HMD-PROD
Actuellement, avec l’avancée de la technologie, l’extraction des métaux non ferreux de hautes puretés à partir de leurs minerais ou concentrés se fait par deux voies, à savoir, hydrométallurgique (voie humide) ou par pyrométallurgique (voie sèche) selon la nature sous laquelle se trouve le métal à valoriser.
La production par voie pyrométallurgique des métaux, à partir des minerais ou concentrés sulfurés passe par un grillage oxydant ou à mort, puis, par une fusion pour matte et/ou réductrice, suivie de la conversion de la matte, tandis que les oxydés subissent directement, une fusion réductrice. Par contre, la voie hydrométallurgique exige de passer par un grillage éventuel, si le minerai est de nature sulfuré, dans le cas contraire, faire directement une mise en solution (lixiviation) des minéraux porteurs des métaux à valoriser, puis, faire une séparation solide-liquide avant l’extraction du métal par cémentation ou par extraction par solvant suivie de la dernière étape d’électro-extraction. Cette dernière étape, d’électrolyse d’extraction ou électro-extraction est cruciale et déterminative, car elle permet d’obtenir, par le passage du courant électrique dans l’électrolyte, un métal pur et commercialisable.
Définition et principe de l’électrolyse d’extraction
Définition
L’électrolyse est un processus d’échange au cours duquel l’énergie électrique est transformée en énergie chimique. La réaction à lieu dans une solution aqueuse d’un sel, d’un acide ou d’une base. Ladite solution est appelée électrolyte dans laquelle les ions doivent pouvoir circuler librement pour passer d’une électrode à une autre. Les deux électrodes sont reliées à un générateur de courant électrique.
Si l’on applique un courant électrique entre les deux électrodes, les ions positifs migrent jusqu’à la cathode pendant que les ions négatifs vont, par contre, migrer à l’anode. Les cations sont capables, en raison de leur valence, de capter des électrons. Ces derniers redeviennent un élément stable en perdant des électrons. Les anions réagissent de manière opposée en cas de contact avec l’anode. Ils cèdent leurs électrons (Hamid 2010, Kanda 2017).
Pour devenir un élément stable au niveau de l’électrode, les cations sont réduits et les anions oxydés selon la nature des ions ; le produit formé peut se déposer ou se dégager sur l’électrode (Hamid 2010).
Principe
Le principe de l’électrolyse d’extraction ou électro-extraction est basé sur l’électrolyse, il s’agit des réactions redox qui ne sont pas entretenues, mais, qui sont déclenchées par une source de courant externe, c’est-à-dire, laisser passer un courant électrique à travers un milieu ionisé entre deux électrodes pour provoquer une réaction chimique ne pouvant pas être initiée par elle-même (Mutombo 2005-2006).
Sur base de ce principe, l’électrolyse ne se passe que dans un milieu contenant assez d’ions. Pour illustrer cela, le courant électrique ne peut pas passer dans l’eau distillée par défaut d’ions de sels ou de minéraux dissous. Le facteur important déterminant la possibilité d’électrolyse en milieu aqueux est le potentiel de réduction par rapport à l’hydrogène.
Les métaux moins nobles que l’hydrogène ne seront jamais déposés par cette méthode à l’exception du zinc et du manganèse qui profitent de la surtension de dégagement de l’hydrogène (Mutombo 2005-2006).
Nature des électrodes
La nature de la cathode dépend de la nature du métal à extraire. C’est ainsi que l’on peut avoir une cathode de même nature que le métal à extraire si ses propriétés mécaniques le permettent. Dans le cas contraire, on utilise un autre métal permettant, par la suite, un stripage aisé (Mutombo 2005-2006).
Exemples :
– Electro-extraction du cuivre :
Anode : Pb-Sb (6%) ; et
Cathode : feuille de départ en cuivre ou en acier inoxydable.
– Electro-extraction du cobalt :
Anode : Co-Si-Al ou Co-Si-Mn ; et
Cathode : feuille en acier inoxydable A69.
– Electro-extraction du zinc :
Anode : Pb-Ag (1%) ; et
Cathode : Al.
Mécanisme de transport de matière
Solution et électrolyte support
Solution
Les phénomènes électrochimiques aux électrodes peuvent se compliquer si des réactions secondaires se produisent au sein de la solution (Winand 1971). Une solution électrolytique est une solution dans laquelle le soluté se présente partiellement ou complètement sous forme d’ions ; le comportement du soluté dans une solution aqueuse, en tant qu’entité cinétique, est complexe puisqu’il dépend, non seulement de la nature du soluté, mais, aussi, de sa concentration et de la présence d’autres espèces chimiques (Winand 1971).
Electrolyte support
L’électrolyte support est un composé ionique fortement dissocié de 100 à 1000 fois plus concentré que l’espèce électro active qui participe aux réactions d’électrodes. Ces ions doivent être électro-inactifs, c’est-à-dire, qu’ils ne doivent pas, dans les conditions expérimentales utilisées, participer aux réactions d’électrodes ou modifier la concentration des espèces qui y participent (Gorrec 2005).
L’électrolyte est choisi surtout pour obtenir une bonne conductivité, des faibles surtensions aux électrodes et faciliter la construction des cellules. Son prix joue peu car il n’est pratiquement pas consommé (Winand 1971). L’électrolyte doit avoir aussi un bon pouvoir de dispersion, c’est-à-dire, la quantité de métal déposée par unité de surface est la même dans toutes les régions de la cathode, indépendamment des distances séparant les régions de l’anode (Wilson 2011).
Des nombreux composés peuvent être utilisés comme électrolyte support. En électrochimie minérale, ces composés sont formés de l’association de cations et anions qui sont les acides forts (ou indifférents) ou les bases fortes (ou indifférentes) de couples acides bases.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : GENERALITES SUR L’ELECTRO-EXTRACTION
I.1 Définition et principe de l’électrolyse d’extraction
I.1.1 Définition
I.1.2 Principe
I.2 Nature des électrodes
I.3 Loi de production, rendement de courant et consommation spécifique d’énergie
I.3.1 Loi quantitative de faraday
I.3.2 Rendement de courant
I.3.3 Consommation spécifique d’énergie
I.4 Thermodynamique et cinétique électrochimique
I.4.1 Aspect thermodynamique
I.4.2 Aspect Cinétique
I.5 Mécanisme de transport de matière
I.5.1 Solution et électrolyte support
I.5.2 La conductivité d’une solution d’électrolyte
I.5.3 Types de mécanisme de transport de matière
I.6 Aspect liée à la qualité du dépôt
I.6.1 Captage de l’hydrogène par dépôt électrolytique
I.6.2 Fragilité des dépôts électrolytiques
I.6.3 Tension interne d’une cellule électrolytique
I.6.4 Adhérence du dépôt cathodique à la feuille de départ
I.7 Paramètres cinétiques de l’électrolyse
I.7.1 Influence de la composition de la solution
I.7.2 Influence de la densité de courant
I.7.3 Influence du débit de la circulation de la solution
I.7.4 Influence de l’acidité
I.7.5 Influence de la température
I.7.6 Résumé des paramètres de la salle d’électrolyse
I.8 Influence des impuretés
I.8.1 Le manganèse et le fer dans l’électrolyte de la salle d’électrolyse
I.8.2 Les ions chlorures dans l’électrolyte de la salle d’électrolyse
Chapitre II : NOTIONS THEORIQUES SUR LA METHODE DES PLANS D’EXPERIENCES : TAGUCHI ET ANOVA
II.1 Généralités sur les plans d’expériences
II.1.1 Définition
II.1.2 Les plans d’expériences par rapport à la méthode par tâtonnement
II.1.3 Définitions de base
II.1.4 Stratégie des plans d’expériences
II.1.5 Plans d’expériences usuels et optimisés
II.2 Conception robuste et la méthode de Taguchi
II.2.1 La méthode de Taguchi
II.2.2 La robustesse (ratio signal/bruit)
II.2.3 Loi de prédiction
II.2.4 Analyse graphique du modèle
II.3 Analyse des variances (ANOVA)
II.3.1 Introduction
II.3.2 Etapes d’une analyse de variance
Chapitre III : PROTOCOLE EXPERIMENTAL
III.1 Echantillonnage et analyses chimiques de la solution utilisée
III.2 Matériels et mode opératoire
III.2.1 Matériels, réactifs et appareils
III.2.2 Mode opératoire
III.2.3 Montage expérimental
III.3 Paramètres et niveaux des facteurs en valeurs quantitatives
III.4 Présentation de la matrice orthogonale
Chapitre IV : PRESENTATION, ANALYSE ET INTERPRETATION DES RESULTATS EXPERIMENTAUX
IV.1 Optimisation des paramètres physico-chimiques étudiés par Taguchi
IV.2 Analyse statistique du modèle
IV.3 Analyses des interactions entre paramètres
IV.4 Prédiction de la performance optimale
IV.5 Essai de vérification
CONCLUSION GENERALE
