Brevet FR2567915A1 — publié le 19860124

PROCEDE DE TRAITEMENT DES ROCHES PAR ELECTROLYSE. La présente invention concerne un procédé de traite- ment des roches par électrolyse et plus spécialement des minéraux silico-alumineux sous leur forme native, c'est-à- dire sans autre prétraitement qu'un éventuel broyage et même, fréquemment, sans broyage, afin de permettre l'uti- lisation de la roche comme matériau de construction ou de récupérer, selon le besoin, les composants de la roche, ou encore l'obtention d'eau dans les régions o celle-ci est rare ou peut manquer. L'invention concerne un procédé de traitement des roches pour l'obtention d'oxygène et d'eau, pour la récupération des métaux qu'elles contiennent, pour la fabrication de nouvelles structures cristallines ainsi que pour la fabrication d'éléments de construction. On sait que les matières minérales contiennent des métaux qui peuvent présenter de l'intérêt; l'histoire mê- me de l'humanité a été une histoire de traitement des mé- taux, différents métaux ayant été extraits de minerais et similaire. On s'est aussi rendu compte que les roches, sous leurs différentes formes, pouvaient être utilisées comme matériaux de construction et que c'était là un des premiers matériaux de construction extraits ou autrement récupérés des strates rocheuses avant qu'il soit taillé à la confi- guration désirée puis mis en place. Jusqu'à maintenant pourtant, quand les roches étaient considérées comme un matériau intéressant mais ne pouvaient être économiquement façonnées en éléments massifs, les so- lutions qui s'offraient pour leur utilisation étaient de les incorporer sous forme d'agrégat dans un liant pour la formation de ciment ou matière analogue. Le terme de "roches" est ici employé dans son sens le plus courant pour les matériaux extraits d'un minerai que l'on n'a pas jusqu'alors regardé comme source des com- posants en question. Ce terme est aussi employé pour les pierres et les matériaux comportant deux ou plusieurs mi- néraux, généralement avec une quantité appréciable de si- lice ou d'alumine ou de ces deux composés. Dans différentes régions, on ne dispose pas facile- ment de minerais métalliques, c'est-à-dire que le métal ne constitue pas un constituant prédominant de la roche. Il y a de plus des régions dans lesquelles on a be- soin d'oxygène et d'eau; on s'est efforcé de récupérer de l'eau des roches par des étapes de chauffage intensif. Le principal objet de l'invention est de fournir un procédé de traitement des roches qui permette de récupé- rer de l'oxygène, de l'eau et même des métaux et qui puis- se être utilisé pour l'obtention d'un produit susceptible d'être utilisé comme matériau de construction. L'invention a également pour objet un procédé de traitement des roches qui maximalise l'utilisation de ces dernières comme matières premières et qui puisse résoudre les problèmes de pénurie de matériaux. La demanderesse a découvert, de façon surprenante, que, quand on fait fondre la roche entre une paire d'élec- trodes puis qu'on la soumet à l'électrolyse, il est possi- ble d'obtenir un certain nombre de matériaux de grande va- leur, et ceci de façon très économique, spécialement quand on ne dispose pas d'autres matières premières pour ces ma- tériaux, par exemple dans les applications lunaires ou dans les procédés dans lesquels, bien que l'on dispose d'énergie en quantité suffisante, il n'est pas possible de transpor- ter sur le site d'autres matières premières. Le procédé selon l'invention peut, par exemple, con- duire à l'obtention de roches fondues qui, selon l'inven- tion, sont moulées en objets conformés présentant des pro- priétés originales puisque, comme on le verra plus loin, la composition du produit solidifié peut différer de fa- çon substantielle de la composition de la roche utilisée à l'origine et que l'on obtient de nouvelles configura- tions cristallographiques du produit. Le matériau moulé ainsi obtenu peut présenter une résistance élevée et ses propriétés peuvent être supérieu- res à celles du béton; il est particulièrement intéres- sant parce qu'il n'est pas nécessaire d'y ajouter de l'eau ou un liant hydraulique pour obtenir un produit dur et stable. En utilisant le procédé selon l'invention pour l'ob- tention de nouvelles configurations cristallographiques, il est possible de modifier les propriétés de structure des roches de façon à communiquer au matériau obtenu des propriétés de transparence et de translucidité. Puisque, selon l'invention, on effectue une électro- lyse, la demanderesse a découvert qu'il était possible de récupérer de l'oxygène à l'électrode négative, à partir de la roche ordinaire qui contient presque toujours des oxy- des d'au moins un élément; une étape importante de l'in- vention est donc la récupération directe d'oxygène ou la récupération de l'oxygène formé sous la forme de vapeur d'eau par réaction avec une atmosphère d'hydrogène, qui peut être fournie. On peut retirer 1' oxygène et le récu- pérer par absorption pour le réutiliser; l'eau peut éga- lement être condensée et récupérée. Il est également possible, au cours du processus d'é- lectrolyse, de rassembler du métal du bain de roche fondue et de récupérer le métal de façon sélective, cette sélec- tivité étant fonction de la tension et de l'intensité du courant utilisé dans l'électrolyse. Selon une autre caractéristique de l'invention, les électrodes et la masse rocheuse sont déplacées de façon sélective pour transformer progressivement la roche, c'est- à-dire que la roche est fondue et électrolysée, les élec- trodes et la roche étant déplacées de façon relative, des parties de la roche étant à l'arrière des électrodes par rapport à la direction d'avancée de ces dernières, ce qui permet d'effectuer la re-solidification ou la solidifica- tion dans les nouvelles configurations structurales. La masse rocheuse peut se trouver in situ, c'est-à- dire dans son implantation d'origine ou bien dans la croû- te du corps céleste dans lequel elle a été générée; le déplacement relatif peut aussi être effectué par déplace- ment mécanique de la masse rocheuse, ou par enlèvementdu site ci-dessus mentionné. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin sché- matique annexé, dans lequel: Fig. 1 est une coupe verticale d'une installation de fusion de roches selon l'invention, illustrant celle-ci de façon schématique; et Fig. 2 est une vue partiellement en perspective et partiellement en coupe d'un autre aspect de l'invention. La présente invention utilise une paire d'électro- des pour la fusion de la roche et, puisque l'utilisation des électrodes peut être analogue à celle faite par la demanderesse dans des buts différents, il est fait réfé- rence à cet égard au brevet US n 4 438 183. On voit sur la Fig. 1 que la fusion de la roche se- lon l'invention peut être effectuée dans un récipient pour fusion (10) qui peut être équipé de parois d'isolation thermique et peut être composé de parties séparables, tel- les que le cylindre (11), le plancher (12) et le couvercle (13). La séparabilité du fond (12) et du cylindre (11) per- met la récupération du métal déposé électrolytiquement, comme on va le décrire. L'électrolyse et la fusion sont effectuées entre une paire d'électrodes (14) et (15), l'une à polarité négative et l'autre à polarité positive. Les électrodes peuvent être alimentées et position- nées par l'intermédiaire des alimenteurs et unités alterna- tives (19 et 20); la température des électrodes peut être contrôlée par les thermorégulateurs (17) et (18) qui peu- vent refroidir les électrodes une fois la fusion amorcée et peuvent les préchauffer avant la fusion. Selon l'inven- tion, les électrodes peuvent être mises en contact puis écartées pour créer un arc dans la masse rocheuse et amor- cer la fusion de la roche. Une fois la fusion amorcée, on effectue l'électrolyse, on fait passer le courant d'élec- trolyse et le courant de résistance chauffant au travers de la masse fondue, pour électrolyser cette dernière tout en maintenant la roche à l'état fondu. Une valve (38) constitue un moyen de coulée de la roche fondue à partir du bain (39); cette roche fondue est évacuée par un tuyau de descente (37) dans un moule (36) qui peut définir une forme structurelle, par exemple la forme d'une poutre ou d'une dalle dans laquelle est cou- lée la roche fondue; on la refroidit ensuite pour la so- lidifier et obtenir un élément structurel. Selon l'oxygène et le métal extraits de la roche et les paramètres de chauffage et de refroidissement, le corps minéral ainsi obtenu peut présenter une structure cristal- line originale différente de celle de la roche utilisée au départ. Le niveau de fusion peut être maintenu dans le réci- pient par alimentation de la roche broyée à partir d'une trémie (26) par l'intermédiaire d'une conduite (24). Le dispositif de mesure prévu dans ce but est représenté en (25). Le couvercle (13),- au-dessus de la masse fondue, cons- titue une hotte pour la récupération des gaz libérés par l'électrolyse et le chauffage de l'arc dans l'espace (40) au-dessus de la masse fondue (39). Ces gaz peuvent compren- dre, selon la composition de la roche, des substances tel- les que le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau qui sont récupéréespar soutirage par la valve (27) jusqu'à un con- densateur (31) et un collecteur (32). Quand, selon l'invention, l'électrolyse est effec- tuée sur une roche fondue contenant de l'oxygène, l'oxy- gène sort à l'électrode positive et est collecté dans la chambre (40). L'oxygène peut être soutiré par-la valve (27) et par la pompe (28) et collecté en (29) dans un absorbeur, un adsorbeur ou tout autre collecteur Quand c'est l'eau qui est le produit le plus impor- tant, on peut introduire de l'hydrogène dans la chambre (40) à partir d'un réservoir (23) par l'intermédiaire d'une val- ve (22) et d'un tuyau (21) pour qu'il réagisse avec l'oxy- gène dégagé, l'eau étant soutirée par la conduite (30) pour être condensée de la manière décrite. - Pour la présente invention, il est important d'uti- liser pour l'électrolyse et le chauffage de la masse fon- due, du courant continu; ce courant continu peut être en- gendré à partir de toute source de courant alternatif dis- ponible (35) par l'intermédiaire d'un redresseur (34), ou encore par une source quelconque d'énergie solaire de con- ception classique. La tension nécessaireest appliquée aux électrodes (14) et (15) par l'intermédiaire d'un stabili- sateur de tension (33). En fonctionnement, une fois le récipient assemblé, on le remplit partiellement d'une roche ordinaire, qui peut contenir différentes quantités d'un métal choisi dont la récupération peut être souhaitée. Les électrodes peu- vent être initialement mises en contact et, quand elles sont écartées, un arc peut être amorcé afin d'utiliser le chauffage de l'arc pour fondre la roche. Une fois la fu- sion amorcée, elle tend à dissoudre le reste de la roche dans le récipient et, au fur et à mesure que la roche est soutirée du récipient et passe dans le moule (36),on peut rajouter de la roche additionnelle. Pendant cette opera- tion, le courant qui traverse la roche doit avoir une in- tensité suffisante pour générer par résistance ou par chauf- fage ohmique l'énergie nécessaire pour maintenir la roche à l'état fondu. Si l'on doit générer de l'oxygène, la tension du cou- rant continu est réglée à un niveau supérieur à celui cor- respondant à la surchauffe de l'oxygène de telle sorte que l'oxygène soit produit à l'électrode positive (14). Quand on fournit de l'hydrogène, l'oxygène formé tend à réagir rapidement avec celui-ci, au-dessus de la roche fondue, pour produire de la vapeur d'eau. Puisque le dégagement d'oxygène et d'autres gaz, ain- si que le dépôt électrolytique de métal dans le dépôt (16) modifie la composition de la masse fondue par rapport à celle de l'arc qui a été introduit, le produit solidifié dans le moule (36) présentera une structure cristallogra- phique essentiellement différente de celle de l'arc originel. Exemple. Sur l'installation représentée à la Fig. 1, on a fon- du et électrolysé une roche pour produire de l'oxygène et récupérer à l'électrode négative des traces de cuivre con- tenues dans la roche. La roche silice/alumine renfermant du cuivre était fondue initialement par un arc à 70 ampè- res et l'électrolyse était poursuivie après fusion à 30 am- pères. Le rendement de récupération d'oxygène ou d'électro- lyse était supérieur à 50 % (pourcentage de récupération théorique basé sur le nombre de Faradays ou de Coulombs). L'espace (40)était évacué à une pression de 0, 013 à 1,33 x 10- Pa (10-1 à 10-3 Torr). La Fig. 2 illustre de façon schématique un autre sys- tème que l'on peut utiliser. Ce système comporte une paire d'électrodes (54, 55) supportées par des unités respecti- ves de positionnement (64) dans une tête (60) qui peut être déplacée selon deux directions perpendiculaires, com- me représenté par la flèche (68), par des compteurs (61,. 62) pour déplacer l'électrode selon un dessin prédéterminé le long du terrain, qui est une roche irrégulière. Quand on applique alors les électrodes d'arc par l'intermédiaire d'une source de courant comprenant le stabilisateur de tension (63), le redresseur (65) et la source de courant alternatif (66), la roche est progressivement fondue le long d'une trajectoire qui peut être sélectionnée par un calculateur numérique. Selon l'invention, la roche se re- solitfifie après la charge électrolytique, derrière les élec- trodes, de la façon décrite pour former in situ une fonda- tion monolithique sur laquelle on peut ériger une struc- ture. On peut alternativement monter une plaque (50) de roche sur un chariot représenté par les roulettes (56) et que l'on peut déplacer dans deux directions horizontales perpendiculaires (flèche 57) par les compteurs (58 et 59) pour générer un schéma de déplacement des extrémités des électrodes (54 et 55) qui ont été abaissées dans une par- tie de la roche qu'elles ont fondue. La partie fondue de la roche est représentée en (52) et les parties resolidi- fiées en (51). Le métal est électrolytiquement déposé sur l'électrode négative comme indiqué en (53) et les supports (64) peuvent monter et abaisser les électrodes comme repré- senté par la flèche (67) pour contrôler leur profondeur d'immersion dans la masse-fondue (52) de la dalle. Une hotte (70) est prévue pour se déplacer avec les électrodes et la tête (60) de sorte que l'on puisse souti- rer, comme décrit ci-avant, l'oxygène et la vapeur d'eau; la hotte est munie d'une étanchéité (71) déplaçable sur tout son long et engageable à la plaque par son extrémité infé- rieure. Le métal (53) déposé électrolytiquement peut être libéré par séparation de la plaque si la récupération est de première importance; il peut aussi rester comme dépôt sur l'électrode positive. Dans les deux modes de réalisa- tion, on a trouvé qu'il était possible de choisir le métal qui se dépose à partir d'un certain nombre de métaux qui peuvent être contenus en différentes quantités dans l'arc à traiter en réglant de façon convenable la tension et l'intensité. - REVENDICATIONS - 1. - Procédé de traitement des roches, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivants: - fusion d'une masse de roche contenant un certain nombre de matériaux comprenant au moins quelques oxydes métalliques entre une paire d'électrodes (14, 15), en fai- sant passer entre elles un courant électrique pour former une masse fondue (39); et - électrolyse de ladite masse fondue par mise à po- larité négative d'une électrode (15) et mise à polarité positive de l'autre électrode (14). 2. - Procédé de traitement des roches selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape sup- plémentaire d'amorçage de la fusion de ladite roche en for- mant un arc entre lesdites électrodes pour chauffer initia- lement ladite roche par ledit arc. 3. - Procédé de traitement des roches selon la reven- dication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape sup- plémentaire d'arrêt de l'arc après la formation d'une masse fondue et de poursuite du chauffage de la masse fondue par un flux de courant de résistance passant à travers la roche fondue. 4. - Procédé de traitement des roches selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape sup- plémentaire de récupération de l'oxygène à l'électrode chargée positivement. 5. - Procédé de traitement des roches selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape sup- plémentaire consistant à maintenir une atmosphère d'hydro- gène au-dessus de la masse fondue pour provoquer une réac- tion entre l'oxygène produit électrolytiquement et l'htdro- gène de ladite atmosphère pour former de l'eau et à collec- ter l'eau ainsi formée. 6. - Procédé de traitement des roches selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape sup- plémentaire de récupération d'un métal sur l'électrode chargée négativement. 7. - Procédé de traitement des roches selon la reven- dication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une étape sup- plémentaire de sélection du métal déposé sur ladite élec- trode chargée négativement par contrôle de la tension et de l'intensité du courant appliqué auxdites électrodes. 8. - Procédé de traitement des roches selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape sup- plémentaire de moulage d'un corps conformé à partir de la- dite masse en fusion. 9. - Procédé de traitement des roches selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape sup- plémentaire de solidification de ladite masse en fusion se- lon une structure cristalline différente de celle de la ro- che d'origine. 10. - Procédé de traitement des roches selon la re- vendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire de déplacement relatif desdites électrodes et de ladite masse rocheuse, ladite masse étant progressi- vement fondue et resolidifiée. 11. - Procédé de traitement des roches selon la re- vendication 10, caractérisé en ce que ladite masse rocheu- se est une dalle.- 12. - Procédé de traitement des roches caractérisé. en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - fusion d'une masse de roche contenant un certain nombre de matériaux comprenant au moins quelques oxydes métalliques entre une paire d'électrodes (14, 15), en fai- sant passer entre elles un courant électrique pour former une masse fondue (39) - électrolyse de ladite masse fondue par mise à po- larité négative d'une électrode (15) et mise à polarité positive de l'autre électrode (14); et - resolidification de ladite masse fondue selon une forme de structure prédéterminée dont la composition est différente de celle de la roche d'origine. 13. - Procédé de traitement des roches selon la re- vendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une étape il supplémentaire de récupération de l'oxygène à l'électrode chargée positivement. 14. - Procédé de traitement des roches selon la re- vendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire consistant à maintenir une atmosphère d'hy- drogène au-dessus de la masse fondue pour provoquer une ré- action entre l'oxygène produit électrolytiquement et l'hy- drogène de ladite atmosphère avec formation d'eau, puis à récupérer l'eau ainsi formée. 15. - Procédé de traitement des roches selon la re- vendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire de récupération d'un métal sur l'électrode chargée négativement. 16. - Procédé de traitement des roches selon la re- vendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire de sélection du métal déposé sur ladite électrode chargée négativement par contr6le de la tension et de l'intensité du courant appliqué auxdites électrodes.