Brevet FR2244837A1 — publié le 19750418

La présente invention est relative a un procédé nouveau, améliorant le rendement d'épuration du mercure en impuretés métalliques, notamment en fer. Une des principales applications industrielles du mercure est son utilisation dans les installations de production de chlore et de soude caustique, coni- portant des cellules d'électrolyse a cathode de mercure. Dans ces installations, le mercure circule en navette et se charge progressivement d'impuretés métalliques qui, déjà pour de faibles teneurs, peuvent perturber l'électrolyse. Le fer constitue une impureté particulierement pernicieuse du mercure. I1 abaisse en effet la surtension de l'hydrogene sur le mercure, et risque ainsi de provoquer, dans la cellule, un dégagement d'hydrogene a la cathode de mercure, susceptible de conduire a la formation d'un mélange détonant avec le chlore dégagé aux anodes. La présence de fer dans le mercure est par ailleurs une des causes de formation de gros mercure. Celui-ci peut adhérer a la sole de la cellule et perturber, de ce fait, la bonne marche de ltelectrolyse. On a déjà proposé d'épurer du mercure par voie électrolytique. A cet effet, dans le brevet français 993 646 du 22.8.1949 au nom de la Demanderesse, on propose de polariser anodiquement le mercure a épurer, en présente d'une solution de soude caustique, en imposant un courant électrique d'intensité constante entre le mercure et une cathode en graphite. En pratique, ce procédé connu s est toutefois avéré insuffisant, ne permettant pas une épuration poussée du mercure et entraînant en outre une perte appréciable de mercurepar oxydation de celui-ci. Par ailleurs, dans ce procédé connu, le processus d'oxydation anodique des impuretés du mercure est extrémement lent, par suite d'un effet de blocage inhérent au recouvrement du mercure par des composés mercureux et/ou mercuriques. Un autre désavantage de ce procédé connu réside dans la difficulté d'évacuer les impuretés oxydées. Celles-ci se rassemblent en effet a ltétat d'une substance sirupeuse ou croûteuse, adhérant a la surface du mercure épuré, de sorte que leur évacuation provoque inévitablement une perte appréciable en mercure. L'application pratique de ce procédé est par conséquent difficilement réalisable. La présente invention remédie à ces inconvénients. A cet effet, confor mément à l'invention, on polarise anodiquement le mercure en présence d'un électrolyte, au moyen d'une onde électrique périodique dont on maintient une composante continue à une valeur sensiblement constante. Le procédé suivant l'invention peut etre réalisé dans une enceinte contenant le mercure à épurer, l'électrolyte et une cathode en un matériau inaltérable par l'électrolyte à une température inférieure à sa température d'ébul lition, par exemple en platine. La programmation électrique peut être réalisée au moyen d'un circuit potentiostatique. A l'issue du procédé suivant l'invention, on recueille dans l'enceinte deux phases superposées. La phase supérieure est constituée par l'électrolyte, dans lequel les impuretés du mercure, oxydées superficiellement, sont rassemblées à l'état colloldal. La phase inférieure est constituée par du mercure d'aspect brillant, de grande pureté, à la surface duquel surnage une mince pellicule d'impuretés oxydées. La phase colloïdale supérieure, relativement stable et contenant la majo rité des impuretés du mercure, peut.être évacuée facilement, par exemple en séparant cette phase supérieure de la phase inférieure par décantation ou filtration, ou en entraînant ladite phase supérieure au moyen d'un courant d'électrolyte. D'une manière générale, la teneur en impuretés résiduaires de la phase inférieure, constituée essentiellement de mercure, est exceptionnellement basse, étant donné la faible importance de la pellicule d'impuretés oxydées qui surnage sur le mercure épuré. En cas de besoin, il est facile d'éliminer les impuretés oxydées, rassemblées dans cette pellicule, en soumettant simplement l'ensemble de la phase inférieure à une filtration. Le procédé suivant l'invention présente par conséquent l'avantage appréciable d'assurer une épuration aisée et poussée du mercure en impuretés métalliques moins nobles que le mercure, tout en limitant à une valeur très faible les pertes en mercure. Un autre avantage du procédé suivant l'invention réside dans la grande rapidité du processus d'oxydation anodique des impuretés, qui ne requiert en général-que quelques minutes. Cette particularité avantageuse, combinée à la grande facilité d'évacuation des impuretés oxydées et à la perte négligeable en mercure, est de nature à faciliter l'incorporation du procédé suivant l'invention dans une installation industrielle d'électrolyse à cathode de mercure. Dans le procédé suivant l'invention, l'onde électrique périodique peut être de forme quelconque, par exemple sinusoldale, triangulaire, rectangulaire ou carrée, ou résulter d'une combinaison de deux ou plusieurs de ces formes d'onde. Elle peut être un courant périodique dont on maintient la composante continue sensiblement constante, ou un potentiel périodique dont on maintient la composante continue sensiblement constante par rapport au potentiel d'une électrode de référence. La fréquence de l'onde électrique périodique ne paraît pas critique. Elle peut être comprise, par exemple, entre 5 et 100 000 Hz. Pour des raisons d'ordre pratique, il est avantageux de la fixer à 50 nu 60 Hz. Dans le procédé suivant l'invention, l'électrolyte peut consister en une solution aqueuse présentant avantageusement un pH supérieur à 7, de préférence supérieur à 12, par exemple égal à 14. En variante, le procédé suivant l'invention peut néanmoins être réalisé en présence d'un électrolyte non aqueux, ou en milieu mixte contenant des solvants organiques et de l'eau. Dans une forme de réalisation particulière du procédé suivant l'invention, l'onde électrique périodique est un potentiel périodique qui comprend une composante continue comprise sensiblement entre -700 et + 100 mV, par rapport au potentiel de 11 électrode au calomel saturé, et qui présente une amplitude, mesurée de crête à crête, sensiblement comprise entre 100 et 1500 mV, de préférence entre 200 et 800 mV. Dans cette forme de réalisation du procédé suivant l'invention, on a constaté qu'il était préférable de fixer la composante continue du -potentiel périodique à une valeur comprise entre -500 et -200 mV par rapport au potentiel de l'électrode au calomel saturé, de manière à obtenir un rendement d'épuration élevé, tout en maintenant la perte en mercure à une valeur négligeable. Selon une variante avantageuse de cette forme de réalisation du procédé suivant l'invention, la composante continue du potentiel périodique est sensiblement égale à -275 mV par rapport au potentiel de l'électrode au calomel saturé, et son amplitude, mesurée de crête à crête, est sensiblement comprise entre 450 et 700 mV, de préférence égale à 500 mV. Suivant une autre variante avantageuse de ladite forme de réalisation particulière du procédé selon l'invention, le potentiel périodique présente une amplitude, mesurée de crête à crête, sensiblement égale à 600 mV, et sa composante continue est sensiblement comprise entre -450 et -250 mV par rapport au potentiel de l'électrode au calomel saturé. Toutes autres choses égales, ces deux dernières variantes du procédé suivant l'invention lui confèrent une efficacité optimum, plus particulièrement dans le cas de ltépuration du mercure en fer. Elles présentent l'avantage supplémentaire de transférer la majeure partie des impuretés métalliques extraites du mercure, dans la phase supérieure colloïdale susdite, et de faciliter ainsi leur évacuation. Dans une autre forme de réalisation particulière du procédé suivant l'invention, l'onde périodique est un courant périodique comprenant une composante continue sensiblement nulle et une amplitude, mesurée entre crêtes, sensiblement comprise entre 200 et 1000 mA. L'intérêt du procédé suivant l'invention apparaîtra au cours de la descrip tion suivante de quelques exemples d'épuration de mercure en fer et le cas échéant, en cuivre, nickel et plomb. Pour chacun de ces exemples, on a fait usage d'une cellule d'électrolyse de laboratoire, comprenant une cathode constituée d'un fil de platine et une anode constituée par une nappe du mercure à épurer, de 75cm2 de surface. On a utilisé comme électrolyte, une solution molaire de soude caustique, à température ambiante, sauf à l'exemple 11, où on a ajouté 10 % d'alcool éthylique à la solution de soude caustique. La nappe de mercure a été maintenue en faible agitation pendant toute la durée de l'électrolyse. A l'issue de l'électrolyse, on a recueilli dans la cellule, les deux phases superposées précitées. Pour évaluer l'efficacité de l'épuration, on a relevé, pour chaque exemple et pour chaque impureté métallique - le rendement colloïdal, représentant la fraction de l'impureté transférée du mercure dans la phase supérieure colloldale précitée ; - le rendement total, représentant la fraction de l'impureté transférée du mercure dans la phase supérieure colloldale et dans la pellicule précitée d'impuretés oxydées, qui surnage sur le mercure épuré. Le rendement colloïdal représente l'aptitude du procédé à permettre I'ontion de mercure pur, par simple évacuation de la phase supérieure collol- dale, par exemple par entraînement de celle-ci au moyen d'un courantd'électro- lyte, ou par séparation mécanique de cette phase supérieure et de la phase inférieure. Le rendement total représente l'aptitude du procédé à permettre l'obten- tion de mercure pur, par évacuation de la phase supérieure colloidale et séparation subséquente des impuretés oxydées, rassemblées dans la pellicule surnageant sur le mercure épuré. Dans la suite du présent mémoire, ces rendements sont exprimés en pour cent du poids de l'impureté contenue dans le mercure soumis à l'épuration. Première série d'essais Au moyen d'un potentiostat, on a imposé un potentiel continu entre l'anode de mercure à épurer et une électrode de référence au calomel saturé. Chaque essai a duré cinq minutes. Dans les exemples qui vont suivre, les potentiels continus sont exprimés par rapport au potentiel de l'électrode au calomel saturé. Exemple 1 On a soumis à l'épuration 378 g de mercure, contenant 250,6 mg de fer. Pendant l'électrolyse, l'anode de mercure a été maintenue à un potentiel continu constant, égal à -600 mV. A l'issue de essai, on a relevé, pour ltépu- ration en fer,respectivement un rendement colloldal égal à 0,2 % et un rendement total égal à 46,1 %. Exemple 2 On a introduit dans la cellule 557,5 g de mercure à épurer, contenant 368,9 mg de fer. - On a maintenu l'anode de mercure a un potentiel continu constant de -400 mV pendant toute la durée de l'électrolyse. L'épuration du mercure en fer a été caractérisée par un rendement colloïdal de 7,8 Z et un rendement total de 29,7 Z. Exemple 3 On a traité -dans la cellule 316,5 g de mercure contenant I,33 mg de fer. Pendant l'électrolyse, on- a imposé à l'anode de mercure un potentiel continu constant, égal à + 100 mV, et on a relevé, à l'issue de l'essai, un rendement colloïdal d'épuration en fer égal à 23 % et un rendement total égal à 55,8 Z. Dans cet essai, la perte en mercure s' est avérée particulièrement importante, la solution de soude caustique contenant, à l'issue de l'essai, 184 mg de mercure par litre. Deuxième série d'essais Conformément à l'invention, on a imposé, entre l'anode de mercure à épurer et une électrode de référence au calomel saturé, un programme de tension périodique comprenant une composante continue, en utilisant à cet effet un potentiostat. Dans les exemples qui vont suivre, les potentiels continus de l'anode sont exprimés par rapport au potentiel de l'électrode au calomel saturé. Exemple4 On a traité 425,5 g de mercure contenant 267,6 mg de fer. On a imposé a l'anode de mercure un potentiel périodique de 50 Hz comprenant une composante continue égale à -300 mV et présentant une amplitude de 1000 mV, mesurée de crête à crête. A l'issue de l'essai, qui a duré cinq minutes, on a relevé un rendement colloïdal d'épuration en fer égal à 31,1 Z et un rendement total de 92,3 %. Exemple 5 On a introduit dans la cellule 471 ,5 g de mercure, contenant 288 mg de fer. L'anode a été le siège d'un potentiel périodique de 50 Hz comprenant une composante continue de -350 mV et une amplitude entre crêtes, égale à 1300 mV. Cet essai, qui a duré cinq minutes, a té caractérisé par un rendement colloïdal d'épuration en fer de 31,3 % et un rendement total de 76,6 %. Exemple 6 On a soumis à l'épuration, pendant cinq minutes, 482 g de mercure contenant 2,66 mg de fer. On a soumis l'anode de mercure à un potentiel périodique de 50 Hz comprenant une composante continue de + 50 mV et présentant une amplitude, mesurée de crête à crête, égale à 100 mV. L'épuration du mercure en fer correspond à un rendement colle'dal de 56,3 % et un rendement total de 59 %. Exemple 7 On a épuré, conformément à l'invention, 366,5 g de mercure contenant 41,8 mg de fer. L'anode de mercure a été le siège d'un potentiel périodique caractérisé par une fréquence de 50 Hz, une composante continue égale à -275 mV et une amplitude de crete à crête, égale à 450 mV. Pendant l'essai (cinq minutes), le courant d'électrolyse a décrû régulièrement de 150 à 25 mA. Les rendements colloldal et total de l'épuration en fer sont égaux respectivement à 85,8 % et 89,9 %. La phase supérieure collol- dale, étudiée dans ce cas particulier, comporte une teneur en mercure ionique égale à 0,77 mg/l, ce qui correspond à une perte en mercure excessivement faible. Exemple 8 On a appliqué le procédé suivant l'invention à l'épuration de 527,7 g de mercure contenant 23,2 mg de fer. Pendant l'essai, on a imposé à l'anode de mercure un potentiel périodique de 50 Hz, présentant une composante continue de -250 mV et une amplitude de crête à crête, égale à 700 mV. A tLissue des cinq minutes d'essai, on a relevé un rendement colle'dal d'épuration en fer égal à 42,8 % et un rendement total d'épuration en fer, égal à 69,5 %. Exemple 9 On a soumis à l'épuration 652,5 g de mercure, contenant 31,7 mg de fer. On a imposé à l'anode de mercure un potentiel périodique de 50 Hz comprenant une composante continue égale à -200 mV et présentant une amplitude entre crêtes de 400 mV. A l'issue de l'essai (cinq minutes), on a relevé, pour l'épuration en fer, un rendement colloldal de 45,4 Z t un rendement total de 51 51,9 %. Exemple 10 On a procédé pendant cinq minutes à l'épuration de 409,5 g de mercure contenant 159 mg de fer. L'anode de mercure a été le siège d'un potentiel périodique de 50 Hz comprenant une composante continue de -400 mV et une amplitude de crete à crete de 600 mV. Les rendements de l'épuration en fer sont égaux respectivement à 57,3 % pour le rendement colloldal et à 86,6 % pour le rendement total. Exemple 11 On a épuré 501 g de mercure contenant 27,1 mg de fer, en présence d'un électrolyte contenant 90 % en poids d'une solution molaire de soude caustique et 10 Z en poids d'alcool éthylique. Pendant l'épuration, qui a duré 15 minutes, on a imposé à l'anode de mercure, un potentiel périodique de 50 Hz, comprenant une composante continue de -275 mV et une amplitude de crête à crete égale à 500 mV. L'épuration du mercure en fer a été caractérisée par un rendement colloïdal de 55,56 Z et un rendement total de 87,04 %. Exemple 12 On a épuré 905 g de mercure contenant 60,45 mg de fer, en imposant à l'anode de mercure un potentiel périodique de 50 Hz comprenant une composante continue égale à -275 mV et présentant une amplitude de 500 mV entre cretes. Après 5 minutes d'épuration, on a relevé un rendement colloïdal d'épuration en fer égal à 84,4 Z et un rendement total égal à 96 %. Après 10 minutes d'épuration, ces rendements sont devenus égaux respectivement à 96,7 % et 99 Z ; après quinze minutes, ils se sont élevés respectivement à 99,1 % et 99,5 % et, après vingt minutes, à 99,2 % et 99,95 %. Exemple 13 On a soumis à l1épuration 653 g de mercure contenant 64 mg de fer, 23,2 mg de cuivre, 5,4 mg de nickel et 78,5 mg de plomb. On a imposé à l'anode de mercure un potentiel périodique de 5 Hz, comprenant une composante continue de -275 mV et une amplitude de crête à crête égale à 500 mV. -A-l'issue de l'essai, qui a duré quinze minutes, on a relevé des rendements colloïdaux de 46,94 % pour l'épuration en fer, de 98,37 Z pour l'épuration en cuivre, de 97,09 Z pour l'épuration en nickel et de 99,78 Z pour 11 épuration en plomb. Les rendements totaux des épurations en ces quatre éléments ont été respectivement égaux à 86,73 %, 99,63 Z, 99,27 %, et 99,96 %. Exemple 14 On a soumis à l'épuration 624 g de mercure, contenant 59,3 mg de fer, 13,6 mg de cuivre, 1,5 mg de nickel et 43,8 mg de plomb. On a imposé péndant quinze minutes, à l'anode de mercure, un potentiel périodique de 5kHz présentant une composante continue de -275 mV et une amplitude de 500 mV entre crêtes. A l'issue de l'essai, on a relevé, pour les quatre impuretés précitées, des rendements colloïdaux d'épuration respectivement égaux à 16,84 Z, 96,64 %, 85,11 Z et 99,66 %. Les rendements totaux d'épuration en ces quatre éléments ont été respectivement égaux à 90,53 %, 99,40 %, 98,30 % et 99,94 Z. Troisième série d'essais On a imposé entre l'anode de mercure et la cathode, conformément à l'inven- tion, un programme de courant alternatif de 50 Hz, dont la composante continue est nulle. Exemple 15 On a traité 480 g de mercure contenant 2,88 mg de fer, 1,18 mg de cuivre, 0,49 mg de nickel et 0,96 mg de plomb. Le courant alternatif utilisé présentait une amplitude de 600 ma entre crêtes. A l'issue de l'essai, qui a duré quinze minutes, on a relevé, respectivement pour l'épuration en fer, en cuivre, en nickel et en plomb, des rendements colloldaux égaux à 73,33 % , 98,81 %, 96,58 % et 99,70 %. Les rendements totaux d'épuration du mercure en ces quatre impuretés se sont élevés respectivement à 83,43 %, 98,33 %, 99,21 59 et 98,81 Z. Exemple 16 On a traité 549 g de mercure contenant 53,25 mg de fer, 2,59 mg de cuivre, 3,47 mg de nickel et 5,62 mg de plomb. Le courant alternatif utilisé présentait une amplitude de 1000mA entre crêtes. A l'issue de l'essai, qui a duré quinze minutes, on a relevé, pour l'épuration en fer, en cuivre, en nickel et en plomb des rendements colloidaux égaux respectivement à 28,87 %, 80,51 %, 94,94 % et 97,75 %. Les rendements totaux d'épuration en ces quatre impuretés se sont élevés respectivement à 80,41 %, 90,68 %, 98,58 % et 99,71 %. o o N o X R H ^ o a X v v Y Y Y Y Y r 4J1H }4 w v X H 0 Hg Fe total f - b (mg) continu périodiqne: frquence l'essai en fer U} X ~ i o s uz D O e Ô (mV > uR (Hz) n as ca CD e u N u)- O\ a mP) P1 m 4 qs r ~ en n U X C H cq I 3 ç O ^ 316 > 5 1 > 33 m m N - - 5 2S 55,8 184 g 425,5 267,6 b X e 50 5 31,1 92,3 1 Ce Q 9 > 7 366 > 5 41,8 -275 450 50 5 85 > 8 89,9 1 8 527,7 X Uz o 50 5 UE U) 1 9 652 > 5 31,7 -200 400 50 X C Wrl Il 501 27,1 -275 500 50 15 55,56 87,04 12 905 OOOOOOOOOU\O SN 00 13 N I I 64 -275 UE m 15 46,94 86 > 73 0 SJ q4 44 . ql Courant al amplitude fréquence fa sP | A aTif 50 15 73,33 83,43 -rl h O 0 0 0 0 O rn o o o Ir > ur In rn c v ,4 O O O O O O UE O Q O UE 4J p o o o o uN o o b b N ro a g s e X X cs 0uv X X erl sD m m O bO as e sD ç b w* e JJ wi o x N o as e ZD uz &commat; sD ^ Ul > n cs cs ~ un tO N sD un ~ es N cs ~ m etl O as n \~ N u v O O O un en UE o &commat; w 0u aldmaxa st un s N en o es en e ur D Les exemples qui précèdent font ressortir I'amélioration sensible apportée par l'invention à ltépuration du mercure en impuretés métalliques, notamment en fer.On constate par ailleurs que le procédé suivant l'invention est applicable avec succès, quelle que soit la concentration des impuretés métalliques dans le mercure à épurer. Le tableau précédent montre en outre qu'un avantage particulièrement intéressant du procédé suivant l'invention réside dans la possibilité d'obtenir des rendements d'épuration élevés, tout en maintenant les pertes en mercure audessous d'une valeur négligeable. Avant la présente invention, ces propriétés étaient jugées contradictoires, des rendements d'épuration acceptables n'étant possible qu'au détriment d'une perte importante en mercure. La présente invention n'est évidemment pas limitée éxclusivement aux quelques exemples d'application qui précèdent, ni aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites. De nombreuses modifications peuvent y être apportées, pour autant qu'elles ne soient pas en contradiction avec chacune des revendications suivantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'épuration de mercure en impuretés métalliques, suivant lequel on polarise anodiquement le mercure en présence d'un électrolyte, caractérisé en ce quton polarise le mercure au moyen d'une onde électrique périodique dont on maintient une composante continue à une valeur sensiblement constante. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'onde périodique est un courant périodique, dont on maintient la composante continue sensiblement constante 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'onde périodique est un potentiel périodique dont on maintient la composante continue sensiblement constante par rapport au potentiel d'une électrode de référence. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'onde périodique est programmée au moyen d'un circuit potentiostatique. 5 - Procédé suivant lsune quelconque des revendications 1 à4, caractérisé en ce que l'électrolyte est une solution aqueuse ayant un pH supérieur à 7. 6 - Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le pH de la solution aqueuse est supérieur à 12, de préférence sensiblement égal à 14. 7 - Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la solution aqueuse est une solution de soude caustique. 8 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'onde électrique périodique comprend une composante sinusolda-le. 9 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'onde électrique périodique comprend une composante rectangulaire ou carrée. 10 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'onde électrique périodique comprend une composante triangulaire. 11 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10caractérise en ce que l'onde électrique périodique a une fréquence sensiblement comprise entre 5 et 100 000 Hz. 12 - Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que l'onde périodique a une fréquence sensiblement égale à 50 ou 60 Hz. 13 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 12,caractérisé en ce que le potentiel périodique comprend une composante continue sensiblement comprise entre -700 et +100 mV par rapport au potentiel d'une électrode au calomel saturé, et présente une amplitude, mesurée de crete à crête, sensiblement comprise entre 100 et 1500 mV. 14 - Procédé suivant la revendication 13, caractérisé en ce que la composante continue du potentiel périodique est sensiblement comprise entre -500 et -200 mV par rapport au potentiel de ltélectrode au calomel saturé, et son amplitude mesurée de crête à crête, est sensiblement comprise entre 200 et 800 mV. 15 - Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que la composante continue du potentiel périodique est sensiblement égale à -275 mV par rapport au potentiel de ltélectrode au calomel saturé, et son amplitude, mesurée de crête à crête, est comprise sensiblement entre 450 et 700 mV. 16 - Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le potentiel périodique présente une amplitude, mesurée de crête à crête, sensiblement égale à 600 mV, et sa composante continue est comprise sensiblement entre -450 et -250 mV par rapport au potentiel de l'électrode au calomel saturé. 17 - Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le potentiel périodique présente une composante continue sensiblement égale à -275 mV et une amplitude, mesurée de crête à crête, sensiblement égale à 500 mV. 18 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 et 4 à 12, caractérisé en ce que le courant périodique comprend une composante continue sensiblement nulle et une amplitude, mesurée de crête à crête, sensiblement comprise entre 200 et 1000 mA.