Le cadmium est l’un de ces éléments chimiques qui occupent une place paradoxale dans notre monde industriel : indispensable dans de nombreuses applications technologiques, il est pourtant reconnu comme l’un des métaux lourds les plus dangereux pour la santé humaine et l’environnement.
Comprendre le cadmium dans toutes ses dimensions – scientifique, industrielle, toxicologique et réglementaire – est devenu un enjeu majeur pour les professionnels de la santé, de l’industrie et de l’environnement.
Qu’est-ce que le cadmium ? Définition et caractéristiques générales
Position dans le tableau périodique
Le cadmium est un élément chimique de symbole Cd et de numéro atomique 48. Il appartient au groupe 12 (anciennement IIB) du tableau périodique, aux côtés du zinc (Zn) et du mercure (Hg), avec lesquels il partage de nombreuses propriétés chimiques. Il fait partie de la période 5 et de la famille des métaux de transition.
Propriétés physiques du cadmium
Le cadmium se présente sous la forme d’un métal blanc-bleuté à l’éclat brillant, mou et malléable. Ses principales propriétés physiques sont :
- Masse atomique : 112,41 g/mol
- Point de fusion : 321,07 °C
- Point d’ébullition : 767 °C
- Densité : 8,65 g/cm³
- Dureté : très faible (1,2 sur l’échelle de Mohs)
- Conductivité électrique : bonne, bien qu’inférieure à celle du cuivre
Sa faible température de fusion en fait un matériau particulièrement recherché dans la fabrication d’alliages à bas point de fusion.
Propriétés chimiques du cadmium
Chimiquement, le cadmium est un métal relativement stable à température ambiante. Il présente plusieurs caractéristiques notables :
- Il s’oxyde lentement à l’air pour former une couche protectrice d’oxyde de cadmium (CdO)
- Il réagit avec les acides dilués pour libérer de l’hydrogène
- Son degré d’oxydation le plus courant est +2
- Il forme des composés colorés très stables, notamment avec le soufre (sulfure de cadmium jaune vif) et le sélénium (séléniure de cadmium rouge)
Les principaux isotopes du cadmium
Le cadmium possède 8 isotopes stables, ce qui en fait l’élément avec le plus grand nombre d’isotopes stables après l’étain. Parmi eux :
- ¹¹⁴Cd : l’isotope le plus abondant (28,73 %)
- ¹¹²Cd (24,13 %) et ¹¹⁰Cd (12,49 %) complètent le trio dominant
- Plusieurs isotopes radioactifs existent également, dont le ¹⁰⁹Cd, utilisé en médecine nucléaire diagnostique
Histoire et découverte du cadmium
Découverte par Friedrich Stromeyer en 1817
Le cadmium a été découvert en 1817 par le chimiste allemand Friedrich Stromeyer, alors qu’il inspectait des pharmacies au nom du gouvernement hanovrien. En analysant un carbonate de zinc impur (calamine), il remarqua une coloration jaune anormale et identifia un nouvel élément. Simultanément, Karl Samuel Leberecht Hermann et Karl Karsten firent la même découverte de manière indépendante.
Étymologie du nom « cadmium »
Le nom « cadmium » est dérivé du latin cadmia, lui-même issu du grec kadmeia, qui désignait la calamine (carbonate de zinc) — un minerai associé dans l’Antiquité à Cadmos, le héros mythologique fondateur de Thèbes. Ce lien étymologique reflète parfaitement la proximité géochimique entre le cadmium et le zinc.
Évolution de son exploitation industrielle
Longtemps considéré comme un simple sous-produit gênant du raffinage du zinc, le cadmium a progressivement trouvé ses lettres de noblesse industrielles :
- XIXe siècle : premières utilisations comme pigment jaune dans les arts
- Années 1940-1950 : essor du cadmiage (revêtement anticorrosion) dans l’aéronautique et la marine
- Années 1960-1980 : développement massif des batteries nickel-cadmium
- Fin du XXe siècle : émergence des préoccupations sanitaires et début des restrictions réglementaires
Origine et extraction du cadmium
Où trouve-t-on le cadmium dans la nature ?
Le cadmium est un élément relativement rare dans la croûte terrestre, avec une concentration moyenne d’environ 0,1 à 0,2 ppm. Il n’existe pratiquement pas à l’état natif. On le trouve principalement :
- Dans les minerais de zinc, sous forme de greenockite (CdS), son seul minéral propre
- En substitution isomorphe dans les minerais de zinc (sphalérite, smithsonite)
- En traces dans les minerais de plomb et de cuivre
Les principaux pays producteurs
La production mondiale de cadmium raffiné est étroitement liée à celle du zinc. Les principaux producteurs sont :
- Chine (premier producteur mondial, ~40 % de la production)
- Corée du Sud
- Japon
- Canada
- Inde
La production mondiale annuelle tourne autour de 22 000 à 25 000 tonnes.
Procédés d’extraction et de raffinage
Le cadmium est quasi exclusivement obtenu comme co-produit du raffinage du zinc :
- Le minerai de zinc est grillé pour produire de l’oxyde de zinc
- Les poussières de grillage, enrichies en cadmium, sont récupérées
- Elles sont traitées par lixiviation acide (acide sulfurique)
- Le cadmium est précipité par cémentation sur de la poudre de zinc
- Il est ensuite purifié par distillation ou électrolyse
Cadmium primaire vs cadmium recyclé
Une part croissante du cadmium disponible sur le marché provient du recyclage, notamment des batteries Ni-Cd en fin de vie. Cette filière représente un enjeu économique et environnemental majeur dans le cadre de l’économie circulaire.
Les utilisations du cadmium
Le cadmium trouve des applications dans des secteurs très variés, grâce à ses propriétés physico-chimiques spécifiques.
Batteries et accumulateurs nickel-cadmium (Ni-Cd)
C’est historiquement la principale application du cadmium (environ 80 % de la consommation mondiale). Les batteries Ni-Cd offrent :
- Une excellente durée de vie en cycles (500 à 1 000 cycles)
- Une bonne résistance aux températures extrêmes
- Une puissance de décharge élevée
Elles restent utilisées dans les outils sans fil professionnels, les équipements médicaux et les applications aéronautiques, malgré la montée en puissance des batteries lithium-ion.
Revêtements et galvanisation (cadmiage)
Le cadmiage consiste à déposer une couche mince de cadmium sur des métaux (acier, aluminium, cuivre) pour les protéger de la corrosion. Ses avantages :
- Excellente résistance à la corrosion en milieu marin et atmosphères salines
- Bonne résistance à la friction
- Propriétés lubrifiantes naturelles
Il est très utilisé dans l’aéronautique, la marine militaire et l’industrie pétrolière.
Pigments et colorants à base de cadmium
Les pigments à base de cadmium sont parmi les plus stables et les plus lumineux qui existent :
- Jaune de cadmium (sulfure de cadmium, CdS) : jaune à orange
- Rouge de cadmium (séléniure de cadmium, CdSe) : orange à rouge profond
- Orange de cadmium (sulfosélénure de cadmium)
Ces pigments sont très prisés dans les arts plastiques et les plastiques techniques pour leur résistance aux UV et à la chaleur.
Stabilisants pour le PVC
Les composés de cadmium (stéarates, laurates) ont longtemps été utilisés comme stabilisants thermiques dans la fabrication du PVC souple, pour retarder sa dégradation à la chaleur. L’Union européenne a largement restreint cet usage.
Alliages à bas point de fusion
Associé au bismuth, à l’indium ou à l’étain, le cadmium permet de fabriquer des alliages fusibles utilisés comme :
- Fusibles thermiques de sécurité
- Soudures à basse température
- Matériaux pour gabarits de formage
Cellules photovoltaïques (CdTe, CIS/CIGS)
Le tellurure de cadmium (CdTe) est un semi-conducteur utilisé dans la fabrication de panneaux solaires à couche mince. Avec un rendement acceptable et un coût de production faible, ces cellules représentent une part significative du marché du photovoltaïque mondial. Le CIGS (Cuivre-Indium-Gallium-Séléniure) contient également du cadmium.
Applications nucléaires : barres de contrôle
Le cadmium possède une section efficace de capture des neutrons thermiques exceptionnellement élevée. Il est donc utilisé comme matériau absorbeur dans :
- Les barres de contrôle des réacteurs nucléaires
- Les écrans de protection contre les neutrons
Semi-conducteurs et électronique
Le sulfure de cadmium (CdS) est utilisé dans les photorésistances (LDR) et les cellules photoconductrices, exploitant sa sensibilité à la lumière visible. L’iodure de cadmium (CdI₂) trouve des applications dans les détecteurs de rayonnement.
Cadmium et santé humaine : une toxicité bien documentée
Voies d’exposition au cadmium
L’être humain peut être exposé au cadmium par plusieurs voies :
- Voie alimentaire : principale source d’exposition pour la population générale (céréales, légumes, abats, crustacés)
- Voie respiratoire : inhalation de fumées ou de poussières en milieu professionnel
- Tabagisme : la cigarette est une source majeure d’exposition (une cigarette contient 1 à 2 µg de cadmium, dont ~10 % est absorbé par inhalation)
- Voie cutanée : marginale mais possible en contexte industriel
Effets aigus d’une intoxication au cadmium
Une exposition aiguë à des concentrations élevées (accidents industriels, soudage) peut provoquer :
- Par inhalation : pneumonie chimique, œdème pulmonaire pouvant être fatal
- Par ingestion : nausées, vomissements, douleurs abdominales, diarrhées
- Fièvre, céphalées, frissons (syndrome pseudo-grippal dit « fièvre des métaux »)
Effets chroniques : reins, os, poumons
L’exposition chronique à de faibles doses est la situation la plus préoccupante pour la santé publique. Les organes cibles sont :
Le rein – organe le plus sensible :
- Accumulation de cadmium dans le cortex rénal
- Dysfonction tubulaire précoce : protéinurie tubulaire, glycosurie
- Insuffisance rénale chronique à terme
Les os :
- Déminéralisation osseuse, ostéoporose, fragilité accrue
- Douleurs osseuses chroniques
Les poumons :
- Emphysème chez les travailleurs exposés par inhalation
La demi-vie biologique du cadmium dans le rein est estimée à 10 à 35 ans, ce qui en fait un polluant cumulatif particulièrement préoccupant.
La maladie Itai-itai : le cas emblématique du Japon
Dans les années 1950, la vallée de la rivière Jinzū (préfecture de Toyama, Japon) a été le théâtre de l’une des premières catastrophes sanitaires liées au cadmium. Des rejets industriels massifs ont contaminé les rizières et l’eau d’irrigation. La population locale, notamment les femmes ménopausées, a développé une pathologie sévère associant :
- Douleurs osseuses intenses (d’où le nom itai-itai : « aïe-aïe » en japonais)
- Fractures multiples spontanées
- Insuffisance rénale
Cet épisode a joué un rôle fondateur dans la prise de conscience mondiale des risques liés aux métaux lourds.
Cadmium et cancer : classification CIRC
Le Centre International de Recherche sur le Cancer (CIRC/IARC) classe le cadmium en Groupe 1 : cancérogène certain pour l’homme. Les cancers associés à une exposition prolongée sont principalement :
- Cancer du poumon (exposition professionnelle par inhalation)
- Cancer du rein
- Cancer de la prostate (données plus limitées)
Populations et travailleurs les plus exposés
- Travailleurs des industries de la métallurgie du zinc, du plomb et du cuivre
- Travailleurs de la fabrication de batteries Ni-Cd
- Agriculteurs utilisant des engrais phosphatés chargés en cadmium
- Fumeurs (exposition multiplée par 2 à 3 vs non-fumeurs)
- Populations vivant à proximité de sites industriels ou miniers
Cadmium et environnement
Sources de contamination des sols et de l’eau
Le cadmium présent dans l’environnement a des origines à la fois naturelles et anthropiques :
Sources naturelles :
- Érosion des roches et des minerais
- Émissions volcaniques
- Incendies de forêt
Sources anthropiques (majoritaires) :
- Industrie minière et métallurgique
- Combustion de combustibles fossiles
- Engrais phosphatés (contiennent naturellement du cadmium)
- Incinération des déchets
- Épandage de boues d’épuration
Cadmium dans l’alimentation : céréales, légumes, tabac
Le cadmium présent dans les sols est facilement absorbé par les plantes, notamment :
- Les céréales (blé, riz) : première source alimentaire en population générale
- Les légumes feuillus (épinards, laitue) et les légumes racines
- Les oléagineux (graines de tournesol, de lin)
- Les abats (foie, rein) qui bioaccumulent le cadmium
- Les fruits de mer et crustacés
Le tabac mérite une mention spéciale : le plant de tabac est un hyperaccumulateur de cadmium. La fumée de cigarette représente la source d’exposition la plus significative chez les fumeurs.
Bioaccumulation et chaîne trophique
Contrairement à certains polluants organiques, le cadmium se bioaccumule dans les organismes vivants mais ne se bioamplifie pas nécessairement dans toute la chaîne trophique. Il s’accumule préférentiellement dans :
- Les reins et le foie des animaux
- Les organes de filtration des mollusques bivalves (moules, huîtres)
- Certains champignons qui peuvent concentrer des teneurs très élevées
Impact sur la faune et la flore
- Faune aquatique : perturbation des fonctions rénales et osseuses chez les poissons, toxicité pour les invertébrés benthiques
- Flore : inhibition de la photosynthèse, stress oxydatif, perturbation de l’absorption des nutriments essentiels (zinc, calcium)
- Microbiote des sols : altération de la diversité microbienne, réduction des activités enzymatiques du sol
Réglementation et normes autour du cadmium
Directives européennes (RoHS, REACH, directive batteries)
L’Union européenne a progressivement renforcé l’encadrement du cadmium :
- Directive RoHS (2002/95/CE, révisée 2011/65/UE) : limite le cadmium à 0,01 % en poids dans les équipements électriques et électroniques
- Règlement REACH : soumet les composés de cadmium à autorisation ou restriction selon leur classification
- Directive Batteries (2006/66/CE, révisée par le règlement 2023/1542) : interdit les batteries Ni-Cd portables, sauf dérogations spécifiques (outils sans fil, systèmes d’urgence)
- Règlement (CE) n°1881/2006 : fixe les teneurs maximales en cadmium dans les denrées alimentaires
Valeurs limites d’exposition professionnelle (VLEP)
En France, les valeurs limites d’exposition professionnelle au cadmium sont fixées par décret :
- VLEP-8h (valeur limite de moyenne d’exposition) : 0,004 mg/m³ (soit 4 µg/m³)
- VLEP-CT (valeur limite court terme) : non établie en France, mais recommandée à 0,03 mg/m³ par certaines organisations
- Obligation de surveillance biologique des travailleurs exposés (dosage cadmium urinaire et bêta-2-microglobuline)
Normes alimentaires : seuils dans l’eau et les aliments
- Eau potable : 5 µg/L (norme européenne, directive 2020/2184)
- Céréales : 0,1 mg/kg (blé, riz) selon le règlement européen
- Légumes feuillus : 0,2 mg/kg
- Abats de bovins : 1,0 mg/kg (rein)
- Crustacés : 0,5 mg/kg
Réglementation française et rôle de l’ANSES
L’ANSES (Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail) joue un rôle central en France :
- Publication d’avis et d’évaluations des risques liés au cadmium
- Contribution à la définition des VTR (Valeurs Toxicologiques de Référence)
- Surveillance de l’exposition de la population via les études de l’alimentation totale (EAT)
Convention de Minamata et cadre international
La Convention de Minamata (2013), adoptée sous l’égide du PNUE et entrée en vigueur en 2017, vise principalement le mercure mais a inspiré un cadre de réflexion plus large sur les métaux lourds. Des instruments internationaux spécifiques au cadmium existent dans le cadre de :
- La Convention de Stockholm (polluants organiques persistants, approche élargie)
- Les recommandations de l’OMS sur les expositions alimentaires
- Les travaux du PNUE sur les métaux lourds dans l’environnement
Comment se protéger du cadmium ?
Prévention en milieu professionnel
La protection des travailleurs exposés repose sur une hiérarchie de mesures :
Mesures techniques et organisationnelles :
- Substitution du cadmium par des matériaux moins toxiques quand c’est possible
- Captage à la source des poussières et fumées (systèmes d’aspiration)
- Ventilation générale et locale efficace
- Enceintes fermées pour les procédés générant des aérosols
Équipements de protection individuelle (EPI) :
- Masque respiratoire à filtre P3 (filtration haute efficacité)
- Combinaison de protection, gants, lunettes
- Douche de décontamination à la sortie des zones exposées
Surveillance médicale :
- Suivi biologique régulier (cadmiurie, cadmiémie)
- Surveillance de la fonction rénale (bêta-2-microglobulinurie)
- Dossier médical de suivi à long terme
Bonnes pratiques alimentaires pour limiter l’exposition
Pour la population générale, quelques gestes permettent de réduire l’exposition alimentaire :
- Varier les sources alimentaires : ne pas consommer de manière excessive un seul type de céréale ou de légume
- Limiter la consommation d’abats (rognons, foie) à une à deux fois par mois
- Privilégier des légumes issus de sols non contaminés
- Ne pas fumer : c’est de loin le levier de réduction le plus efficace chez le fumeur
- Rincer abondamment les légumes et céréales avant consommation
Que faire en cas d’intoxication suspectée ?
En cas d’exposition aiguë accidentelle :
- Éloigner la personne de la source d’exposition
- Appeler le 15 (SAMU) ou le Centre Antipoison (0 800 59 59 59 en France)
- Ne pas provoquer de vomissements en cas d’ingestion sans avis médical
- Conserver tout élément permettant d’identifier la substance
Il n’existe pas d’antidote spécifique au cadmium. Le traitement est essentiellement symptomatique et de soutien. Les chélateurs (EDTA, DMSA) peuvent être utilisés dans certaines intoxications aiguës mais sont controversés en cas d’exposition chronique.
Alternatives et substitution du cadmium
Alternatives aux batteries Ni-Cd
Les batteries nickel-cadmium sont de plus en plus remplacées par :
| Technologie | Avantages | Inconvénients |
|---|---|---|
| Lithium-ion (Li-ion) | Haute densité énergétique, légèreté | Sensibilité aux températures extrêmes |
| Nickel-métal hydrure (NiMH) | Moins toxique, bonne capacité | Moins performant en décharge rapide |
| LiFePO₄ | Très sûr, longue durée de vie | Coût initial élevé |
Les Ni-Cd restent difficiles à remplacer dans certaines applications critiques (démarrage d’urgence d’avion, alimentations de secours industrielles).
Remplacement des pigments cadmium
Des alternatives existent mais présentent des compromis :
- Pigments azo organiques : moins stables à la chaleur et aux UV
- Oxydes mixtes de métaux (rutile, bismuth vanadate) : bonne stabilité mais spectre colorimétrique différent
- Pigments à base de cérium : en développement
Pour les applications artistiques haut de gamme, aucun substitut n’offre encore la même saturation et la même stabilité que les pigments cadmium, ce qui maintient une dérogation pour ce secteur.
Substituts dans les stabilisants PVC
Le cadmium a été largement remplacé dans les stabilisants PVC par :
- Les stabilisants calcium-zinc (Ca/Zn) : solution la plus répandue aujourd’hui
- Les stabilisants à base d’étain organique (limités en Europe pour certains usages)
- Les systèmes à base de baryum-zinc dans des applications spécifiques
Cadmium et économie circulaire
Recyclage des batteries contenant du cadmium
Le recyclage des batteries Ni-Cd est réglementé en Europe et organisé autour de filières agréées. Le processus implique :
- Collecte via les points de collecte dédiés (distributeurs, déchetteries)
- Démantèlement mécanique des batteries
- Traitement pyrométallurgique ou hydrométallurgique pour séparer le cadmium, le nickel et l’acier
- Raffinage du cadmium récupéré pour réutilisation
Le taux de collecte des batteries Ni-Cd en Europe dépasse 90 % grâce aux obligations réglementaires.
Collecte et filières de traitement en France
En France, la filière REP (Responsabilité Élargie du Producteur) batteries est gérée par des éco-organismes agréés comme Corepile et Screlec. Tout producteur ou importateur de batteries est tenu de :
- Financer la collecte et le recyclage
- Atteindre des taux de collecte minimaux fixés par la réglementation
- Assurer la traçabilité jusqu’aux installations de traitement agréées
Enjeux stratégiques : le cadmium comme co-produit du zinc
La production de cadmium est intimement liée à celle du zinc. Dans un contexte de transition énergétique, la demande de zinc (utilisé notamment dans la galvanisation des éoliennes et des structures métalliques) pourrait influencer la disponibilité du cadmium. Cela soulève des questions sur :
- La sécurité d’approvisionnement pour les applications critiques (nucléaire, aérospatiale)
- La valorisation optimale d’un co-produit dont la production ne peut pas être découplée de celle du zinc
- L’impact environnemental global de l’exploitation zincifère sur les émissions de cadmium
Le cadmium est-il radioactif ?
Le cadmium naturel n’est pas significativement radioactif. Il possède 8 isotopes stables. Certains isotopes artificiels (comme le ¹⁰⁹Cd) sont radioactifs et utilisés en recherche ou en médecine nucléaire, mais ils ne se trouvent pas dans l’environnement ou les applications industrielles courantes.
Quelle est la différence entre le cadmium et le zinc ?
Cadmium et zinc sont des voisins dans le tableau périodique, ce qui explique leur comportement chimique similaire. Les principales différences sont :
Le zinc est un oligo-élément essentiel pour l’être vivant ; le cadmium est un métal toxique sans rôle biologique connu
Le cadmium est beaucoup plus rare (facteur 1 000 environ)
Le cadmium a une toxicité rénale et carcinogène avérée ; le zinc est globalement sans danger aux doses alimentaires normales
Le cadmium est plus dense et a un point de fusion légèrement plus élevé
Comment détecter la présence de cadmium ?
La détection du cadmium peut se faire par différentes méthodes selon le milieu :
Eaux et sols : spectrométrie d’absorption atomique (SAA), spectrométrie de masse à plasma inductif (ICP-MS)
Surveillance biologique humaine : dosage de la cadmiurie (cadmium urinaire) et de la cadmiémie (cadmium sanguin)
Aliments : analyses en laboratoire accrédité par spectrométrie ICP-MS
Sur le terrain : kits colorimétriques (moins précis) ou fluorescence X portable
Le cadmium est-il interdit en Europe ?
Le cadmium n’est pas totalement interdit en Europe, mais son usage est fortement restreint dans de nombreux secteurs :
Interdit dans les batteries portables grand public (sauf dérogations)
Limité à 0,01 % dans les équipements électroniques (RoHS)
Restreint dans les pigments pour plastiques grand public, jouets et PVC
Autorisé sous conditions dans certaines applications industrielles critiques (aéronautique, nucléaire)
Les dérogations sont régulièrement réévaluées par la Commission européenne, avec une tendance générale à leur réduction progressive.