Élimination du cobalt des électrolytes de sulfate de zinc par cémentation électrochimique

Abstract

Le présent projet de recherche résulte d'un intérêt industriel manifesté par la compagnie Zinc Électrolytique du Canada Ltée située à Valleyfield au Québec (C.E.Zinc). L'objectif principal de la thèse était d'obtenir des résultats dans des conditions très proches de la réalité industrielle. Par conséquent, l'expérimentation a été réalisée en cuvée, dans un réacteur de type uniformément agité, en utilisant de la poussière de zinc et des solutions de teneur industrielle comme matières premières. La méthodologie expérimentale utilisée a été basée sur des schémas statistiques reconnus -30X-BEHNKEN et PLACKETT-BURMANN (38)- de manière à obtenir des résultats significatifs sur une large plage expérimentale. Ces analyses statistiques ont démontré que toutes les variables étudiées sont statistiquement importantes -Co,T,Zn,Sb,pH, temps de réaction- et que plusieurs interactions sont manifestes révélant la nature multifactorielle de la cémentation du cobalt. L'analyse de BOX-BEHKEN étant une surface de réponse, il a aussi été démontré que l'optimum d'épuration des solutions de sulfate de zinc se situe à la frontière de l'espace d'expérimentation. Pour une solution industrielle typique, celà implique les conditions suivantes: Co++= 6 mgil; .Zn++ = 170 gil; pH iniitial = 3.45; Sb= 1mgil; t = 90 min. Conjointement à l'analyse statistique, des échantillons de particules ont été soutirés du réacteur de manière à obtenir une analyse complète des dépôts cémentés par différentes techniques d'analyse de surface telles que: la microscopie électronique à balayage (SEM), l'infrarouge par transformée de Fourier (FTIR), la spectroscopie AUGER et la diffractométrie R-X. Ces analyses ont confirmé la présence d'une mince couche de sulfates basiques de zinc-~< 1 µ- recouvrant la surface du zinc et des dépôts de cobalt dont le composé majoritaire est le ZnSO4 • 3Zn(OH)2 • 4H20. Pour concilier les résultats des différentes approches statistiques et des analyses de surface des particules, un modèle phénoménologique faisant intervenir une étape de diffusion à l'intérieur d'un mince milieu poreux à été développé. Ce modèle a permis de démontrer que les résultats cinétiques sont compatibles avec la présence d'un dépôt de sulfates en surface. Cependant, la conclusion la plus importante du point de vue industriel est que l'efficacité de la poussière de zinc en regard du transport de matière convectif solide-fluide est très faible, variant typiquement entre 4% @ 14%, et atteignant un maximum de 23% avec contrôle de pH pendant la première heure de réaction. Ces derniers résultats indiquent que quelques soient les conditions chimiques, il existe une pellicule indélébile de sulfates basiques de zinc en surface limitant la réaction; les moyens uniquement chimiques d'obtenir une meilleure efficacité de la poussière de zinc apparaissent donc limités. Cette conclusion conduit nécessairement à suggérer un moyen physiquement abrasif in-situ pour libérer la surface métallique de cette contrainte. Différents types de technologies peuvent alors être suggérées telles que les lits fluidisés ou jaillissants, mais il est clair que leur niveau d'abrasion doit être contrôlé pour favoriser le décapage de la couche de sulfates sans abîmer les dépôts cémentés. Une troisième possibilité réside dans la génération d'ultrasons en solution qui permettraient un décapage continu de la surface réactionnelle moyennant l'atteinte du point critique de cavitation. De l'avis de l'auteur, il est certainement possible d'obtenir une meilleure performance de la poussière de zinc utilisée en cémentation par une technologie plus appropriée que celle utilisée actuellement. Évidemment, tout changement de technologie implique des coûts considérables et il serait au préalable recommandé d'étudier l'influence des différents types de réacteurs mentionnés plus haut et de l'interaction de cette nouvelle technologie avec les facteurs chimiques.