Extraction du brome à partir de la saumure

Le brome est connu comme « l'élément marin », car plus de 99 % des réserves terrestres de brome se trouvent dans l'océan. Cependant, la concentration en ions bromure dans l'eau de mer est extrêmement faible, ce qui rend l'extraction directe économiquement non viable. C'est pourquoi l'industrie utilise généralement de la saumure, qui contient des concentrations en ions bromure des centaines de fois supérieures à celles de l'eau de mer, comme matière première. Grâce à une série de procédés éprouvés, le brome est enrichi et purifié pour fournir des matières premières essentielles à la fabrication de retardateurs de flamme, d'intermédiaires pharmaceutiques, de produits agrochimiques et à d'autres applications.

I. Procédé principal : Méthode de soufflage d'air à flux complet

Le procédé d'extraction du brome le plus répandu au monde est la méthode par insufflation d'air, qui comprend cinq étapes principales : acidification, oxydation, insufflation, absorption, réoxydation et distillation. Ces étapes sont étroitement liées pour une extraction efficace du brome.

1. Prétraitement par acidification

La saumure naturelle est généralement alcaline. Si l'on introduit directement du chlore gazeux dans une saumure alcaline, il réagira d'abord avec la base, gaspillant ainsi l'oxydant et réduisant l'efficacité de l'extraction du brome. Par conséquent, la première étape consiste à ajuster le pH de la saumure à une valeur acide comprise entre 2,5 et 4,5 à l'aide d'acide sulfurique ou d'acide chlorhydrique, créant ainsi un milieu propice aux réactions d'oxydation ultérieures et garantissant que le chlore gazeux puisse oxyder spécifiquement les ions bromure.

2. Oxydation des ions bromure par le chlore gazeux

Du chlore gazeux est introduit dans la saumure acidifiée. Son fort pouvoir oxydant permet d'oxyder les ions bromure en brome élémentaire. Pour garantir une réaction complète, on introduit généralement un excès de chlore gazeux de 10 à 15 %, et la durée de la réaction est de 15 à 30 minutes. Une agitation continue est maintenue pour favoriser le contact gaz-liquide. La température de réaction est généralement maintenue entre 20 et 30 °C afin d'éviter une volatilisation excessive du brome due aux températures élevées.

3. Soufflage de vapeur de brome avec de l'air chaud

Le brome élémentaire est très volatil, avec un point d'ébullition de seulement 58 °C. La saumure oxydée est introduite par le haut d'une tour de soufflage, tandis que de l'air chaud ou de la vapeur est insufflé par le bas. La vapeur de brome se sépare de la solution sous l'effet du flux d'air, formant un mélange air-brome. La tour de soufflage est garnie d'un garnissage en céramique ou en plastique afin d'augmenter la surface de contact gaz-liquide et d'améliorer l'efficacité du soufflage. La température est généralement maintenue entre 40 et 60 °C pour optimiser le taux de volatilisation et la consommation d'énergie.

4. Absorption et enrichissement du brome

L'air insufflé contenant du brome doit être enrichi dans une tour d'absorption. Actuellement, deux principales méthodes d'absorption sont utilisées :

• Méthode d'absorption du dioxyde de soufre : Il s'agit du procédé le plus répandu en Chine. Le dioxyde de soufre gazeux est introduit dans la tour d'absorption, où il réagit avec la vapeur de brome présente dans l'eau pour former une solution d'acide bromhydrique. Cette réaction est rapide, avec une efficacité d'absorption supérieure à 98 %. De plus, le dioxyde de soufre peut être récupéré des gaz de combustion des centrales au charbon, ce qui permet de réduire les coûts.
• Méthode d'absorption de solution alcaline : On utilise une solution d'hydroxyde de sodium ou de carbonate de sodium comme absorbant. Le brome subit une réaction de dismutation pour former du bromure et du bromate. La solution absorbée doit être acidifiée lors des étapes suivantes afin de provoquer une nouvelle réaction de dismutation entre le bromure et le bromate, régénérant ainsi le brome élémentaire.

5. Réoxydation et purification par distillation

Les composés bromés obtenus lors de l'étape d'absorption doivent être reconvertis en brome élémentaire. Pour la solution d'acide bromhydrique obtenue par absorption au dioxyde de soufre, du chlore gazeux est introduit pour l'oxyder en brome élémentaire. Pour la solution mixte de bromure et de bromate obtenue par absorption en milieu alcalin, l'acidification génère directement du brome élémentaire. Enfin, le brome élémentaire est purifié par distillation. La température est maintenue entre 5 et 10 °C pour condenser la vapeur de brome en liquide. Après lavage, séchage et seconde distillation, on obtient du brome de qualité industrielle d'une pureté supérieure à 99,5 %.

II. Autres technologies d'extraction du brome et tendances de développement

Outre la méthode de soufflage d'air, les technologies industrielles d'extraction du brome comprennent la distillation à la vapeur et l'extraction par solvant, chacune ayant ses propres scénarios d'application et ses avantages.

1. Méthode de distillation à la vapeur

Cette méthode distille directement la saumure oxydée, séparant le brome de l'eau en fonction de leurs points d'ébullition différents. Cependant, elle ne convient qu'aux saumures à forte concentration en brome (≥ 3 kg/m³). Lorsque la concentration en brome est faible, la consommation de vapeur augmente fortement, entraînant des coûts économiques nettement supérieurs. Les premières colonnes de distillation utilisaient des colonnes à structure spéciale, remplacées ultérieurement par des colonnes à garnissage plus performantes. Les matériaux ont évolué, passant du granit et du grès aux colonnes métalliques à revêtement résistant aux acides.

2. Méthode d'extraction par solvant

Cette méthode tire parti de la solubilité beaucoup plus élevée du brome dans les solvants organiques (tels que le tétrachlorure de carbone et le benzène) que dans l'eau. Le brome est concentré par extraction en plusieurs étapes, suivie d'une étape de réextraction et de distillation pour obtenir le produit final. Grâce au développement des équipements d'extraction, l'extraction par solvant est progressivement devenue la méthode de choix, notamment pour le traitement des saumures faiblement concentrées. Elle présente des avantages tels qu'un procédé court et une faible consommation d'énergie, mais nécessite néanmoins une distillation pour la séparation finale.

3. Tendances en matière d'innovation dans les technologies vertes

Face à des exigences environnementales de plus en plus strictes, la technologie d'extraction du brome évolue vers des approches plus écologiques et intelligentes. Par exemple, le peroxyde d'hydrogène remplace le chlore gazeux comme oxydant, éliminant ainsi les risques pour la sécurité et l'environnement liés à l'utilisation de ce gaz à la source. La modélisation numérique et les systèmes de contrôle intelligents permettent d'optimiser les paramètres à chaque étape, améliorant ainsi l'efficacité énergétique et la stabilité de la production. Un modèle de production intégré, « extraction du brome à partir de la saumure – valorisation des ressources issues des sous-produits – recyclage de l'énergie », est mis en place pour une utilisation en cascade des ressources.

III. Applications industrielles et état de développement

Matière première chimique essentielle, le brome joue un rôle irremplaçable dans le système industriel moderne. Ses dérivés sont largement utilisés dans les retardateurs de flamme, les intermédiaires pharmaceutiques, les produits agrochimiques, les fluides de forage et d'autres domaines, et la demande du marché ne cesse de croître.

L'extraction de brome à partir de l'eau de mer à l'étranger a débuté en 1934. Des pays comme le Japon, la France et l'Argentine ont mis en place des usines d'extraction de brome performantes, avec une production annuelle mondiale d'environ 360 000 tonnes. La Chine a entamé ses travaux de recherche et développement en 1966 et a réussi, en 1967, à extraire directement le brome de l'eau de mer par la méthode d'insufflation d'air. Actuellement, des usines d'extraction de brome sont en activité à Qingdao, Lianyungang, Beihai et dans d'autres régions. En 2024, la première phase du projet de production de brome de 4 000 tonnes par an de la société Lancang est entrée en phase de production pilote. S'appuyant sur la chaîne industrielle « eau de refroidissement des centrales électriques – eau de mer dessalée – extraction de brome de l'eau de mer concentrée », le projet a permis d'atteindre une production annuelle de brome stable, extrayant quotidiennement 3,6 tonnes de brome à partir de 45 000 tonnes de saumure concentrée. Ce résultat témoigne de la maîtrise technique et du potentiel de développement de l'industrie chinoise de l'extraction de brome.

Les progrès constants réalisés dans le domaine de l'extraction du brome ont non seulement favorisé le développement de l'industrie chimique du brome, mais ont également ouvert la voie à une valorisation complète des ressources marines. Tout en garantissant l'approvisionnement en matières premières industrielles, ils contribuent à la mise en place d'un système industriel écologique et sobre en carbone.