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11
Na
Sodium
Produit minéral

Le carbonate de sodium est soit extrait de dépôts naturels, principalement aux États-Unis, soit synthétisé selon le procédé Solvay à partir de chlorure de sodium et de calcaire. Il est employé dans l’industrie verrière mais aussi dans la formulation des détergents, la désulfuration des fumées, l’élaboration des phosphates alimentaires.

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule Masse molaire Minéral Structure cristalline
Na2CO3 105,99 g.mol-1 natrite monoclinique de paramètres : a = 0,89 nm, b = 0,523 nm, c = 0,604 nm et angle bêta = 101,35°

Données physiques

Masse volumique Température de fusion Température d’ébullition Solubilité dans l’eau
2,53 g.cm-3 851°C décomposé
  • à 0°C : 7,1 g/100 g d’eau
  • à 100°C : 45,5 g/100 g d’eau

Données chimiques

pKa : CO2aq/HCO3  = 6,35

Données thermodynamiques

Carbonate de sodium cristallisé :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -1 131,4 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -1 048,1 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 136 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 110,5 J.K-1mol-1
  • Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 33,5 kJ.mol-1

Données industrielles

Le carbonate de sodium, (ancien nom « natron ») appelé improprement « soude » par les industriels (en anglais « soda ash »), est soit extrait de dépôts naturels, principalement aux États-Unis (Wyoming), en Afrique (Kenya, Botswana), en Chine et en Turquie, soit synthétisé (pour 74 % de la production mondiale, en 2018) principalement selon le procédé Solvay à partir de chlorure de sodium et de calcaire.

État naturel

Gisements de carbonate de sodium

Le carbonate de sodium est présent dans des gisements fossiles ou dans des lacs salés.

Gisement fossile de l’État du Wyoming. Il est situé à Big Island à 40 km au Nord-Ouest de Green River, aux États-Unis. Il a été découvert en 1938 lors d’un forage pétrolier. Présent entre 120 et 1 050 m de profondeur il couvrirait 2 600 km2. Il est constitué de 42 couches de sesquicarbonate de sodium, sel double de carbonate et hydrogénocarbonate hydraté (Na2CO3,NaHCO3,2H2O) dénommé trona dont 11 de plus de 2 mètres d’épaisseur. Des couches atteignent une teneur de 97 % de trona. Les réserves seraient d’environ 22 milliards de t. Deux couches sont actuellement exploitées souterrainement.

Le gisement résulte de l’accumulation de sédiments, à l’Éocène, il y a 50 millions d’années, dans deux lacs s’étendant sur les états actuels du Wyoming, du Colorado et de l’Utah avec des superficies atteignant jusqu’à 57 000 et 38 850 km2.

Son exploitation a débuté en 1950 et elle a supplanté toute la production américaine de carbonate synthétique (17 usines en 1938, 10 en 1969, 1 en 1979 qui a fermé en 1986). Les gisements du bassin de Green River représentent, en 2018, 60 % de la production mondiale de carbonate de sodium naturel.

L’exploitation souterraine est effectuée soit selon des techniques minières classiques (méthode des « chambres et piliers ») soit par forages et dissolution in situ (méthode utilisée, en partie, par Genesis Energy). Dans le premier cas, le taux de récupération est de 45 %, 30 % dans le second cas.

Le traitement du minerai est réalisé selon 2 procédés, l’un au monohydrate, l’autre au sesquicarbonate.

  • Procédé au monohydrate : le minerai est d’abord calciné :

2 (Na2CO3,NaHCO3,2H2O) = 3 Na2CO3 + 5 H2O + CO2

puis Na2CO3 est dissous dans l’eau afin d’éliminer les parties insolubles puis précipité, par évaporation de l’eau, sous forme de Na2CO3,H2O qui est déshydraté à 150°C.

  • Procédé au sesquicarbonate : le minerai est d’abord mis en solution dans l’eau afin d’obtenir une solution mère qui est filtrée puis évaporée sous vide à 40°C. Le sesquicarbonate de sodium, sel double de carbonate et hydrogénocarbonate hydraté (Na2CO3,NaHCO3,2H2O), précipite, puis est décomposé à 200°C en carbonate.

L’exploitation des gisements naturels consomme moins d’énergie, de 5,6 à 7 GJ/t, que la fabrication industrielle, de 8,9 à 14,25 GJ/t. En 2018, les coûts de production du carbonate de sodium naturel extrait aux États-Unis sont estimés représenter de 40 à 50 % de ceux du carbonate synthétique. En moyenne, il faut 1,54 à 1,65 t de minerai pour donner 1 t de carbonate de sodium.

Sociétés exploitantes : en 2018.

en millions de t/an de capacités de production
Genesis Energy 3,6 Solvay 2,54
Ciner Wyoming 3,25 Tata Chemicals 2,54
Source : USGS
  • Genesis Energy, a acquis, en septembre 2017, les activités de Tronox, groupe australien, dans le carbonate de sodium. Tronox avait acquis le 1er avril 2015 les activités dans le carbonate de sodium de FMC. Genesis Energy exploite les mines de Granger et de Westvaco. Les mines, souterraines, sont situées à 490 m de profondeur, avec plus de 4 000 km de galeries. La couche de trona exploitée a une épaisseur de 3 mètres. La mine de Westvaco est exploitée souterrainement par voie classique et par dissolution, celle de Granger seulement par dissolution. La mine de Westvaco est exploitée depuis 1947, celle de Granger a été développée à l’origine par Texasgulf, filiale d’Elf Atochem. Les réserves prouvées et probables sont de 819 millions de t renfermant 87,9 % de trona, pouvant donner 453 millions de t de carbonate de sodium. En 2018, les ventes ont porté sur 3,33 millions de t de carbonate de sodium. En 2019, a été annoncé une augmentation de capacité de production de 680 000 t/an pour la mine de Granger, prévue en 2022.
  • Ciner Group, société turque, a acquis en octobre 2015 les parts (51 %) détenues par OCI (Corée du Sud) dans OCI Chemical, la société devenant Ciner Wyoming. OCI avait acheté, en 1996, les parts de Rhône Poulenc. 49 % des parts sont détenues par Natural Resources Partners. En 2018, la production est de 2,37 millions de t de carbonate de sodium. Les réserves prouvées et probables sont de 214 millions de t de minerai renfermant 86 % de trona pouvant donner 116,8 millions de t de carbonate de sodium. L’exploitation a lieu à une profondeur comprise entre 244 et 335 m. En 2019, a été annoncé, en association avec Sisecam, une augmentation de capacité de production de 800 000 t/an.
  • Les activités de Solvay sont détenues à 20 % par Asahi Glass (Japon). En 2019, Solvay a annoncé pour fin 2021 une augmentation de la capacité de production de 600 000 t/an.
  • Tata Chemicals (Inde) détient 75 % d’une joint venture avec Owens-Illinois Inc. En 2018-19, la production a été de 2,194 millions de t de carbonate de sodium.

Gisements turcs : ils sont exploités par Ciner Group au travers de :

  • Eti Soda, filiale à 74 % avec 26 % pour le groupe étatique Eti Maden qui exploite depuis 2009 le gisement de Beypazari, découvert en 1979, lors de la recherche de gisements de charbon. Le gisement est exploité par dissolution. La capacité de production est de 1,7 million de t/an.
  • Kazan Soda Electric, depuis début 2018, avec l’exploitation, par dissolution, d’un nouveau gisement, à Kazan, avec une capacité de production de 2,7 millions de t/an.

Lacs salés : le carbonate de sodium est récupéré à partir de saumures contenant de l’ordre de 16 % de NaCl, 6,5 % de Na2CO3, des borates et des sels de lithium et potassium. Par carbonatation (à l’aide de CO2) de la saumure, l’hydrogénocarbonate précipite. Les principaux lacs exploités sont les suivants :

  • Lac Searles (Californie, États-Unis), avec des réserves estimées à 600 millions de t. Exploité par Searles Valleys Mineral (acquis en 2007 par Nirma Ltd. (Inde)), avec une capacité de production de 1,32 million de t. Le lac Owens, également en Californie, possède des réserves de plus de 200 millions de t.
  • Lac Magadi (Kenya), exploité par la société Tata Chemicals Magadi, filiale depuis 2005 du groupe indien Tata Chemicals, avec une production de 289 000 t, en 2018-19.
  • Sua Pan (Botswana), exploité par Botswana Ash avec une capacité de production de 300 000 t/an.
  • Lac Tchad (Tchad), exploité artisanalement avec une production de 13 000 t/an.
  • Lac Natron (Tanzanie) : actuellement non exploité industriellement. L’exploitation est conditionnée à la préservation d’une zone de reproduction importante pour les flamants roses.

 Production de carbonate naturel

La production mondiale, en 2018, est de 15 millions de t dont 12 millions de t aux États-Unis.
Les États-Unis sont le principal exportateur mondial avec, en 2018, 6,9 millions de t. Elles sont destinées à 18 % au Mexique, 15 % au Brésil, 9 % à l’Indonésie, 5 % au Chili…
L’ANSAC, regroupe les activités d’exportation, hors Union européenne, de 3 producteurs des États-Unis, Genesis Energy, Tata Chemicals et Ciner Wyoming.
Les exportations vers l’Union européenne sont réalisées au travers de l’American-European Soda Ash Shipping Association (AESSA).
Au total, en 2018, les capacités de production des États-Unis sont détenues à 54 % par des capitaux étrangers, à 23 % indiens, 15 % belges, 11 % turcs et 5 % japonais.

Les unités de production de carbonate de sodium coproduisent de l’hydrogénocarbonate, du sulfate de sodium et de l’hydroxyde de sodium dans le Wyoming et du chlorure de sodium, du sulfate de sodium et du borax en Californie.

Réserves de carbonate naturel

En 2018. Monde : 25 milliards de t.

en millions de t
États-Unis 23 000 Botswana 400
Turquie 840 Kenya 7
Source : USGS

Fabrication industrielle

Le carbonate de sodium synthétique est principalement obtenu par le procédé Solvay mis au point entre 1861 et 1865. Une variante du procédé Solvay, le procédé Hou, est utilisée en Chine, avec co-production de chlorure d’ammonium utilisé comme engrais.

Part des différents procédés, en 2018, dans la production mondiale de carbonate de sodium :

Procédé Solvay 46 % Procédé Hou 23 %
Carbonate naturel 26 % Autres 5 %

Source : IHS Markit

Une coproduction de carbonate de sodium (75 000 t/an) est réalisée, selon divers procédés, par BASF.

Matières premières : chlorure de sodium et calcaire. L’ammoniac intervient dans la fabrication mais il est presque totalement recyclé.

Principe de la fabrication : selon la réaction globale suivante qui toutefois n’est pas réalisable directement :

2 NaCl + CaCO3= Na2CO3 + CaCl2

Le procédé Solvay consiste en 8 étapes, dans des unités de production dénommées soudières.

1 – Préparation d’une saumure saturée par du chlorure de sodium.

2 – Absorption dans cette saumure d’ammoniac recyclé.

3 – Calcination du calcaire dans un four à chaux, qui donne du dioxyde de carbone :

CaCO3 = CaO + CO2(g)

4 – Préparation d’un lait de chaux, en présence d’un excès d’eau :

CaO + H2O = Ca(OH)2

5 – Carbonatation de la saumure ammoniacale avec le dioxyde de carbone provenant de la calcination du calcaire et de la décomposition de l’hydrogénocarbonate, l’hydrogénocarbonate, NaHCO3, peu soluble précipite.

NH3(aq) + H2O + CO2(aq) = NH4HCO3

NH4HCO3 + Na+ + Cl = NH4+ + Cl + NaHCO3

6 – Filtration de l’hydrogénocarbonate.

7 – Calcination de l’hydrogénocarbonate vers 150-200°C :

2 NaHCO3 = Na2CO3 + H2O(g) + CO2(g)

8 – L’ammoniac est régénéré à l’aide du lait de chaux :

2 (NH4+ + Cl) + Ca(OH)2 = 2 NH3(aq) + Ca2+ + 2 Cl + 2 H2O

Le chlorure de calcium, CaCl2 est un coproduit partiellement valorisé comme desséchant, sel de déneigement… ou rejeté en rivière ou en mer. Les rejets dans la Meurthe d’ions Cl par les usines françaises de carbonate de sodium sont limités de telle sorte que leur contribution soit au maximum de 400 mg.L-1 dans la Moselle à Hauconcourt (100 km en aval).

Consommations (par t de Na2CO3) :

NaCl CaCO3 eau de réfrigération énergie
1,6 t 1,1 à 1,3 t 20 à 50 m3 8,9 à 12,35 GigaJ

Les unités de production ont des capacités pouvant atteindre 1,5 million de t/an.

Qualités de carbonate de sodium :
Il existe deux qualités principales de carbonate de sodium :

  • Léger : c’est le produit obtenu directement, dont les particules ont un diamètre moyen de 100 µm et une densité apparente de 500 kg/m3. Il est utilisé principalement dans l’industrie des détergents.
  • Dense : le carbonate de sodium subit une recristallisation en carbonate monohydraté puis une calcination qui donne des particules de 300 à 400 µm et une densité apparente proche de 1 000 kg/m3. C’est cette qualité qui est la plus demandée, en particulier par l’industrie verrière et la métallurgie.

Le carbonate a une teneur supérieure à 99,5 % en Na2CO3, la principale impureté est NaCl : 0,1 à 0,3 %. C’est un produit qui s’hydrate et se carbonate au contact de l’air en donnant, en partie, de l’hydrogénocarbonate.

Le procédé Hou, utilisé en Chine, consiste à associer la production de carbonate de sodium, à celle d’ammoniac. Le dioxyde de carbone coproduit lors de la production d’ammoniac est utilisée à la place de celui provenant de la calcination du calcaire. La production de chlorure de calcium est ainsi évitée et le chlorure d’ammonium obtenu est utilisé comme engrais dans la culture du riz. La consommation d’énergie est de 14,25 GJ/t.

Productions

En 2018. Monde : 59,6 millions de t, Union européenne : 9,389 millions de t.

en milliers de t, en 2017
Chine 26 000 Inde 2 500
États-Unis 12 000 Turquie 2 000
Russie 3 200 Pologne 1 000
Allemagne 2 600 France 1 000
Source : USGS

En 2018, la capacité mondiale de production est de 70 millions de t/an, celle des États-Unis, de 13,7 millions de t/an, celle de l’Union européenne de 9,5 millions de t/an.

En 2018, la production de l’union européenne est de 9,389 millions de t dont 3,066 millions de t en Allemagne et 1,026 million de t en Espagne. Pour les autres pays les productions sont confidentielles.

La Chine est premier producteur mondial depuis 2003. En Chine, en 2015, les capacités de production sont de 32 millions de t/an dont 17,2 millions de t/an selon le procédé Solvay, 13,8 millions de t/an selon le procédé Hou et 1,9 million de t/an de carbonate naturel.

Dans l’Union européenne : par pays et ( ) producteurs, en 2015.

en milliers de t/an de capacités de production
Allemagne (Solvay, Ciech, BASF) 1 805 Italie (Solvay) 1 000
Bulgarie (Solvay, Sisecam) 1 500 Roumanie (Ciech) 535
Pologne (Ciech) 1 300 Royaume Uni (Tata Chemicals) 460
France (Solvay, Seqens) 1 260 Belgique (BASF) 25
Espagne (Solvay) 1 020
Sources : Ciech

Commerce international : en 2018.

Principaux pays exportateurs : sur un total de 16,241 millions de t.

en milliers de t
États-Unis 6 965 Allemagne 659
Turquie 3 447 Bosnie 453
Chine 1 379 Kenya 289
Bulgarie 1 305 France 280
Russie 845 Botswana 251

Source : ITC

Les exportations des États-Unis ont été destinées à 19 % au Mexique, 12 % au Brésil, 9 % à l’Indonésie…

Principaux pays importateurs :

en milliers de t
Brésil 1 388 Corée du Sud 552
Mexique 1 237 Italie 506
Indonésie 1 014 Espagne 466
Inde 861 Afrique du Sud 449
Thaïlande 818 France 438

Source : ITC

Principaux producteurs : en 2018.

en millions de t de capacités annuelles de production
Solvay (Europe, États-Unis) 7,32 Nirma Ltd. (États-Unis, Inde) 2,73
Ciner Group (États-Unis, Turquie) 7,00 Ciech (Pologne, Roumanie, Allemagne) 2,60
Tata Chemicals (Inde, États-Unis, Royaume-Uni, Kenya) 3,73 Sisecam (Turquie, Bosnie, Bulgarie) 2,40
Genesis Energy (États-Unis) 3,68 BSC Chemicals (Russie) 2,33
Shandong Haihua (Chine) 2,85 Sanyou Chemical (Chine) 2,20
Sources : IHS Markit et rapports annuels des sociétés
  • Solvay : n° 1 mondial (22 % des capacités mondiales et 60 % des capacités de l’Union européenne) avec une capacité de production de 7,32 millions de t/an, dont 5,1 millions de t en Europe.
    Solvay produit du carbonate de sodium à partir de minerai à Green River au Wyoming (États-Unis) dans une unité de production détenue à 80 %, les 20 % restant étant propriété de Asahi Glass (Japon).
    En Europe, les unités de production de carbonate de sodium synthétique sont situées en Italie (Rosignano, 1 000 000 t/an de capacités), Espagne (Torrelavega, 1 020 000 t/an de capacités), France (Dombasle, 700 000 t/an de capacités), Allemagne (Rheinburg, 600 000 t/an de capacités et Bernburg, 540 000 t/an de capacités). L’unité de production de Devnya, en Bulgarie, 1 500 000 t/an de capacités est détenue à 75 % par Solvay et 25 % par Sisecam (Turquie).
    En 2011, en Chine, a pris une participation de 30 % dans l’usine de Bin Hai du groupe Tianjin Soda Ash, la capacité de l’usine étant de 800 000 t/an, la part de Solvay de 220 000 t/an de carbonate de sodium et 30 000 t/an d’hydrogénocarbonate.
  • Ciner Group, avec l’exploitation du gisement de Green River, aux États-Unis, et ceux de Beypazari et Kazan, en Turquie. Les capacités aux États-Unis sont de 2,95 millions de t/an, celles d’Eti Soda, en Turquie, de 1,7 million de t/an à Beypazari et de 2,5 millions de t/an à Kazan.
  • Tata Chemicals a produit, en 2018-19, un total de 3,633 millions de t avec du carbonate de sodium naturel, aux États-Unis, à Green River, avec 2,194 millions de t et au Kenya, avec 289 000 t et du carbonate de sodium synthétique, au Royaume Uni, à Lostock, avec 333 000 t et, en Inde, à Mithapur, dans l’État de Gujarat, avec 817 000 t.
  • Genesis Energy, a vendu, en 2018, 3,33 millions de t.
  • Ciech, avec 25 % des capacités de production de l’Union européenne, groupe polonais possède 2 usines de production en Pologne, à Inowroclaw et à Janikowo, avec une capacité de production de 1,45 million de t/an, une usine en Allemagne, à Stassfurt, avec 610 000 t/an et une usine en Roumanie, à Gorova, avec 540 000 t/an.
  • Sisecam a produit, en 2018, 2,357 millions de t, en Turquie, à Mersin avec 1,4 million de t/an, en Bosnie, à Lukanac avec 585 000 t/an et en Bulgarie à Devnya avec une participation de 25 %, à côté de Solvay, et une capacité de 375 000 t/an.
  • BSC Chemicals (Bashkir Soda Company, en Russie) possède deux unités de production en Russie, à Sterlitamak avec 1 700 000 t/an et Berezniki avec 630 000 t/an.

Situation française

En 2018.

Production : 1 million de t.

Producteurs : avec 2 unités de production.

  • Dombasle (54, Solvay) : l’usine construite en 1874, a une capacité de 700 000 t/an de carbonate de sodium et de 120 000 t/an d’hydrogénocarbonate. 70 % de la production de l’usine est destiné à l’industrie verrière.
  • La Madeleine, commune de Laneuveville-devant-Nancy (54, Seqens), avec une capacité de production de 560 000 t/an de carbonate et de 140 000 t/an d’hydrogénocarbonate.

Commerce extérieur :

Les exportations étaient de 279 807 t avec comme principaux marchés à :

  • 35 % l’Allemagne,
  • 24 % la Belgique,
  • 22 % le Luxembourg,
  • 6 % la Suisse.

Les importations s’élevaient à 438 099 t en provenance principalement à :

  • 47 % de Turquie,
  • 19 % de Belgique,
  • 6 % de Bulgarie.

Utilisations

Consommations, en 2018 : Monde : 60,2 millions de t.

Chine, en 2018 : 25,4 millions de t, Europe, en 2016 : 11,4 millions de t, États-Unis, en 2018 : 5,1 millions de t, Inde, en 2016 : 3,2 millions de t.

Secteurs d’utilisation, en 2018, en %.

Europe Monde
Verre 62 % 53 %
Produits chimiques 16 % 14 %
Savons, détergents 7 % 13 %
Métallurgie 7 % 5 %
Sources : Ciech
  • Verre : voir ce chapitre. Dans le monde, en 2018, la consommation est destinée à 27 % pour le verre plat, à 20 % pour le verre creux et à 6 % pour les autres verres.
  • Produits chimiques : utilisé à 50 % dans ce secteur pour produire des phosphates sodiques (tripolyphosphates dans les détergents, l’alimentation…, voir le chapitre H3PO4). Employé également pour fabriquer NaHCO3 (voir ce produit), les silicates de sodium (détergents, zéolithes…).
  • Na2CO3 tend à remplacer NaOH pour l’obtention de solutions basiques.
  • Détergents : d’une part le carbonate de sodium est utilisé pour élaborer le tripolyphosphate et d’autre part, les lessives en poudre contiennent de 5 à 20 % en masse de carbonate de sodium.
  • C’est également un agent neutralisant dans la fabrication des savons.
  • Métallurgie, sidérurgie : Na2CO3 est utilisé couramment comme désulfurant de la fonte, dans le traitement par lixiviation des minerais d’uranium, le traitement de surface des métaux…

Bibliographie

 

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