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17
Cl
Chlore
19
K
Potassium
Produit minéral

Le chlorure de potassium est un produit naturel, souvent associé au chlorure de sodium, extrait d’exploitations minières soit selon les techniques minières classiques soit par circulation d’eau in situ. Il est aussi extrait de lacs salés et des eaux de la Mer Morte. Après son extraction il ne subit qu’une purification. Il est principalement employé dans l’industrie des engrais.

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule Masse molaire Minéral Structure cristalline Rayons ioniques de Pauling dans la coordinence 6
KCl 74,56 g.mol-1 sylvine cubique à faces centrées de type NaCl, de paramètre a = 0,629 nm K+ : 133 pm et Cl : 181 pm

Données physiques

Masse volumique Température de fusion Température de sublimation Solubilité dans l’eau
1,984 g.cm-3 776°C 1 500°C
  • à 0°C : 34,7 g/100 g d’eau
  • à 100°C : 56,7 g/100 g d’eau

Données thermodynamiques

Chlorure de potassium cristallisé :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -436 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -408,5 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 82,7 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 51,5 J.K-1mol-1
  • Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 25,5 kJ.mol-1
  • Enthalpie molaire standard d’ébullition à la température d’ébullition : 162,4 kJ.mol-1
Chlorure de potassium gazeux :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -216 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -235,2 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 239,6 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 36,2 J.K-1mol-1

Données industrielles

Le chlorure de potassium, KCl, étant principalement employé dans l’industrie des engrais et en agriculture, les quantités et les teneurs sont souvent exprimées en K2O avec : 1 t KCl = 0,631 t K2O. Dans l’industrie des engrais et en agriculture, il est appelé improprement « potasse » et « muriate of potash (MOP) » dans les pays anglosaxons.
Le chlorure de potassium est directement extrait du sol ou de solutions salines et ne subit qu’une purification.

État naturel

La teneur moyenne de l’écorce terrestre en élément potassium, K, est de 2,4 %. Il est surtout présent dans des feldspaths, en particulier l’orthose, KAlSi3O8, des feldspathoïdes comme la leucite, KAlSi2O6 ou la néphéline, Na3KAl4Si4O16, des micas avec la muscovite, KAl2(AlSi3O10)(F,OH)2 ou la biotite, K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)2.

Sous forme de chlorure, KCl, il est présent, principalement, dans des dépôts marins fossiles en présence, en général, de chlorure de sodium. C’est sous cette forme, ainsi que des eaux de la Mer Morte ou de lacs salés, qu’il est extrait et utilisé principalement dans l’industrie des engrais.

Minerais : le principal minerai est la sylvinite (KCl-NaCl), les autres minerais exploités sont la carnallite (KCl-MgCl2), la kaïnite (KCl-MgSO4) et la langbeinite (MgSO4-K2SO4). La sylvinite est un mélange de sylvine (KCl) et de halite (NaCl). La sylvinite a été découverte en 1856 dans un gisement de sel gemme, en Allemagne et son exploitation a débuté en 1861 en Allemagne dans les gisements de Hanovre et de la Werra. Les mines sont exploitées par voie souterraine, pour 80 % de la production mondiale ou par dissolution in situ, pour 6 % de la production. Diverses exploitations souterraines ont été inondées et ont vu leur exploitation se poursuivre par dissolution. Par ailleurs, l’exploitation de la Mer Morte et celle de lac salés donne 14 % de la production mondiale.

Le gisement des Mines de Potasse d’Alsace : il s’est formé à l’Oligocène, il y a 26 à 38 millions d’années, selon un régime lagunaire, la lagune étant alimentée périodiquement en eaux nouvelles par le jeu d’une « barre ». Au sein des couches de sylvinite, l’alternance sylvite (KCl), sel gemme (NaCl) correspondrait à des changements de saison, KCl se déposant en saison froide, NaCl en saison chaude. Il est situé dans la plaine d’Alsace, au nord-ouest de Mulhouse. Il couvre environ 20 000 hectares. L’exploitation du gisement s’est terminée en 2002.
Le gisement a été découvert en 1904. Il est constitué de deux couches séparées par 20 m de sel gemme, marnes et anhydrite (CaSO4) situées à une profondeur variant de 400 à 1100 m.

  • La couche inférieure, la plus puissante, a une épaisseur comprise entre 3 m et 5,50 m, sa formation aurait duré 160 ans
  • La couche supérieure d’épaisseur comprise entre 1 et 2,20 m s’est formée durant environ 30 ans.

Chaque couche est composée de filets alternés (d’épaisseur variant du mm au cm), de KCl, de NaCl et d’argile.
Le minerai (la sylvinite) a une teneur de 25 % de sylvine, 60 % de sel gemme et 15 % d’éléments insolubles (argiles…). Il contient également du bromure de potassium qui était récupéré et valorisé pour produire du dibrome.
300 km de galeries (largeur environ 4 m, hauteur environ 3 m), avant la fermeture de la mine, étaient en service.
Le minerai était extrait par la méthode du havage intégral. Une haveuse (fraiseuse) munie de couteaux en acier au carbure de tungstène attaque le banc de minerai sur 1 m de large et sur 1 à 4 m de haut suivant les chantiers, à une vitesse variant de 50 à 100 m/h. L’extraction cumulée, depuis 1910, de minerai brut est supérieure à 500 millions de t. Le maximum d’extraction a été atteint en 1974, avec 13,4 millions de t de minerai brut.

Traitements du minerai

Trois procédés sont utilisés : le traitement thermique par dissolution puis cristallisation, la flottation et la séparation électrostatique.
Le traitement du minerai consiste, après broyage, à séparer les divers constituants, chlorure de potassium, chlorure de sodium, autres minéraux riches en potassium (carnallite, kaïnite, langbeinite) ou en magnésium (kiesérite, MgSO4,H2O) et insolubles (argiles). Le broyage du minerai est conditionné par le traitement de séparation utilisé, la flottation et la séparation électrostatique demandant un broyage plus poussé que le traitement thermique afin de séparer physiquement les particules. L’extraction par dissolution in situ échappe à cette opération préalable et se poursuit par traitement thermique.

  • Thermique par dissolution puis cristallisation : le minerai, après un broyage grossier jusqu’à des tailles de particules de 5 à 9 mm, est attaqué à 100°C par une solution aqueuse saturée à 20°C (eau-mère) en KCl et NaCl (147 g/L de KCl et 292 g/L de NaCl). Seul KCl passe en solution. La solution saturée (saumure) à 100°C contient alors 280 g/L de KCl et 250 g/L de NaCl. Par refroidissement jusqu’à 30°C et par évaporation sous vide, KCl cristallise et la saumure redevient eau-mère. Le rendement en KCl est d’environ 93 %.
  • Par flottation : le minerai broyé à environ 0,8 mm, afin de libérer ses divers constituants, est mis en suspension dans une eau-mère froide. L’injection massive d’air, dans des cellules de 8,3 m3 et l’ajout de collecteur (acétate de stéarylamine), moussant (huile de pin) et déprimant (fécule de pomme de terre) permet de faire flotter KCl qui est récupéré dans les mousses. Les rendements de récupération sont de 92 à 93 %.
  • Électrostatique : les minéraux contenus dans le minerai n’étant pas naturellement conducteurs, il est nécessaire de soumettre au préalable le minerai à un champ électrique, qui induira à la surface des particules des charges opposées plus ou moins importantes en fonction de leur nature chimique. La séparation est réalisée à sec.

Au Canada et aux États-Unis, pour les exploitations souterraines classiques, c’est la flottation qui est principalement, à 70 %, utilisée, le traitement thermique étant réservé au chlorure de potassium destiné à des applications industrielles. Il en est de même au Royaume Uni et en Espagne.
En Allemagne, ce sont les traitements thermiques et la séparation électrostatique qui sont employés.

Le chlorure de potassium obtenu selon le procédé thermique est blanc, celui obtenu par flottation ou par séparation électrostatique est rose (couleur qu’il possède dans le minerai).
Le co-produit principal est le chlorure de sodium qui est soit stocké et utilisé en partie comme sel de déneigement soit évacué dans les fleuves. Du dibrome est également co-produit. Au niveau mondial, pour une production de 55 millions de t de KCl, la coproduction de NaCl est de plus de 80 millions de t.

Le chlorure le potassium destiné à la fertilisation contient au moins 95 % de KCl, la principale impureté étant le chlorure de sodium. Sa teneur, exprimée en équivalent K2O, est de 60 à 61 % de K2O. Celui destiné aux applications industrielles, obtenu selon la voie thermique,  renferme plus de 99 % de KCl.

Productions minières

En 2019. Monde : 41 million de t de K2O, Union Européenne (Allemagne, Espagne, Royaume Uni), en 2018 : 3,597 millions de t de K2O.

en milliers de t de K2O
Canada 13 300 Jordanie 1 500
Biélorussie 7 000 Chili 950
Russie 6 800 Espagne 600
Chine 5 000 États-Unis 510
Allemagne 3 000 Brésil 200
Israël 2 000 Laos 200
Source : USGS

Les capacités mondiales de production sont, en 2018, de 61,961 millions de t/an de K2O, dont 23,285 millions de t/an au Canada.

  • Les gisements canadiens sont tous situés dans la province de Saskatchewan. Ils ont été découverts, en 1943, lors de forages pétroliers. Le gisement, constitué de couches horizontales, de 2 à 3 mètres d’épaisseur, situé à environ 1 000 m de profondeur, est exploité par 10 mines en activité (6 exploitées par Nutrien, 3 par Mosaic, 1 par K+S). 7 mines sont exploitées de façon classique par voie souterraine alors que 3 mines (Patience Lake par Nutrien, Belle Plaine par Mosaic et Bethune par K+S) sont exploitées par dissolution in situ du sel. Les ressources sont évaluées à plus de 75 milliards de t de minerai à une teneur de 21 à 27 % de K2O. La capacité de production des mines canadiennes du Saskatchewan est, en 2020, de 23,6 millions de t/an de KCl.
    BHPBilliton, développe le projet de la mine Jansen, avec une capacité de production prévue de 10 millions de t/an. Les ressources sont de 6,51 milliards de t de minerai titrant 25,6 % de K2O. L’exploitation devrait commencer en 2020.
  • En Russie, le gisement de Verkhnekamskoye, dans la région de Perm, dans l’Oural, est le 2ème plus important gisement dans le monde après le gisement canadien. Le principal exploitant de ce gisement est le groupe Uralkali.
  • En Biélorussie, le gisement exploité est celui de Starobin, près de Soligorsk.
  • En Allemagne, les mines, exploitées principalement par K+S, sont situées dans le centre du pays, surtout dans les lands de Hesse et Thuringe.
  • Israël et la Jordanie exploitent les eaux salées de la Mer Morte.
  • Au Chili, c’est le salar d’Atacama qui est exploité.
  • En Espagne, les mines exploitées sont situées en Catalogne.
  • Aux États-Unis, les mines sont situées au Nouveau Mexique et dans l’Utah.

En République du Congo, divers projets sont en cours d’étude et de développement. Dans ce pays, un gisement de sylvinite et de carnallite a été découvert en 1935 et entre 1969 et 1977, l’exploitation souterraine du gisement à Holle, a permis une production de 450 000 t/an de KCl. Toutefois, le 20 juin 1977, une inondation de la mine a entraîné l’arrêt de la production. L’exploitation de ce gisement, situé dans le département du Kouilou, à peu de distance du port en eaux profondes de Pointe Noire devrait permettre une évacuation facile pour alimenter le marché mondial et en particulier le Brésil, l’un des premiers pays importateurs. Parmi les projets les plus avancés on peut citer :

  • Le projet Mengo développé par la société canadienne MagIndustries, qui prévoit une production de 600 000 t/an puis de 1,2 million de t/an de KCl. Il est situé à 15 km au Nord-Est de Pointe Noire. Le minerai de carnallite doit être exploité par dissolution in situ.
  • La société Sintoukola, propriété à 97 % de la société australienne Kore Potash, avec 2 projets. Celui d’une mine souterraine de sylvinite à Kola avec une production de 600 000 t/an puis de 1,2 million de t/an avec des réserves de 152 millions de t de minerai renfermant 32,5 % de KCl et celui d’une mine de carnallite à Dougou, avec une production, par dissolution in situ, de 400 000 t/an de KCl et des ressources de 1,1 milliard de t de minerai à 20,6 % de KCl.
  • Le projet du Lac Dinga, détenu à 70 % par la Société des Potasses et Mines (SPM), avec des réserves de 1,1 milliard de t de minerai renfermant 20,6 % de KCl.

Commerce international : en 2019.

Principaux pays exportateurs : sur un total de 49,291 millions de t de KCl.

en milliers de t de KCl
Canada 19 236
Jordanie 2 14
Biélorussie 10 323
Espagne 642
Russie 9 544
Laos 608
Allemagne 3 164
Chili 383
Israël 3 036
Ouzbékistan 168

Les exportations du Canada, en 2019, sont destinées à 50 % aux États-Unis, 14 % au Brésil, 13 % à la Chine, 6 % à l’Inde…

La société Canpotex, joint venture entre Nutrien et Mosaic, assure les ventes du chlorure de potassium de ces groupes à l’étranger, hors États-Unis.

Principaux pays importateurs : sur un total de 49,291 millions de t de KCl.

en milliers de t de KCl
Brésil 10 201
Malaisie 1 048
Chine 8 962
Belgique 996
États-Unis 7 792
Pologne 921
Inde 4 030
Vietnam 888
Indonésie 2 781
Corée du Sud 731

Les importations du Brésil proviennent, en 2019, du Canada à 33 %, de Russie à 28 %, de Biélorussie à 16 %, d’Allemagne à 10 %, d’Israël à 9 %.
Celles des États-Unis, du Canada à 85 %, de Biélorussie à 6 %, de Russie à 6 %.
Celles de Chine, du Canada à 35 %, de Russie à 24 %, de Biélorussie à 20 %, d’Israël à 9 %.

Principaux producteurs : en 2019, sur une capacité de production totale de 95 millions t/an de KCl.

en millions de t/an de capacités de production de KCl
Nutrien (Canada) 13,5 K+S (Allemagne) 6,6
Uralkali (Russie) 12,5 ICL (Israël) 5,0
Belaruskali (Biélorussie) 12,4 APC (Jordanie) 2,6
Mosaic (États-Unis) 11,2 Eurochem (Russie) 2,3
QSL (Chine) 8,1 SQM (Chili) 2,0
Sources : Nutrien et rapports annuels des sociétés
  • Nutrien issu, de la fusion, effective depuis le 1er janvier 2018, entre PotashCorp (Potash Corporation of Saskatchewan, Canada) et Agrium est n°1 mondial avec 22 % des capacités mondiales de production et 6 exploitations au Saskatchewan (Lanigan avec une production, en 2019, de 1,75 million de t de KCl, Rocanville, 5,14 millions de t, Cory, 0,97 million de t, Allan, 2,18 millions de t, Patience Lake, 240 000 t et Vanscoy, 1,42 millions de t). Les réserves prouvées et probables sont de 1,921 milliard de t de minerai d’une teneur comprise entre 22,5 et 24,8 % de K2O. En 2019, la production est de 11,70 millions de t de KCl.
  • Uralkali (Russie) exploite avec 5 mines, le gisement de Verkhnekamskoye, en Russie, entre Berezniki et Solikamsk, dans la région de Perm. Le gisement a été découvert en 1925. En 2019, la production a été de 11,1 millions de t de KCl avec 15 % des capacité de production mondiales. Les réserves prouvées et probables sont, début 2020, de 1,256 milliard de t de minerai titrant 16,5 % de K2O.
  • Belaruskali (Biélorussie), exploite, avec 6 mines, à Boligorsk, le gisement de Starobin qui s’étend sur 350 km2. En 2016/17, la production a été de 11,899 millions de t de KCl avec 14 % des capacités de production mondiales.
  • Mosaic, exploite 3 mines au Canada, dans la province du Saskatchewan (Belle Plaine, avec une production, en 2019, de 2,7 millions de t de KCl, Colonsay, avec 0,7 million de t et Esterhazy, avec 3,9 millions de t) et une mine aux États-Unis, à Carlsbad, au Nouveau Mexique, avec 600 000 t. La production, en 2019, de 7,868 millions de t, représente 11 % de la production mondiale. Les réserves sont de 2,146 milliards de t de minerai titrant 20,8 % de K2O. En décembre 2016, Mosaic a acquis les activités de Vale dans les engrais et en particulier une mine au Brésil, Taquari-Vassouras, dans l’État de Sergipe, avec une capacité de production de 500 000 t/an, une production, en 2019, de 426 000 t et des réserves de 9,5 millions de t à 23,75 % de K2O.
  • Qinghai Salt Lake (QSL), société d’État chinoise, en cours de restructuration, a produit, en 2019, 5,63 millions de t de KCl.
  • K+S (Allemagne), premier producteur européen, avec 6,71 millions de t en 2017, exploite 6 mines en Allemagne (Wintershall, Hattorf, Unterbreizbach, Zielitz, Neulof-Ellers et Sigmundshall, qui a fermé fin 2018) avec des réserves de 1,1 milliard de t de KCl. Par ailleurs, K+S a inauguré, en mai 2017, la mine de Bethune, dans la province du Saskatchewan, au Canada, avec une production en 2018 de 4 millions de t et des réserves de 240 millions de t de KCl d’un minerai titrant 18 % de K2O. Le gisement, à 1 500 m de profondeur, d’une épaisseur de 33 m, est exploité par dissolution in situ.
  • ICL (Israël Chemical Ltd, Israël), exploite, à Sodom, les eaux de la Mer Morte et possède des mines en Espagne et jusqu’à mi-2018, au Royaume Uni et a produit, en 2019, 4,2 millions de t de KCl.
    • L’exploitation de la Mer Morte, en 2018, par pompage de 420 millions de m3 d’eau a donné, 3,8 millions de t de KCl, 187 000 t de NaCl, 175 000 t de dibrome, 132 000 t de chlorure de magnésium et 21 000 t de magnésium.
    • En Espagne, ICL extrait du chlorure de potassium dans 2 mines, en Catalogne, Cabanasas (Suria) et Vilafruns (Sallent), cette dernière devant fermer fin 2020. La capacité de production de 1 million de t/an de KCl en 2019 devrait être portée à 1,3 million de t/an. La production a été, en 2019, de 4 millions de t de minerai titrant 24 % de KCl avec des réserves prouvées et probables de 73 millions de t à 27 % de KCl.
    • Au Royaume Uni, ICL contrôle Cleveland Potash, qui exploite la mine de Bouldy, en partie offshore sous la mer du Nord, dans le Nord du Yorkshire, avec la production de 1 million de t de minerai titrant 35 % de KCl. Mi-2018, la production de KCl a cessé au Royaume Uni.
    • En Éthiopie, ICL développe le projet de la mine de Danakhil, dans l’Afar.
  • APC (Arab Potash Company) exploite comme ICL, les eaux de la Mer Morte. En 2019, la production est de 2,436 millions de t de KCl. Les parts de 28 % détenues par Potash Corp ont été acquises par une société étatique chinoise.
  • Le groupe Eurochem, développe, en Russie, deux projets importants, celui de VolgaKaliy, dans la région de Volgograd, avec des réserves de 1,6 milliard de t de minerai renfermant 39,5 % de KCl et une capacité de production de 2,3 millions de t/an pouvant être portée à 4,6 millions de t/an et celui de Usolskiy, dans la région de Perm, avec des réserves de 2,3 milliards de t renfermant 30,8 % de KCl et une capacité de production de 2,3 millions de t/an pouvant être portée à 4 millions de t/an. En 2018, le projet de Usolskiy a débuté sa production et, en 2019, la production est de 1,1 million de t de KCl.
  • SQM (Sociedad Quimica y Minera de Chile) exploite le salar d’Atacama au Chili et a produit, en 2019, 597 300 t de chlorure et sulfate de potassium. Les réserves prouvées et probables du salar d’Atacama sont de 92,5 millions de t d’ion K+, 9,2 millions de t d’ions Li+, 2,8 millions de t d’ions B3+, 80,2 millions de t d’ions sulfate.

Réserves : elles sont estimées, en 2019, à plus de 3,6 milliards de t de K2O.

en millions de t de K2O
Canada 1 000 Jordanie, en 2018
270
Biélorussie 750 États-Unis 220
Russie 600 Royaume Uni 170
Chine 350 Allemagne 150
Israël, en 2018 270 Chili 100
Source : USGS

Situation française

En 2019, en t de K2O.

Production : nulle depuis la fermeture des Mines de Potasse d’Alsace, en 2002.

Commerce extérieur :

Les exportations étaient de 16 662 t avec comme marché principal à :

  • 68 % la Belgique,
  • 14 % la Suisse.

Les importations s’élevaient à 436 676 t en provenance principalement à :

  • 47 % d’Allemagne,
  • 17 % d’Espagne,
  • 13 % du Canada,
  • 4 % de Russie.

Consommations, en 2018-19, en t de K2O et ( ) t de produits.

  • Engrais simples : 283 000 t.
  • Engrais binaires PK : 93 000 t (soit 459 000 t de superpotassique).
  • Engrais ternaires* et binaires NK : 75 000 t.
    (* Composition des engrais ternaires les plus courants : 17 % N-17 % P
    2O5-17 % K2O)

Soit un total de 451 365 t de K2O.

La consommation à l’hectare est de 16 kg de K2O. En France, entre 1988 et 2017, la fertilisation minérale en K2O a diminué de 77 %.

Utilisations

Consommations : en 2019. Monde : 42,9 millions de t de K2O. Union européenne, en 2015 : 3,379 millions de t de K2O.

en milliers de t de K2O
Chine 9 706 Vietnam 694
Brésil 6 063
Russie 621
États-Unis 4 786
Pologne 581
Inde 2 567 Bangladesh, en 2018 473
Indonésie 1 988
Thaïlande, en 2018 472
Sources : Nutrien et IFA

KCl est essentiellement, à 86 % en 2018, utilisé comme engrais, le reste par l’industrie chimique (voir le chapitre consacré à l’hydroxyde de potassium).

Lors des utilisations comme engrais, les ions K+ sont, à 86 %, apportés sous forme de KCl et à 10 % apportés sous forme de sulfate de potassium, K2SO4. Le sulfate de potassium est préparé par action de l’acide sulfurique sur KCl ou à partir d’autres minerais (saumures, langbeinite…). Il est utilisé pour certaines cultures (tabac, fruits, légumes…) pour lesquelles la présence des ions Cl est néfaste. La production de sulfate de potassium, dans l’Union européenne, est, en 2019, de 1,353 million de t, exprimées en K2O.

En agriculture, l’apport d’ions K+, provient également des excrétions animales. En effet, celles-ci représentent, en 2013, 75 % des apports, ceux de la fertilisation minérale représentant 22 %, le reste, provenant d’autres apports organiques comme les vinasses concentrées de betteraves.

Utilisation alimentaire de KCl :

Le sel de marque « Minisel » contient 2/3 de KCl pour 1/3 de NaCl. Ce sel diététique est destiné à corriger le déséquilibre Na+/K+ fréquent dans les cas d’hypertension artérielle. Ce type de sel est très répandu au Japon et en Scandinavie.

Bibliographie

Engrais

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