverses applications.

Le sulfate d’aluminium n’est pas considéré comme nocif pour l’homme à petites doses. Cependant, il peut être nocif s’il est ingéré à fortes doses. Les symptômes d’empoisonnement au sulfate d’aluminium comprennent des nausées, des vomissements, de la diarrhée et des douleurs abdominales. Dans les cas graves, l’empoisonnement au sulfate d’aluminium peut entraîner la mort.

Le sulfate d’aluminium est couramment utilisé dans la purification de l’eau comme agent de floculation. Lorsqu’ils sont ajoutés à l’eau, les ions aluminium chargés positivement interagissent avec les particules chargées négativement et les colloïdes dans l’eau, les faisant s’agglutiner (floculer). Ces amas plus gros se déposent sous forme de boues, ce qui permet de séparer une eau plus claire. Ce processus est essentiel pour éliminer les impuretés et les particules de l’eau, la rendant plus sûre pour la consommation et les diverses utilisations.