Le carbone fait partie des éléments chimiques qui possèdent le numéro atomique 6 ; « C » est son symbole. Il y a du carbone dans du gaz carbonique, dans les combustibles comme le gaz, les charbons minéraux, le pétrole et les roches calcaires. Le carbone est un constituant essentiel à la matière vivante (photosynthèse). Le carbone est un élément essentiel dans le secteur industriel, utilisé sous diverses formes pour ses propriétés uniques.
Industrie : utilisation du coke de carbone.
Le coke est un résidu fissuré et poreux qui est constitué de matières minérales calcinées et du carbone technique. Cette matière est obtenue par le chauffage de charbon à très haute température (1 100 °C) jusqu’à sa décomposition. Cette procédure peut atteindre une vingtaine d’heures dans un four où il n’y a pas d’oxygène pour faire disparaître les matières volatiles.
Le charbon qui est mélangé avec le fioul est cokéfié dans un four. Le charbon à coke, également appelé bitumineux, se ramolli quand il atteint les 350 à 400 °C ; il se solidifie quand il atteint les 500 °C.
En tant que combustible ayant des propriétés calorifiques élevé, ce charbon à carbone industriel est utilisé dans la sidérurgie. Contrairement à la houille ou au bois, le coke permet aux utilisateurs d’atteindre des températures particulièrement élevées. Elle est utilisée pour la réduction du minéral de fer afin de produire de la fonte et finalement de l’acier. Il est utilisé pour le chauffage domestique ou dans les forges. Pendant le processus de fabrication de la coke, les industries peuvent en tirer des sous-produits comme du goudron de houille, du gaz, du sulfate d’ammonium ou du benzène.
Le coke de carbone est un matériau solide, fissuré et poreux, principalement constitué de carbone technique et de matières minérales calcinées. Il est obtenu par la cokéfaction du charbon, un procédé industriel qui consiste à chauffer du charbon à très haute température, avoisinant les 1 100 °C, en l'absence d'oxygène. Ce traitement thermique, qui dure en moyenne une vingtaine d'heures, permet d'éliminer les matières volatiles contenues dans le charbon et de transformer ce dernier en un matériau plus pur et plus résistant : le coke.
Le processus de cokéfaction débute par le mélange du charbon avec du fioul, puis son passage dans des fours spécialement conçus. On utilise généralement du charbon bitumineux, également appelé charbon à coke, en raison de sa capacité à se ramollir lorsqu’il atteint une température comprise entre 350 et 400 °C. À mesure que la température continue d’augmenter, ce charbon commence à se solidifier aux alentours de 500 °C, donnant ainsi naissance au coke.
Grâce à ses propriétés calorifiques élevées, le coke est un combustible largement utilisé dans l’industrie sidérurgique. Il joue un rôle fondamental dans la production de fonte et d'acier, car il permet d’atteindre des températures extrêmement élevées, bien supérieures à celles obtenues avec des combustibles traditionnels comme la houille ou le bois. Il est utilisé comme agent réducteur dans les hauts-fourneaux, où il participe activement à la transformation du minerai de fer en fonte, un processus essentiel à la fabrication de l'acier.
En dehors de son usage en sidérurgie, le coke de carbone est également employé dans diverses industries et applications, notamment pour le chauffage domestique, les fonderies, et les forges où une chaleur intense est nécessaire pour travailler le métal.
Outre la production de coke, le procédé de cokéfaction génère plusieurs sous-produits d’intérêt industriel. Parmi eux, on retrouve le goudron de houille, un liquide visqueux utilisé dans la fabrication de revêtements et d’isolants, le gaz de cokerie, qui peut être exploité comme source d’énergie, le sulfate d’ammonium, employé comme engrais dans l’agriculture, et le benzène, un composé chimique essentiel dans la production de divers dérivés pétrochimiques.
Comment utiliser le graphite de carbone dans l’industrie ?
Combustible fossile naturel, le graphite est présenté sous forme de cristallin hexagonal. Il est de couleur gris-noir ou noire avec un éclat métallique, c'est un minéral de carbone flexible et tendre, la pierre se met en fusion en atteignant le 3500 °C. Il existe des variétés de graphite à savoir : le graphite de veine, le graphite en paillettes et le graphite amorphe. Cette substance riche en carbone technique est résistante face à certains produits chimiques. Il conduit parfaitement l'électricité et la chaleur. Il possède un faible coefficient de friction et thermique. Il existe également le graphite synthétique qui résulte de la cuisson à haute température (entre 2600 et 3000 °C) de coke mélangée à du pétrole et du bitume.
Le graphite est réputé par sa résistance à la chaleur, par sa neutralité chimique et son faible coefficient d’absorption des électrons et des rayons X. Les piles alcalines et les crayons à mine sont fabriqués avec cette matière. Dans l’industrie métallurgique, le graphite est utilisé pour la fabrication de l’acier. L’industrie automobile l’utilise également pour les embrayages, les freins, les génératrices électriques, les pièces pour moteurs et les joints étanches mécaniques. L’industrie de la peinture se sert également de cette matière. Il est également utilisé pour fabriquer des lubrifiants industriels, des composants de caoutchouc et de polymère, de poudres métalliques, de matériaux ignifuges, et également dans le domaine de la technologie de pointe.
Le noir de carbone : utilisation à titre industriel
Le noir de carbone est fabriqué par la combustion incomplète de résidus du pétrole lourd. Le gaz naturel est brûlé dans un four en présence d’un excès d’air à 1400 à 2000 °C. Il est utilisé pour aider à renforcer les produits de caoutchouc. Un carbone industriel est également utilisé comme pigment noir dans les encres de lithographie, d’imprimerie, de typographie. Il se trouve aussi dans le ruban des machines à écrire, dans les peintures, dans le papier carbone, dans les vernis, dans les revêtements et enduits, dans les plastiques, dans les laques, dans de la céramique, dans les fibres, dans les émaux, dans les disques d’enregistrement, etc. Il est surtout utilisé pour fabriquer des matériaux isolants qui résistent à des températures très hautes.
Industrie du caoutchouc et des pneumatiques
Le noir de carbone est principalement utilisé comme agent de renforcement dans les produits en caoutchouc, en particulier les pneus. Il améliore la durabilité, la résistance à l'usure et les performances des pneumatiques. Environ 90% du noir de carbone produit est utilisé dans l'industrie du caoutchouc, dont 65% pour les pneus et les chambres à air.
Autres applications industrielles
- Plastiques et polymères : Le noir de carbone est utilisé comme pigment et agent de renforcement dans les thermoplastiques et les plastiques thermodurcissables2. Il améliore la résistance aux UV, la conductivité électrique et l'opacité des matériaux plastiques.
- Peintures et encres : Il sert de pigment noir dans les encres d'imprimerie, les peintures et les revêtements, offrant brillance, profondeur et durabilité des couleurs.
- Électronique : Le noir de carbone pur est utilisé dans les batteries et les supercondensateurs pour améliorer la conductivité et le stockage d'énergie2. Il est également employé dans la fabrication de composants antistatiques et de surfaces de protection.
- Autres utilisations : On le trouve dans la production de fibres, céramiques, émaux, papiers, et même comme colorant alimentaire (E152).
Propriétés clés
Le noir de carbone est apprécié pour ses propriétés de renforcement, sa capacité à améliorer la conductivité électrique, sa résistance aux UV et son pouvoir colorant. Ces caractéristiques en font un matériau essentiel dans de nombreux processus industriels, contribuant à l'amélioration des performances et de la durabilité des produits finaux.
Autres utilisations du carbone dans l'industrie
Matériaux et production
- Sidérurgie et métallurgie : Le coke, dérivé du carbone, joue un rôle crucial dans l'obtention de l'acier. Le charbon naturel alimente les hauts fourneaux et les fours, servant de source d'énergie et d'agent réducteur.
- Matériaux composites : La fibre de carbone révolutionne l'industrie en renforçant les matériaux composites, prisée pour sa légèreté et sa robustesse dans l'aéronautique et l'automobile.
- Construction : Le carbone technique est utilisé pour alléger et renforcer les fondations des bâtiments.
Outils et équipements industriels
- Outillage : Le diamant, riche en carbone, est exploité pour sa dureté dans la fabrication d'outils industriels.
- Récipients et pièces mécaniques : Le graphite sert à produire des récipients résistants à la chaleur et aux réactions chimiques, ainsi que des pièces de frottement et des joints d'étanchéité.
- Batteries et conducteurs : La conductivité du carbone est mise à profit dans la fabrication de plaques conductrices pour batteries et comme substitut à certains métaux.
Procédés industriels
- Industrie agro-alimentaire : Le CO2 est utilisé pour gazéifier les boissons et préserver les aliments. Le noir de carbone sert de colorant alimentaire.
- Traitement de l'eau : Le CO2 est employé dans les stations de production d'eau potable pour maintenir l'équilibre calco-carbonique et neutraliser les effluents.
- Lubrifiants et solvants : Le graphite, après transformation, est utilisé comme lubrifiant et solvant dans divers procédés industriels.
Énergie et environnement
- Énergies renouvelables : La légèreté du carbone permet la construction de grandes pales d'éoliennes à haute performance.
- Décarbonation : L'industrie explore des alternatives comme le bio-méthane, la biomasse soutenable, et la valorisation énergétique des déchets pour réduire sa dépendance aux combustibles fossiles.
Le carbone, sous ses multiples formes, demeure un élément incontournable dans l'industrie, contribuant à l'innovation et à l'efficacité des processus de production tout en jouant un rôle clé dans les efforts de décarbonation du secteur.