Le rôle de l’acide sulfurique dans les minéraux critiques
Entre le minerai extrait et le matériau utilisable, il existe souvent plusieurs étapes de transformation. Ces étapes reposent sur des réactifs chimiques capables de dissoudre, convertir ou purifier les métaux recherchés. Parmi eux, l’acide sulfurique occupe une place majeure.
Produit à très grande échelle, avec environ 231 millions de tonnes en 2011-2012 et des prévisions dépassant 250 millions de tonnes par an, il est souvent présenté comme le produit chimique le plus produit par masse [1]. Cette production reflète son rôle transversal dans l’industrie, notamment dans les engrais, la métallurgie et plusieurs procédés d’extraction.
Son rôle soulève donc une question centrale : comment un composé chimique aussi largement utilisé peut-il devenir un facteur important dans la production des ressources nécessaires aux batteries, aux aimants, aux engrais et au combustible nucléaire ? Cet article examine son origine, ses principaux usages dans les filières du lithium, du nickel, du cobalt, des terres rares, du cuivre et de l’uranium, ainsi que les questions que soulève son approvisionnement à long terme.
Qu'est-ce que l'acide sulfurique et d'où vient-il ?
L'acide sulfurique, dont la formule chimique est H₂SO₄, compte parmi les composés les plus importants fabriqués par l'industrie chimique. Sa production repose principalement sur le procédé de contact, au cours duquel le dioxyde de soufre (SO₂) est oxydé en trioxyde de soufre (SO₃), puis absorbé pour former l'acide concentré [1].
Concrètement, cette méthode se déroule en quatre grandes étapes :
La combustion : le soufre ou des minerais sulfurés sont brûlés afin de produire du dioxyde de soufre (SO₂).
L’oxydation catalytique : le SO₂ est ensuite converti en trioxyde de soufre (SO₃) en présence d’un catalyseur à base d’oxyde de vanadium(V), à une température généralement comprise entre 420 et 620 °C.
L’absorption : le SO₃ est absorbé dans de l’acide sulfurique concentré pour former de l’oléum.
La dilution : l’oléum est enfin dilué avec soin afin d’obtenir l’acide sulfurique à la concentration recherchée.
Cette succession d’étapes repose sur un contrôle précis des réactions, des températures et des émissions. Les usines modernes de type « double contact double absorption » permettent ainsi d’atteindre une conversion du SO₂ d’environ 99,8 % [7]. Cette efficacité explique en partie pourquoi le procédé de contact s’est imposé comme la voie industrielle dominante pour produire l’acide sulfurique à grande échelle.
Figure 1 : The manufacture of sulphuric acid, H₂SO₄, through the Contact Process
D'où vient le soufre ?
Comme l'acide sulfurique dépend du soufre, son approvisionnement est étroitement lié à d'autres industries. Aujourd'hui, une grande partie du soufre élémentaire ne provient pas directement de gisements exploités pour eux-mêmes, mais de la purification du pétrole, du gaz naturel et de certains flux métallurgiques.
Aux États-Unis, en 2023, environ 8,0 millions de tonnes de soufre élémentaire ont été récupérées, principalement dans les raffineries de pétrole et les usines de traitement du gaz naturel[8]. La métallurgie contribue elle aussi à l'offre : l'acide sulfurique issu des fonderies de métaux non ferreux représentait environ 7 % de la production totale de soufre sous toutes ses formes, tandis qu'environ 90 % du soufre consommé l'était sous forme d'acide sulfurique[8].
Cette situation crée une particularité importante : le soufre utilisé pour fabriquer l'acide est souvent un sous-produit d'activités énergétiques ou métallurgiques. La majeure partie du soufre élémentaire est ainsi issue du traitement du gaz acide et du pétrole brut, ce qui en fait le précurseur principal de l'acide sulfurique [9]
Le produit chimique le plus fabriqué au monde
Cette dépendance s'explique aussi par l'échelle exceptionnelle de la demande. La production mondiale d'acide sulfurique était d'environ 231 millions de tonnes en 2011-2012, ce qui confère à ce composé le statut de produit chimique inorganique au plus fort volume, avec la Chine, les États-Unis, l'Inde, la Russie et le Maroc parmi les principaux producteurs[1]. Les estimations de marché plus récentes confirment cette dynamique : le volume mondial passerait d'environ 309 millions de tonnes en 2023 à environ 373 millions de tonnes d'ici 2028, soit un taux de croissance annuel composé d'environ 3,8 %[10].
Comment l'acide sulfurique rend possible l'extraction des minéraux critiques
C'est dans la transformation des minerais que ce produit révèle son rôle de facilitateur invisible. Plusieurs filières de minéraux critiques reposent, à une étape ou une autre, sur sa capacité à dissoudre, convertir ou purifier des composés métalliques.
Le lithium, des batteries qui commencent par de l'acide
Dans la filière du lithium de roche dure, le spodumène est l'un des minéraux les plus importants. Le procédé classique à l'acide sulfurique reste la technologie dominante pour en extraire le lithium [2]. La proportion de réactifs requise illustre bien cette dépendance : produire une tonne de carbonate de lithium nécessite environ 1,34 tonne de concentré de spodumène et environ 0,48 tonne d'acide sulfurique [2].
Le principe de la « cuisson à l’acide » repose sur une succession d’étapes de conversion, de réaction et de purification. Le minerai est d’abord chauffé afin de convertir l’α-spodumène en β-spodumène, une forme plus réactive. Il est ensuite traité avec un excès d’acide sulfurique concentré à environ 200-250 °C, ce qui forme du sulfate de lithium soluble. Celui-ci est ensuite dissous, puis la solution obtenue est neutralisée et purifiée [2].
L'acide peut aussi intervenir dans la purification du lithium issu de saumures, même lorsque l'extraction principale repose plutôt sur l'évaporation. Ainsi, selon la géologie et le procédé choisi, son rôle varie, mais il demeure associé à plusieurs étapes clés de transformation.
Nickel et cobalt, des procédés parmi les plus intensifs en acide
Le cas du lithium montre l’importance de l’acide sulfurique dans certaines chaînes de transformation. Les latérites de nickel et de cobalt illustrent, de leur côté, l’intensité que peuvent atteindre certains procédés hydrométallurgiques. La lixiviation acide sous haute pression, souvent appelée HPAL pour High Pressure Acid Leaching, vise à extraire les métaux contenus dans des minerais latéritiques en les mettant en contact avec une solution d’acide sulfurique, à haute température et sous forte pression.
Les conditions de fonctionnement sont exigeantes, avec des températures d’environ 250 à 270 °C et des pressions d’environ 30 à 50 atm, soit environ 3 000 à 5 000 kPa. Ces conditions permettent des récupérations élevées, de l’ordre de 95 % pour le nickel et de 90 % pour le cobalt [3]. Ces paramètres expliquent pourquoi la HPAL est une technologie spécialisée : elle cherche à rendre accessibles des métaux contenus dans des minerais difficiles à traiter.
Cette performance a toutefois un coût en réactifs : la HPAL repose sur l’utilisation d’acide sulfurique comme lixiviant, et la consommation d’acide peut devenir importante, notamment lorsque les minerais contiennent davantage de magnésium et de calcium [3].
Terres rares, cuivre et uranium
La même logique s'étend à d'autres ressources stratégiques, chacune avec ses particularités :
Pour les terres rares, la bastnäsite peut être traitée par sulfatation. Le concentré est chauffé dans de l'acide sulfurique à environ 98 % à 400-500 °C afin de décomposer le minéral et de convertir les terres rares en sulfates [11]. Une voie de sulfatation à l'acide rapporte une récupération proche de 100 % des terres rares en solution [4].
Pour le cuivre, le procédé SX-EW, c'est-à-dire extraction par solvant puis électrolyse, utilise de l'acide sulfurique dilué sur des tas de minerai oxydé à faible teneur. Le cuivre dissous est ensuite récupéré par voie électrolytique.
Pour l’uranium, la lixiviation à l’acide sulfurique est la voie la plus courante dans de nombreuses opérations conventionnelles, notamment parmi les grandes installations étudiées par le LLNL. Elle permet de dissoudre l’uranium du minerai avant les étapes de purification [5]. Le produit concentré obtenu, souvent appelé « yellowcake » ou U₃O₈, constitue une base du cycle du combustible nucléaire [5].
| Ressource | Procédé ou étape | Rôle de l'acide sulfurique |
|---|---|---|
| Lithium (roche dure / spodumène) | Cuisson à l'acide du spodumène | Convertit le lithium en sulfate soluble, avec environ 0,48 t de H₂SO₄ par tonne de carbonate de lithium⁶ |
| Nickel et cobalt (latérites) | Lixiviation acide sous pression (HPAL) | Sert de lixiviant pour dissoudre les métaux à haute température et sous pression |
| Terres rares (bastnäsite) | Grillage / sulfatation à l'acide | Transforme les terres rares en sulfates solubles, avec une récupération proche de 100 % dans la procédure citée⁹ |
| Cuivre (minerais oxydés) | Lixiviation + SX-EW | Met le cuivre en solution avant sa récupération par extraction par solvant et électrolyse |
| Uranium | Lixiviation acide | Dissout l'uranium du minerai avant les étapes de purification |
| Engrais phosphatés | Digestion de la roche phosphatée | Permet de produire de l'acide phosphorique, une étape majeure de la fabrication d'engrais phosphatés |
Au-delà des mines : engrais, fonderies et enjeux environnementaux
Le rôle de l’acide sulfurique ne se limite pas à l’extraction et à la transformation des minéraux critiques. Il intervient aussi dans d’autres secteurs industriels majeurs, notamment la production d’engrais phosphatés, la métallurgie et certaines activités associées aux émissions ou aux résidus miniers.
Cette importance est particulièrement visible dans le secteur des engrais. Près de 60 % de la consommation de soufre est destinée à la production d’engrais phosphatés [6]. Dans ce procédé, la roche phosphatée est traitée avec de l’acide sulfurique afin de produire de l’acide phosphorique, un intermédiaire essentiel à la fabrication de plusieurs fertilisants. L’acide sulfurique se trouve ainsi lié non seulement aux chaînes minières et métallurgiques, mais aussi à une partie importante de la production agricole mondiale.
Conclusion - Au-delà des gisements
L’acide sulfurique montre que les chaînes d’approvisionnement en minéraux critiques ne reposent pas uniquement sur l’accès aux gisements. Elles dépendent aussi de procédés industriels, de réactifs chimiques et d’infrastructures de transformation capables de convertir les minerais en matériaux utilisables.
Produit en centaines de millions de tonnes chaque année, il occupe une place majeure dans l’industrie chimique mondiale[1]. Son utilisation dans les filières du lithium, du nickel, des terres rares, du cuivre, de l’uranium et des engrais phosphatés illustre son rôle transversal dans plusieurs secteurs stratégiques.
Alors que la demande en minéraux critiques pourrait quadrupler d’ici 2040 selon l’AIE [13], ces dépendances industrielles rappellent que la transition énergétique repose autant sur les ressources du sous-sol que sur les capacités techniques nécessaires pour les transformer.
Références
[1] "Sulfuric Acid." Essential Chemical Industry, Centre for Industry Education Collaboration, University of York, 2016, www.essentialchemicalindustry.org/chemicals/sulfuric-acid.html.
[2] Li, H., et al. "Lithium Extraction from Spodumene by the Traditional Sulfuric Acid Process: A Review." Minerals, vol. 13, no. 6, 2023. Academia.edu, www.academia.edu/103902513.
[3] Zhang, Zhen-fang, Wei-bo Zhang, Zhen-guo Zhang, and Xiu-fa Chen. “Nickel Extraction from Nickel Laterites: Processes, Resources, Environment and Cost.” China Geology, vol. 8, 2025, pp. 187-213., www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2096519225000114.
[4] "Rare Earth Oxide Bastnasite." 911Metallurgist, 16 Feb. 2021, www.911metallurgist.com/blog/rare-earth-oxide-bastnasite/.
[5] "Uranium Mining and Milling." Lawrence Livermore National Laboratory, 7 Mar. 2018, https://www.leidoseemg.com/haleuEIS.references/docs/LLNL%202018_Uranium%20Mining%20and%20Milling.pdf.
[6] Jasinski, Stephen M. "Fertilizers—Sustaining Global Food Supplies." USGS Fact Sheet FS-155-99, U.S. Geological Survey, 1999, pubs.usgs.gov/fs/fs155-99/fs155-99.html.
[7] "Contact Process." Wikipedia, Wikimedia Foundation, en.wikipedia.org/wiki/Contact_process.
[8] U.S. Geological Survey. "Sulfur." Mineral Commodity Summaries 2024, U.S. Geological Survey, Jan. 2024, pp. 172-173, pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2024/mcs2024-sulfur.pdf.
[9] Al-Muntasheri, Ghazi A., et al. "Sustainable Applications Utilizing Sulfur, a By-Product from Oil and Gas Processing." Journal of Environmental Chemical Engineering, vol. 8, no. 5, 2020. ScienceDirect, www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0956053X19303769.
[10] "Sulfuric Acid Market Size & Share Analysis – Growth Trends & Forecasts (2023-2028)." GlobeNewswire / Mordor Intelligence, 14 Aug. 2023, www.globenewswire.com/news-release/2023/08/15/2725784/0/en/Sulfuric-Acid-Market-Size-Share-Analysis-Growth-Trends-Forecasts-2023-2028.html.
[11] Peelman, Sebastiaan, et al. "Leaching of Rare Earth Elements: Past and Present." 1st European Rare Earth Resources Conference (ERES2014), EuRare, 2014, pp. 446-456, www.eurare.org/docs/eres2014/seventhSession/SebastiaanPeelman.pdf.
[12] International Energy Agency. The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions. World Energy Outlook Special Report, IEA/OECD, 2021 (rév. 2022), www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions.
