En laboratoire
Le dioxygène peut être préparé par électrolyse de l'eau, mais cette technique est lente et couteuse en énergie. Un moyen de libérer rapidement une grande quantité de dioxygène est de dissoudre des pastilles d'oxylithe Na2O2. On utilise aujourd'hui le dioxygène à l'état liquide pour les applications médicales et industrielles.
Production industrielle
Le dioxygène est obtenu de manière industrielle principalement (à 95 %) par séparation cryogénique des composés de l'air, c'est-à-dire par une liquéfaction de l'air suivie d'une distillation fractionnée.
Les températures critiques du diazote N2 (tc = -146,9 °C) et du dioxygène O2 (tc = -118,4 °C) ne permettent pas la liquéfaction de l'air par simple compression. L'air doit donc être comprimé entre 5 et 7 bar, puis filtré, séché, décarbonaté par adsorption sur tamis moléculaire et enfin refroidi par échange thermique entre le gaz entrant et les gaz liquéfiés. Les pertes frigorifiques sont compensées par une détente de 5 à 10 % du débit gazeux traité, dans une turbine dont le travail extérieur est récupérable.
La distillation, dans le procédé le plus utilisé, est effectuée dans une double colonne qui permet d'obtenir, en continu, des gaz purs. La première colonne (moyenne pression, 5 bar) réalise une première séparation de l'air en diazote gazeux pur (à 99,999 %) au sommet et un liquide riche en dioxygène (environ 40 %), à la base. Ce liquide est alors envoyé à mi-hauteur de la deuxième colonne de distillation (basse pression, 1,3 bar). Le dioxygène O2 entre 99,5 % et 99,7 % est récupéré à la base de cette deuxième colonne. Il contient moins de 1 ppm de diazote, la principale impureté est l'argon.
Les colonnes de distillation ont entre 1 et 6 m de diamètre, et mesurent de 15 à 25 m de hauteur. Elles sont en acier inoxydable ou en aluminium et comportent une centaine de plateaux. L'isolation thermique est réalisée avec de la perlite (sable de silice expansé). Le maintien en température des colonnes ne consomme que 6 à 7 % de l'énergie totale dépensée.
La consommation en énergie est de 0,4 kWh⋅m de dioxygène O2 gazeux, soit de 50 à 60 % du prix de revient.
Environ 5 % du dioxygène industriel est produit par un autre procédé, non cryogénique, appelé VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption) ou adsorption par alternance de pression et de vide.
L'air ambiant est séché et épuré par filtration, puis passe dans une colonne de zéolithes qui adsorbent plus rapidement le diazote N2 que le dioxygène O2. Les zéolites peuvent fixer 10 litres de diazote par kilogramme. Lorsqu'elles sont saturées, l'air est envoyé sur une seconde colonne, pendant que le diazote de la première colonne désorbe sous vide. La pureté de dioxygène obtenu ainsi par élimination du diazote de l'air peut atteindre 90 à 95 %. Ce dioxygène contient encore 4,5 % d'argon qui comme le dioxygène n'est pas adsorbé. La consommation d'énergie est de 0,4 à 0,5 kWh⋅m de dioxygène. Cette méthode est de plus en plus employée dans les procédés industriels dont les besoins sont inférieurs à 100 tonnes/jour, ainsi que dans les respirateurs utilisés à domicile.
L'oxygène produit est transporté :
- sous forme liquide ou gazeuse par des canalisations appelées oxyducs ou oxygénoducs ;
- sous forme gazeuse comprimée dans des bouteilles ou réservoirs en acier à 200 bar ;
- sous forme liquide, en camions citernes.
En 1995, huit compagnies dans le monde fabriquaient la quasi totalité de l'oxygène industriel :
- Air liquide (France) : 17 %
- BOC (Royaume-Uni) : 14 % (racheté par Linde en 2006)
- Praxair (États-Unis) : 14 %
- Air Products (États-Unis) : 8 %
- Nippon Sanso (Japon) : 7 %
- AGA (Suède) : 7 % (racheté par Linde en 2000)
- Messer (Allemagne) : 6 %
- Linde (Allemagne) : 6 %
Les principaux pays producteurs en 1996, étaient :
- États-Unis : 27 millions de tonnes
- Japon : 12,7 millions de tonnes
- France : 3,23 millions de tonnes
Dans le monde, la production totale était de l'ordre de 100 millions de tonnes en 1996, soit ⁄10 millionième du dioxygène de l'atmosphère.
