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Des cendres volantes pour améliorer les matériaux

La rédaction

Encore mal connues, les cénosphères ne sont pourtant pas des substances d'invention récente : il y a 65 millions d'années, l'astéroïde qui a provoqué la disparition des dinosaures en a laissé dans les couches sédimentaires. Ces particules qui sont aussi un sous-produit des centrales à charbon sont aujourd'hui candidates à l'amélioration de nombreux matériaux.

On aurait tort de sous-estimer le potentiel des sous-produits. Ainsi les cénosphères, un sous-produit annexe de la combustion des centrales à charbon, sont-elles aujourd'hui étudiées par plusieurs laboratoires dans le monde. Ces sphères creuses - c'est le sens littéral des mots grecs kenos et sphaera - pourraient en effet, additionnées à divers matériaux, en améliorer considérablement les propriétés. Les cénosphères mesurent entre 10 et 600 micromètres. Leurs propriétés dépendent de la consistance du charbon et du procédé de combustion utilisé. Ces microsphères creuses de silicate d'aluminium, matière similaire à un verre, sont remplies d'un mélange d'azote, d'oxygène et de dioxyde de carbone. Elles constituent les particules les plus légères contenues dans des cendres volantes à hauteur de 1 à 3 %. Les cavités de certaines cénosphères contiennent des minéraux ou des matières poreuses. On parle alors de plerosphères, du grec pleres (remplies). Plusieurs opérateurs de centrales, prenant conscience du fait que certaines cénosphères sont valorisables, modifient les réglages de leurs paramètres de combustion pour obtenir les qualités désirées.

La récupération des cénosphères est un acte écologique. Plus de 50 000 usines dans le monde produisent chaque année plus de 1 milliard de tonnes de cendres volantes. Dans la nature, emportées par le vent sur de longues distances, les cénosphères représentent une menace pour la santé des animaux et des hommes. Leur valorisation permet d'atténuer le coût de cette collecte.

Difficile à évaluer, le marché des cénosphères est en tout cas en progression. Bon indicateur, le prix d'une tonne de ce produit a ainsi été multiplié par deux au cours des deux dernières années. Les pays producteurs sont ceux qui ont le plus de centrales thermiques fonctionnant au charbon, notamment les États-Unis, la Russie, la Chine et l'Inde...

 

1. PRODUCTION ET DISTRIBUTION : Plus de 60 types de microsphères collectés et le triés

 

Le principal mode de récupération des cénosphères est une méthode humide. En raison de leur faible densité et de leur nature creuse, les cénosphères flottent. Elles sont alors collectées à la surface de bassins de décantation, soit par aspiration, soit de manière mécanique, puis séchées (Fig. 1). Des systèmes triboélectriques (Fig. 2) ou centrifuges (Fig. 3), suivant les quantités à traiter, permettent ensuite de les séparer des particules plus lourdes contenant du carbone et du fer.

Les producteurs, tel Cenospheres LCC, trient les cénosphères principalement en fonction de leur taille, mais aussi en fonction de leur point de fusion, de leur contenu en alumine ou encore de leur densité, entre autres. Ainsi, plus de 60 types de microsphères ont été identifiés par le Laboratoire de transformations catalytiques de petites molécules de l'Institut de chimie et de technologie chimique de l'Académie des sciences de Russie à Krasnoyarsk, dans le but de remplacer les matériaux à base de cristaux de verre synthétiques.

Le nombre de distributeurs européens est relativement faible. Parmi eux, on peut citer les britanniques Trelleborg Fillite Ltd., Thermakote Ltd., Thermilate Technologies Ltd., Advanced Minerals et Delamin, le suédois Minelco Group (présent en France), ainsi que Plomp Mineral Services BV aux Pays-Bas. Il y a également des sources d'approvisionnement directes en Russie et en Ukraine, dont certaines sont bien avancées autour d'applications spécifiques. Par exemple, le russe Uralait Ltd détient 35 brevets protégeant des applications de cénosphères, notamment pour les systèmes de stockage et de transport de l'hydrogène. Les compagnies internationales telles les américaines Cenospheres LLC et Cenofil Industry Ltd ou l'indienne Khetan Group sont également présentes en Europe. Une liste exhaustive des producteurs et des distributeurs de cénosphères reste toutefois difficile à établir.

 

2. CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES DES CÉNOSPHÈRES : Des propriétés physiques stables

 

Les cénosphères ont des propriétés variables en fonction des usines d'où elles proviennent (Fig. 4).

Si leurs couleurs varient du blanc au gris foncé, en fonction de la matière première utilisée, leur dimension et l'épaisseur de leur paroi dépendent aussi du procédé et des paramètres de combustion utilisés dans les usines, tout comme la nature des produits les constituant. Ainsi, les cénosphères les plus petites ont un taux plus élevé d'oxyde de silice (SiO2) et d'oxyde d'aluminium (Al2O3) avec une structure intérieure parfaitement vide, tandis que les plus grandes ont un taux de SiO2 et d'Al2O3 plus faible, mais une structure intérieure résiliée. L'épaisseur de la paroi des cénosphères varie aussi fortement en fonction de leur dimension, entre 2,5 et 10,5 % du diamètre de la cénosphère. De même, leurs propriétés magnétiques peuvent varier en fonction de leur composition.

La structure des cénosphères définit leur densité (apparente de 0,3-0,5 g/cm3, réelle 0,6-0,7 g/cm3) et leur conductivité thermique (0,1-0,2 W/m.K), auxquelles est associée leur résistance mécanique (210-350 kg/cm2), leur stabilité thermique (frittage entre 1 000-1 450 °C), leur résistance aux acides et leur inertie chimique en général.

Une série d'études sur les propriétés des cénosphères, réalisées par le laboratoire de transformations catalytiques des petites molécules de l'Institut de chimie et de technologie chimique de l'Académie des sciences de Russie, à Krasnoyarsk, a montré la stabilité des propriétés physiques des cénosphères provenant de plusieurs sources russes lorsque les conditions de combustion sont répétitives. Il a ainsi démontré que la présence des principaux composants (SiO2 ; Al2O3 ; Fe2O3) peut être décrite par deux équations de[…]

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