Les applications pratiques du décobaltage révèlent une optimisation inédite du rendement de précipitation du cobalt, tout en réduisant la consommation de magnésie. Cette étude innovante propose un outil décisionnel mathématique, essentiel pour transformer les procédés métallurgiques actuels.
CHAPITRE II. GENERALITES SUR LA PRECIPITATION DES METAUX ET LA MODELISATION PAR
L’APPROCHE DES PLANS COMPOSITES
Ce chapitre a deux volets, le premier volet donne un aperçu général sur la précipitation du cobalt et le second volet passe en revue les notions générales sur la modélisation par l’approche des plans d’expériences.
GENERALITES SUR LA PRECIPITATION DES METAUX
Les procédés métallurgiques de récupération du cobalt dépendent des types de minerais à traiter. Il en existe de multiples variantes, la plupart des procédés hydrométallurgiques utilisent la méthode de précipitation pour éliminer les impuretés avant d’obtenir le produit intermédiaire (hydroxyde de cobalt).
Equilibres de précipitation
On considère une solution aqueuse contenant des cations Cp+ et des anions Aq− qui sont susceptibles de former un précipité selon (Jean-Michel , et al., 2017) :
mCp+(aq) + nAq−(aq) ⇋ CmAn(s). | (II-1) |
- Si [Cp+]m[Aq−]n < KS, il n’y a pas précipitation et le système n’évolue pas, bien qu’il
soit hors d’équilibre.
- Si [Cp+]m[Aq−]n = KS, le système est à l’équilibre et il n’évolue pas (la solution est
saturée).
- Si [Cp+]m[Aq−]n > KS, il y a précipitation et formation de CmAn(s) jusqu’à atteindre
l’équilibre chimique.
Avec
- [Aq−]n : le quotient réactionnel, il est exprimé pour un temps donné ;
- KS : la constante d’équilibre.
Précipitation
La précipitation est un processus chimique dans lequel les cations métalliques et certains anions sont éliminés d’une solution par ajout d’un agent précipitant en les faisant passer d’un état dissous (solubilisé) à un état solide insoluble, appelé « précipité » (Lawrence, et al., 2004).
Dans les procédés hydrométallurgiques, le processus de précipitation est toujours suivi d’une séparation solide-liquide pour séparer le précipité de la solution.
Coprécipitation
La coprécipitation fait référence à l’élimination simultanée d’un ion avec un autre avec lequel il ne forme pas un précipité. Le mécanisme peut être provoqué par l’inclusion d’un ion comme impureté dans la structure cristalline de l’autre, l’adsorption d’un ion sur la surface des cristaux d’une autre molécule ou la précipitation au même pH de précipitation (Lawrence, et al., 2004).
Paramètres qui influencent la précipitation
La précipitation est un phénomène complexe qui est influencée par plusieurs paramètres, dans le cadre de notre travail, nous allons parler des paramètres importants qui influencent la précipitation, ces paramètres sont :
- La nature des espèces chimiques en solution ;
- Le pH de la solution ;
- La température ;
- Le temps ;
- L’agitation.
Nature des espèces chimiques en solution
Pour les protons en solution, plusieurs études montrent que les espèces chimiques en solution entrent en compétition les uns les autres pour les ions hydroxydes disponibles, cette tendance concurrentielle s’accentue avec la valence croissante de chaque métal en solution et la taille décroissante de l’atome (Lawrence, et al., 2004).
pH de la solution
Le pH est une mesure de l’acidité ou de la basicité d’une solution. Il influence la précipitation, c’est-à-dire la formation d’un solide insoluble à partir de deux solutions. Ainsi, la solubilité du métal diminue généralement à mesure que le pH augmente (concentration des ions hydroxydes
augment), c’est-à-dire qu’il y a qu’on favorise la formation d’un précipité (Lawrence, et al., 2004).
Température
En général, la solubilité des composés solides augmente avec la température. Cela signifie que plus la température est élevée, plus il faut de soluté pour saturer la solution. Si la température diminue, la solubilité diminue aussi, et il peut se produire une précipitation (sursaturation) si la concentration du soluté dépasse la limite de solubilité comme l’indique la Figure II-1 (Djoudi, 2021).
[4_applications-pratiques-du-decobaltage-primaire-etude-2023_3]
Figure II-1 : Influence de la température sur la solubilité
Temps
Le temps est un paramètre important dont dépend la précipitation, la formation des cristaux (précipité) commence d’abord par la nucléation et passe par la croissance avant d’atteindre la maturation, c’est au cours du temps que ce processus se déroule (Lawrence, et al., 2004).
Agitation
L’uniformité de la concentration au sein d’un mélange est avant tout un phénomène de diffusion turbulente. Une dispersion tout aussi efficace peut être obtenue grâce à une turbulence élevée, une vitesse d’agitation plus élevée favorise la formation d’agglomérats plus petits, plus poreux et avec une surface spécifique plus grande. Une vitesse d’agitation plus faible permet la formation d’agglomérats plus gros, plus denses et avec une surface spécifique plus faible. La
vitesse d’agitation peut aussi influencer le rendement et la pureté de la précipitation (Lawrence, et al., 2004).
Processus d’obtention des précipités métalliques
La qualité d’un précipité dépend de plusieurs facteurs notamment l’agent précipitant choisi. Ce dernier doit répondre à un certain nombre de critères sur le précipité formé : très peu soluble, aisément filtrable, sélectif et peu onéreux. Ce dernier doit pouvoir précipiter la quasi-totalité du métal désiré en solution et être sélectif afin d’éviter toute coprécipitation avec un autre métal (Joulié, 2015).
Précipitation des hydroxydes métalliques
La précipitation des hydroxydes est la plus couramment utilisée pour la récupération des métaux en solution, elle permet de récupérer entre autres le cobalt, le cuivre, le zinc, etc. Les agents précipitants utilisés pour cette méthode sont : Ca(OH)2 (la chaux éteinte), Mg(OH)2 (l’hydroxyde de magnésium), NaOH (la soude caustique) et NH4OH (l’ammoniaque). La précipitation des métaux sous la forme d’hydroxydes métalliques se fait suivant la réaction suivante (Djoudi, 2021) :
Mn+ + nOH− ⟶ M(OH)n(s) (aq) (aq) | (II-2) |
La soude caustique et la chaux sont les agents précipitants les plus utilisés en raison de leur faible coût. Cependant, malgré leur faible coût, ils présentent certains inconvénients, c’est pourquoi les industrielles préfèrent se tourner vers l’hydroxyde de magnésium plus onéreux pour récupérer d’une manière efficace le métal désiré (Djoudi, 2021).
Précipitation des carbonates métalliques
L’utilisation des carbonates comme agents précipitants permet de précipiter la plupart des métaux sous la forme de carbonates. La précipitation de carbonates métalliques se fait selon la réaction suivante :
M2+ ) + CO2− ) ⟶ MCO3(s) (aq 3(aq | (II-3) |
Les avantages liés à l’utilisation de carbonates comme agents précipitants sont multiples, entre autres la formation des cristaux ayant une bonne structure cristalline, l’utilisation des carbonates présente un déficit lié au manque de sélectivité lors de la précipitation (Pénéliau, 2015).
Précipitation des sulfures métalliques
L’utilisation des sulfures métalliques permet de récupérer les métaux sur une large plage de pH, l’obtention des sulfures métalliques se fait selon la réaction suivante (Pénéliau, 2015) :
M2+ + S2− → MS(s) | (II-4) |
L’utilisation de sulfures comme agents précipitants reste peu employée au niveau industriel, pour les raisons suivantes (Pénéliau, 2015) :
- La première concerne le précipité obtenu qui correspond à une suspension colloïdale à laquelle il est nécessaire d’additionner des coagulants-floculants afin de faciliter l’agrégation des sulfures et ainsi leur récupération ;
- Deuxièmement, le coût relativement élevé de ces agents de précipitation est une contrainte économique à son application dans l’industrie. C’est pourquoi ils ne sont utilisés qu’à des fins de finition ;
- Les agents précipitants les plus utilisés sont : NaHS (hydrogénosulfure de sodium) et H2S (sulfure d’hydrogène), l’utilisation de ces réactifs présentent des risques pour la santé humaine (Rumbu, 2012).
________________________
2 Définition donnée par l’article 62 de la loi sur les nouvelles régulations économiques (NRE) du 15 mai 2001. ↑
3 Auchan Les 4 Temps, La Défense. ↑
Questions Fréquemment Posées
Quels sont les facteurs qui influencent la précipitation du cobalt?
Les facteurs qui influencent la précipitation du cobalt incluent la nature des espèces chimiques en solution, le pH de la solution, la température, le temps et l’agitation.
Comment le pH affecte-t-il la précipitation des métaux?
Le pH influence la précipitation en affectant la solubilité du métal; généralement, la solubilité diminue à mesure que le pH augmente, favorisant ainsi la formation d’un précipité.
Qu’est-ce que la coprécipitation dans le processus de décobaltage?
La coprécipitation fait référence à l’élimination simultanée d’un ion avec un autre avec lequel il ne forme pas un précipité, souvent provoquée par l’inclusion d’un ion comme impureté dans la structure cristalline d’un autre.