Percée dans le magnésium de haute pureté : élimination des impuretés d'aluminium à l'aide de calamine de four - une solution industrielle à faible coût

Des chercheurs de l'Université Jiaotong de Xi'an ont mis au point une nouvelle stratégie de purification du magnésium qui élimine efficacement et à moindre coût les impuretés d'aluminium dans des conditions industrielles, permettant ainsi la production à grande échelle de magnésium de haute pureté à faible teneur en aluminium. La technologie est déjà déployée sur les lignes de production commerciales.

Le magnésium est un métal stratégique essentiel avec de nombreuses applications dans les transports légers, la réduction de métaux haut de gamme (par exemple, le titane, le zirconium) et les dispositifs biomédicaux. Environ 80 % du magnésium primaire mondial est produit via le procédé silicothermique, qui offre des avantages en termes de coût et d'échelle, mais souffre de niveaux d'impuretés élevés et fluctuants, en particulier l'aluminium. La teneur en aluminium peut varier entre 21 et 845 mg/kg selon les lots de production, soit une variation > 32 fois supérieure à cinq degrés de pureté. Cette instabilité limite l'utilisation du magnésium dans le titane de qualité électronique, le zirconium de qualité nucléaire et les implants médicaux, tout en érodant la rentabilité des producteurs.

En 2023, l’équipe a identifié la cause profonde : lors de la réduction silicothermique, l’aluminium existe principalement sous forme de fluorure d’aluminium gazeux (AlF3), qui se condense avec le magnésium. Après avoir analysé les dépôts de tartre sur les parois du four, ils ont émis l’hypothèse que l’oxyde de calcium (CaO) pourrait éliminer efficacement l’aluminium.

Le premier auteur Zheng Rui (candidat au doctorat à l'Université Xi'an Jiaotong) a confirmé que l'ajout de CaO réduisait les niveaux d'aluminium d'environ 109,5 mg/kg à seulement 6,3 mg/kg, soit une efficacité d'élimination supérieure à 90 %. En travaillant avec le principal producteur de magnésium brut Teda Coal Chemical et en tirant parti de la base pilote provinciale de nouveaux matériaux à base de magnésium du Shaanxi, l’équipe a rapidement validé la méthode au niveau industriel. Après une optimisation itérative, ils ont remplacé le CaO par de la dolomite calcinée (un mélange de CaO et de MgO), un matériau recyclable moins coûteux couramment utilisé dans la fusion du magnésium. La proportion de magnésium répondant à la norme de haute pureté Mg9998 (aluminium ultra faible) est passée de près de 0 % à 83,3 %, transformant un « succès accidentel » en « production stable ».

L'analyse des coûts montre que cette méthode de purification réduit les dépenses d'environ 96 % par rapport à la distillation sous vide traditionnelle, offrant ainsi une voie pratique pour une production à grande échelle et à faible coût de magnésium de haute pureté à faible teneur en aluminium.

« Les gains économiques sont importants, mais ce qui nous passionne davantage, c'est la réaction en chaîne tout au long de la chaîne de valeur », déclare le professeur Shan Zhiwei, auteur correspondant de l'étude publiée dans Nature Materials. "L'aluminium présent dans le magnésium n'est pas toujours métallique : certains existent sous forme de composés comme l'AlF3. Ceux-ci agissent comme des "facteurs de troubles invisibles" qui se répercutent dans les produits en aval."

Par exemple, dans la production d’éponges de titane (critique pour le titane de qualité électronique), le magnésium est utilisé comme agent réducteur. Si le magnésium brut contient de l'aluminium non contrôlé, l'aluminium se transforme en titane et est extrêmement difficile à éliminer, détruisant ainsi le titane de qualité copeaux. Dans les applications biomédicales, la teneur élevée en aluminium des vis à os en magnésium dégradable peut s'accumuler dans le corps humain et augmenter le risque de maladie d'Alzheimer. « La réduction de l'aluminium présente également un énorme avantage pour les dispositifs médicaux », souligne Shan.

Contrairement à une croyance répandue selon laquelle « l'aluminium présent dans le magnésium brut n'a pas d'importance pour les alliages de magnésium contenant de l'aluminium », les dernières expériences non publiées de l'équipe montrent que même des traces d'aluminium (<0,01 % en poids) dégradent considérablement la résistance à la corrosion du magnésium pur. "Nous préparons cette découverte – nous pensons que l'ensemble du domaine des alliages de magnésium en bénéficiera", a déclaré Shan. Au-delà des marges bénéficiaires, la technologie améliore les industries du titane, de l’électronique et du biomédical en aval, ce qui entraînera probablement une révision des normes industrielles.

La clé pour relever ce défi industriel était le bon état d’esprit. L’équipe a remarqué une anomalie déconcertante : le magnésium produit le même jour présentait des niveaux d’aluminium extrêmement fluctuants, même si les matières premières, les opérateurs et les conditions de traitement étaient stables. « Cela n'avait aucun sens logique », se souvient Shan.

Ce « pourquoi » les a conduits vers l’atelier de production. Un vieil adage dit : « Pour le poison le plus mortel, l’antidote se trouve en sept étapes. » Dans le domaine de la recherche, les problèmes industriels les plus frustrants cachent souvent leurs solutions dans les détails de production les plus banals. Les travailleurs luttaient quotidiennement contre la formation d’une couche de tartre dure à l’embouchure des réacteurs de réduction du magnésium – comme du calcaire dans une bouilloire. Ce « tartre gênant » devait être retiré manuellement chaque jour, ce qui consommait du travail et affectait le transfert de chaleur. Lorsque l’équipe a analysé l’échelle, elle a trouvé un composé stable « oxyde de calcium-aluminium-fluoro-oxyde ».

Combiné avec leur connaissance préalable que l'impureté d'aluminium arrive sous la forme d'AlF3, l'idée est venue : si le tartre concentre déjà du calcium, du fluor, de l'aluminium et de l'oxygène, pourraient-ils intentionnellement utiliser de l'oxyde de calcium pour « capturer » l'aluminium d'AlF3, le convertissant en un composé de tartre stable et séparant ainsi l'aluminium du magnésium ? Tout comme l’utilisation d’un aimant pour attirer la limaille de fer, le CaO est devenu le principal « adsorbant de l’aluminium ». Le principe semble simple, mais ce n’est qu’après une décennie d’études mécanistes et d’expérience industrielle que l’équipe a pu découvrir l’indice caché dans l’échelle méprisée du four.

Ce qui les a le plus enthousiasmés était le moment de clarté : le tartre que les travailleurs détestaient et passaient des heures à gratter détenait en réalité le secret essentiel pour résoudre les fluctuations de l'aluminium. Inspirée par cela, l'équipe a étendu l'approche pour contrôler d'autres impuretés dans le magnésium, offrant ainsi un nouveau paradigme pour la purification des métaux.

Le professeur Shan souligne que le résultat le plus impressionnant de cette recherche n'est pas une seule avancée technique, mais la mentalité d'un « antidote en sept étapes » : trouver des réponses dans l'usine et rechercher des solutions à partir du problème lui-même. Cette méthodologie peut guider des défis technologiques industriels similaires.