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Elimination des oxydée de soufre dans les gaz.
Pour éliminer les oxydes de soufre des gaz de fumiez et de gaz d'autres types on a déjà proposé de nombreux procédés.
Quelques-uns de ces procédés utilisent des suspensions ou des solu- tions .aqueuses pour extraire ces oxydes de soufre. Ainsi dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2.984.545 du 16 mai 1961 on utilise une suspension de MnO2, qui se transforme en MnSO4.D'après le brevet Allemand n 1.056.771 du 19 septembre 1956 les oxydes de soufre des gaz de fumés sont élimines par des solutions de sels ammoniqcaux, ou d'après une autre proposition, par des solutions aqueuses Ammoniacales. Au lieu d'ammoniaque on peut aussi utiliser la chaux en suspensions .aqueuses.
Tous ces procédés conduisent à un mélange de sels avec différentes étapes d'oxydation du soufre, ce qui exclut pratiquement une utilisation économique. L'emploi de li-
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quides de lavage organiques, comme la xylidine ou la diméthylan11ine (d'après "Chemical t1neering", Juin 1959 page 147) avec des pertes inévitables en liquide de lavage et la nécessité d'un traitement ultérieur de SO2 pour obtenir de l'acide sulfurique, ne suffit pas non plus à satisfaire toutes les conditions exigées.
Les inconvénients des procédés connus peuvent être élimi- nés si l'on emprunte de nouvelles voies. On a constaté que l'on
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r.alise l'élimination des oxydes de soufre dans les gaz qui en contiennent d'une façon particulièrement avantageuse si l'on soumet ces gaz, qui doivent avoir une teneur en oxygène d'au moins 1%, à un
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lavage avec d..," composés du magnésium à réaction alcaline soue forme de suspensions aqueuses, liant ainsi les oxydes de soufre principa-
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lement en nulfate de magnésium.
Ce procédé de purification est utili- sable avec des gaz résiduaires de différentes provenances, par exemple des gaz de fumées, des gaz réslduaires d'ateliers Claus, etc.., où des oxydes de soufre se trouvent à des teneurs de 1 g par 100 m3 et jusqu'à environ 10.000 g par 100 m3 et parfois même plus, plus spécialement à des teneurs entre 10 g et 5.000 g par 100 m3.
Le procédé de traitement conforme à la présente invention possède l'avantage qu'il donne en général comme produit final une solution et que cette solution contient pratiquement, exclusivement,
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du sulfate dia magnésium. On a constate que le 60 3 recueilli par la solution était lié directement en sulfate de magnésium et que la
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50 était rapidement oxydé en 80, par l'oxygène présent en excès, et ensuite également fixé sous forme de MOO 4.
Le ig: obtenu peut être récupéré par exemple par vapori- sation de la solution sous forme de sel pur. Il est plus pratique pourtant d'utiliser un procédé cyclique, où la solution de sulfate
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est traitée avec une quantité à peu près atoechiometrique dn1&" que, par exemple de gaz ou d'eau ammoniacale* L'hydroxyde de magné-
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sium étant presque insoluble dans l"'8u, on obtient un précipité à peu près quantitatif. Ce précipité dc.."j..'.ut avec de l'eau une nouvelle suspension, qui peut de nouveau être employée à l'élimination des
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oxydes de soufre. La solution de sulfate d'ammoniaque obtenue est vaporisée seule ou après addition d'autres sels, par exemple de nitrate d'ammonisque, et elle donne un engrais artificiel précieux.
Si on l&isse une partie du sulfate de magnésium en solution, on obtient un sulfate d'ammoniaque avec de petites proportions de sul- fate de magnésium., qui est également approprié comme engrais.
Si l'on utilise pour la précipitation du magnésium un mé- lange d'ammoniaque et d'acide carbonique, on forme du carbonate de magnésium, qui peut être également renvoyé pour la préparation de nouvelles suspensions de lavage.
En principe tous les composés magnésiens qui réagissent en alcalins sont appropriés pour ce nouveau procédé. On a constaté que l'oxydation que l'on veut réaliser des oxydes de soufre a lieu d'une façon particulièrement rapide jusqu'à l'étape finale en solution al- caline. C'est pourquoi on utilise des suspensions de MgO, Mg(OH)2, MgCO3 et Mg(HCO3)2 seules, ou aussi mélangées les unes avec les au- tres. Les composés magnésiens que l'on vient de nommer peuvent être utilisés purs ou aussi sous forme de composés magnésiens d'origine minérale dans la mesure où ils n'ont pas de teneurs élevées en im- puretés.
L'alcalinité de la suspension ayant une importance parti- culière pour la rapidité de fixation de SO2 et l'oxydation en SO3, on a encore constaté qu'il était avantageux de choisir une concentra- tion en composés magnésiens qui ne fût pas trop basse. 0,5 g de magnésium/litre représente à peu près la limite inférieure il est nettement plus favorable de travailler avec 10 à 50 g de magnésium/ litre. Des concentrations particulièrement élevées des oxydes de soufre dans le gaz peuvent permettre l'emploi de concentrations de magnésium encore plus fortes, par exemple de plus de 100 g à 150 g/ litre.
Ces grandes concentrations au départ sont possibles, car avec la formation croissante et la dissolution de MgSO4 la,teneur en liqui- de de la suspension augmente.
La quantité globale de composés magnésiens peut, être introduite, si l'on veut, dès le début du procossus de lavage,
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mais il est plus avantageux de l'ajouter peu à peu de telle façon que la suspension, quand elle commence à passer en solution claire, soit de nouveau alimentée en matière fraîche. Cela peut se réaliser aussitôt que la moitié ou plus de la moitié de la quantité de magné- sium présente initialement a déjà réagi et passé en solution.
La réaction des oxydes de soufre avec les composés magné- siens peut atteindre jusqu'aux 100% théoriques. Le procédé de tra- vail conforme à la présente invention peut être à une seule étape ou à plusieurs étapes, interrompu ou continu.
L'oxydation de SO2 en SO3 dépendant essentiellement de la concentration en oxygène du gaz, il est pratique de veiller constam- ment à avoir un excès d'oxygène par rapport à la quantité de SO2 présente. Cet excès peut aller du double au décuple et jusqu'à 10.000 fois et plus. S'il y a moins de 1% d'oxygène dans le gaz à désulfurer, l'oxydation a lieu trop lentement et il faut ajouter de l'air ou de l'oxygène. Ce n'est qu'avec environ 5% d'oxygène dans le gaz que la concentration nécessaire est atteinte. Des concentra- tions plus élevées favorisent, surtout pour des teneurs en SO2 croissantes, considérablement, l'oxydation de celui-ci.
L'oxydation elle-même a lieu déjà à la température ambiante avec une vitesse étonnante et elle peut être accélérée encore par élévation de la température, par exemple à 50 à 100 C ou plus*
L'élimination des oxydes de soufre des gaz peut avoir lieu en dépression, à pression normale ou en surpression, le fonctionne- ment à pression normale ou .avec une surpression comprise entre 1 et 25 atm. relatives constituant le mode de travail préféré.
Si outre les oxydes de soufre le gaz à épurer contient encore de l'hydrogène sulfuré et des composés sulfurés organiques en faibles proportions, ceux-ci sont sans influence notable. S'ils existent pourtant en quantités plus grandes, il peut se produire des réactions secondaires et aussi un dépôt de soufre.
La présence de gaz nitreux ne provoque pas de troubles, mais elle favorise plutôt le déroulement de l'oxydation. Le gaz carbonique ne gêne pas non plus
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ainsi que l'oxyde de carbone et le* hydrocarbures, qui d'une. façon normale ne sont présents qu'en faibles quantités et ne provoquent pas de modifications dans le déroulement de la réaction*
Les vitesses de gaz et la durée de présence des gaz dans la suspension ont également leur importance.
La vitesse des gaz doit se régler essentiellement d'après la concentration des oxydes de soufre dans les gaz, Avec des quantités de SO2 comprises entre environ 1 et 10%, on préfère pratiquement une vitesse d'envi- ron 50 à 1000 V/V/h(volume de gaz, volume de suspension heure) et' plus particulièrement de 100 à 500 V/V/h. Si la concentration en oxydes de soufre est plus basse, environ entre 0,1 et 1%, on peut prati. quer des vitesses de gaz encore plus favorables de 500 à 3000 V/V/h.
Si la concentration est encore plus basse, les vitesses de gaz peuvent même être élevées au-dessus de ces chiffres. Ce qui est dé- cisif aussi est, bien entendu, le degré de désulfuration que l'on veut réaliser, dans la mesure où une désulfuration particulièrement poussée exige la plupart du temps une diminution de la vitesse du gaz. Une teneur particulièrement élevée du gaz en acide carbonique peut aussi être une raison de réduire un peu la vitesse du gaz.
Un avantage particulier est que le procédé de traitement conforme à la présente invention peut être aussi lié à un dépoussie- rage complémentaire du gaz. Si l'on applique le principe de dépous- siérage humide, où la poussière est agglomérée et déposée sous forme solide, toutes les solutions à teneur en magnésium, qui réagissent pratiquement d'une façon alcaline, sont tout à fait appropriées.
Après séparation des poussières par filtration ou centrifugeage de la solution, celle-ci est traitée de la manière habituelle Récrite plus bas.
Si le sulfate de magnésium ne doit pas être récupéré sous cette forme, mais réutilisé dans un procédé cyclique comme hydroxyde de magnésium ou carbonate de magnésium pour l'extraction des oxydes de soufre, le traitement des solutions magnésiennes obtenues soit avec de l'alcali soit avec de l'ammoniaque est particulièrement favo- rable.
Pour la réaction, on utilise des lessives de sulfata de
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magnésium qui contiennent au moins 10 g de sulfate de magnésium/ litre, de préférence 50 g sulfate de magnésium litre ou encore plus, par exemple 200-400 g et on y introduit de l'ammoniac ou de l'ammoniaque et de lucide carbonique* Lors de la réaction, qui peut avoir lieu à la température ambiante ou à température plus élavéc, on obtient de l'hydroxyde de magnésium et/ou du carbonate de magnésium à peu près quantitativement* Par centrifugation ou fil- tration le précipité est séparé dans le domaine de température de 20 à 80 , après quoi les composés magnésiens obtenus sont de nouveau places en suspension si l'on veut.
Les solutions de sulfate d'am- moniaoue peuvent d'une façon oonnue être transformées en sulfate d'ammoniaque ou en salpêtre de sulfate d'ammoniaque.
Si les gaz à épurer des oxydes de soufre contiennent de fortes proportions de SO2, par exemple 5% et plus, ou de fortes concentrations en CO2 et simultanément de faibles quantités de SO2, il est possible qu'on n'arrive pas à une transformation quantitative de S02 en SO3 à la vitesse désirée, de sorte que le degré de trans- formation peut s'abaisser à environ 80-90%. Dans ce cas, il est possible de rendre plus rapide l'oxydation de la saumure de sulfite ou de bisulfite existante par l'addition de composas oxydants, par exemple de sels de fer, de sels de cuivre, etc..., ou de nitrites, ainsi que de faibles quantités d'azote, ce qui parachève la réaction.
On soumet dans ce but la solution ou la suspension à un traitement ultérieur par des gaz à teneur en oxygène, en particulier par l'air, réalisant ainsi l'effet souhaité d'autant plas vite qu'il existe un excès en composés magnésiens à réaction alcaline. Le domaine de pres- sion et de température de cette oxydation complémentaire correspond entièrement aux conditions qui sont fixées pour la désulfuration elle-même. L'alimentation en gaz doit avoir lieu comme dans le cas de la désulfuration, par les moyens techniques qui Assurent une alimentation optimale, par exemple alimentation par frittes, par buses, etc.
Une oxydation complémentaire des dernières traces de sul- rite n'est en général pas nécessaire, car lors de la vaporisation des solutions il faut compter forcément avec une oxydation pour-
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suivie du sulfite et sa transformation en sulfate.
Le mode de traitement conforme à la présente invention offre la possibilité de réaliser l'élimination des oxydes de soufre au moyen de produits de lavage peu coûteux, qui peuvent êtrs en. ou- tre employés obliquement et qui simultanément permettent de récupé- rer un sel d'engrais économiquement utilisable, comme sous-produit* L'appareillage nécessaire n'exige, par suite de la réaction alcaline de l'agent de lavage, aucune sorte d'acier hautement allié.. mais il peut se réaliser en fer ou en aciers faiblement allies.
EXEMPLE 1. -
Un gaz résiduaire contenant du soufre, consistant en 92% d'azote, 8% d'oxygène et 10 g SO2 par 100 m3 normaux, est introduit à pression normale dans une suspension qui consiste en 1 litre d'eau et 10 g de carbonate de magnésium suspendus dans celle-ci. La sus- pension se trouve dans un flacon de lavage fritte de la taille vou- lue- La température est de 15 . Jusqu'à une transformation théorique de 95%, rapportés au carbonate de magnésium introduit, on transfor- me le SO2 qui arrive, à plus de 99%, en SO,, ce qui donne du sulfate de 'magnésium. Ensuite, le degré d'oxydation diminue un peu, mais il se tient pourtant toujours au-dessus de 95%. La charge, au point de vue de la capacité et du temps, est de 1 m3 de gaz par litre de suspension.
Après réception de 100% théoriques, on obtient une solu- tion presque claire.
On interrompt l'essai ici et on vaporise la solution après y avoir ajouté 0,2 g de carbonate de magnésium, jusqu'à sicoit6- On obtient du sulfate de magnésium pratiquement pur, qui ne contient que de faibles proportions de carbonate de magnésium..
Le même essai est entrepris comme précédemment, mais en deux étapes, la seconde étape ayant les mêmes caractéristiques que la première. La charge en gaz frais de la première étape est de 1500 litres/litre de suspension, l'élimination de SO2 de 96-97%, le reste est retenu dans la seconde étape. Le degré d'oxydation de la première étape est d'environ 99%.
Après prise de 110% du chiffre théorique de SO2,
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on arrête l'alimentation de la première étape* La solution est clai- re, la différence en excès de 100% se retrouve sous forme de bisul- fite et SO2 dissous.
Après addition de 1 g de carbonate de magnésium, on com- mence par vaporiser la solution à moitié, une petite quantité de SO2 se vaporisant aussi, le reste étant quantitativement transformer sous orme de SO3, en sulfate de magnésium,, Ensuite la solution est refroidie à 40 et traitée avec une solution ammoniacale aqueu- se, jusqu'à ce que pratiquement tout le magnésium soit précipite et hydroxyde de magnésium. Celui-ci'est filtré au moyen d'un entonnoir filtrant et utilisé pour une nouvelle suspension. La solution du sulfata d'ammonium obtenue est vaporisée à siccité, ce qui donne un sulfate d'ammonium pur avec de très faibles proportions d'hydroxy- de de magnésium.
Cane un autre essai, on fait réagir sur la solution vaport sés à moitié une solution aqueuse de carbonate d'ammonium, jusqu'à ce que pratiquement tout le magnésium ou le carbonate de magnésium soit précipite. Celui-ci est utilisé pour une nouvelle suspension, et de la solution on tire par vaporisation un sulfate d'ammoniaque pratiquement pur avec de très faibles proportions de carbonate de magnésium.
EXEMPLE 2.-
500 litres d'un gaz de fumées provenant d'une centrale d'énergie alimentée par du poussier de charbon et contenant environ 81% d'azote, environ 4% d'oxygène et environ 15% de gaz carbonique ot en outre pour 100 m3 normaux une teneur en oxydes de soufre de 100 g, calculée en soufre, dont environ 90% en SO2 et environ 10% en SO3 sont envoyés à une température de 30 à travers une suspension qui contient 50 g d'hydroxyde de magnésium par litre d'eau. La vites- se en volume est de 650 litres par litre de liquide en suspension, qui se trouve dans un flacon fritte. Le degré de désulfuratlon réali- sé est environ 99%.
L'essai est arrêté après obtention d'une solution claire*
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L'analyse indique que le soufre retenu à ce moment est
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85% en sulfate et 15a en sulfite. 1 litre de la solution claire, après addition d'un g d'hydroxyde de magnésium, est souffle pendant
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4 heures avec de l'air température ,4a , en utilisant 100 litres d'air à l'heure* Sur le soufre présent en sulfite, les deux tiers se, trouvent ainsi oxydas en sulfate, alors que le reste passe dans l'air soutire.
Le traitement de la solution oxydée dtune façon analogue à celle de l'exemple 1 donne comme produit final un sulfate d'am- moniaque irréprochable.
Si l'on exécute le présent essai à une température de
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6$' le degré de désulfur&tlon atteint 98-98. Après prise de 96 du chiffre théorique, rapporté à l'hydroxyde de magnésium utili- né, on arrête l'essai. Sur le soufre retenu, z sont alors sous for* me de sulfate, 6 sous forme de sulfite. Pour éviter des perlée d'eau le flacon fritte de cet essai est muni d'un réfrigérateur in- tensif condensant l'eau vaporisée.
Si l'on utilise dans le premier essai de l'exemple 2 les
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50 g d'hydroxyde de magnésium additionnes de 1,5 g PESO 4 + 7 H.,0, la formation de sulfate augmente de 85 à 90%. m.1fJ ....b.....
500 litres d'un gaz consistant en 79/î d'azote, 20% d'oxy- gène et lu de 80 sont conduits à travers une suspension à une tempé. rature de 50 : cette suspension contient 150 g d'hydroxyde de magné-
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sium par litre. L'essai est poursuivi jusqu'à ce que 90X de ,1'ho- droxyde de magnésium initial soient transformés. Jusqu'à ce moment, le degré de désulfuration atteint 9S%.
Jusqu'à une transformation de 60, rapportée à l'hydroxy- de de A.II4;n63iu.n initi&l, 9ô% sont sous forme de sulfate. Pour une transformation de bzz, 96% sont sous forme de sulfate; pour une transformation de 80%, 9A sont en sulfate et pour une tr.ansfoma- tion de 90%, 90% sont en sulfate. A ce moment on arr8l'eaaai et l'on régénère l'hydroxyde de magnésium comme dans l'exemple 1. On
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obtient aussi un sulfate d'ammonium irréprochable.
Un essai parallèle a été fait, avec la modification qu'on ne travaillait plus comme précédemment à la pression normale, mais à une surpression de 5 atmosphères relatives. Ici on pouvait porter la charge de gaz à 750 V/V/h. Le degré de désulfuration s'élevait à environ 99. Les échantillons prélevés aux degrés de transforma- tion indiqués précédemment donnaient pour 60 environ 99% du soufre retenu en SO4, pour 70% de transformation, rapportés à l'hydroxyde de magnésium introduit initialement, environ 98%; pour 80% de trans- formation environ 96% et pour 90% de transformation environ 93%.
EXEMPLE 4. -
10 g d'oxyde de magnésium ont été mélangés à 300 cm3 d'eau, en bouillie. Cette suspension a servi à remplir un récipient d'absorption dont le tube d'arrivée de gaz allait jusqu'au fond du récipient.
Par ce tube d'arrivée de gaz on a introduit 100 1 d'air à l'heure où il y avait 3 g de SO2, à une température de 12 . 1?en- dant une durée de 4 1/2 heures on a pu constater une absorption de pratiquement 100%; ensuite, en proportion croissante, il s'est pro- duit un passage de SO2 ou une quantité croissante de SO2 s'est trou- vée dans le gaz de sortie. Apres 5 1/2 heures, il n'a pratiquement plus été retenu de SO2 et le MgO était transforma quantitativement-
Le traitement de la solution de magnésium à peu près claire montra que 90% du bioxyde de soufre retenu l'était sous for- me de MgSO4, les 10% restants sous forme de MgSO3.
Si cette tolu... tion était soumise à une vaporisation poussée et traversée pendant la vaporisation par un faible courant d'air, presque tout le sulfite de magnésium se trouvait oxydé en sulfate de magnésium.
Si l'on recommençait l'essai à une tespérature de 46 ,on pouvait réaliser en l'espace de 5 heures une retenue pratiquement totale de SO2. Ensuite il y avait une chute très verticale de la retenue de SO2, qui témoignait de Impulsèrent de la solution magné- sienne.
L'analyse indiquait que le SO2 retenu l'était pour
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environ 94% en MgSO4 et pour environ 6% en MgSO.
En renouvelant les essai! à des pressions de 5 atmonaphè res relatives on n'a pas constaté de déplacement des résultait* digne d'être mentionné. L'étude analytique montrait que dans, les deux essais la proportion de sulfate de magnésium avait augmenté de 1-2% aux dépens de celle de sulfite de magnésium.
EXEMPLE 5.-
190 g d'hydroxyde de magnésium technique ont été mélanges en pâte avec 2000 cm3 d'eau et ce mélange a été introduit dans un tube en plexiglas, qui avait un diamètre libre de 100 mm et possé- : dait au fond une fritte assurant une bonne répartition du gaz. A une température qui variait entre 10 et 25 , on y faisait passer 1250 1 normaux, à l'heure, de gaz de fumées d'une centrale d'énergie.
Le gaz de fumées contenant 100 à 120 g de soufre sous forme de SO2 ou SO3 par 100 cm3. Environ 15% du gaz de fumées consistaient en CO2, la teneur résiduaire en oxygène était de 3-4%. L'essai fut interrompu après 94 heures. Jusqu'environ la 80ème heure on réali- sait une élimination à près de 100% du SO2 présent, ensuite - d'abord lentement et puis plus vite - il y avait un passage de SO2.
La solution claire, après la fin de l'essai, contenait 9 g de 8 sous forme de sulfite., alors que le reste de la quantité globale de SO2 retenue (calculée en S, au total 117 g) était en grande partie en sulfate de magnésium.
Si on laissait la solution reposer 24 heures à l'air, la quantité de sulfite diminuait, calculée en S, jusqu'à 7,1 g.
Si au lieu de cela on envoyait au travers un faible cou- rant d'air la proportion de sulfite calculée en S n'était plus que de 1,5 g.
Si la solution était évaporée, sous un faible courant d'air la traversant, pour obtenir un sulfate de magnésium cristalli- sé, après évaporation on ne trouvait à peu près plus de SO2.
EXEMPLE 6. -
L'essai de l'exemple 5 a été repris avec une suspension qui contenait 300 g d'hydroxyde de magnésium et 2000 cm3 d'eau. Par
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cette suspension on faisait passer à une température moyenne de 15 environ 1400 1 environ à l'heure des gaz de fumées et'une centrale d'énergie* Bien que la suspension fût relativement épaisse, on a pu pratiquement en environ 125 heures réaliser une élimination complète du mélange SO2 SO3 présent dans le gaz de fumées. L'essai a été interrompu après un total de 132 heures correspondant au passage d'un volume de 184,5 m'et à une quantité de bioxyde de soufre retenue de 184: g (calculée en S).
Le traitement de la saumure de sulfate de magnésium eut lieu d'une façon analogue à l'exemple 9 et il donna essentielle- ment aussi les quantités trouvées pour celui-ci.
EXEMPLE 7.-
Dans le même appareil que pour les exemples 5 on a placé 6300 g d'une magnésite technique calcinée avec une teneur on MgO d'environ 90% additionnée de 2000 cm d'eau formant une pâte, la température ambiante, et réagissant sur le mime gaz de fumées de centrale d'énergie, sans constater pratiquement de différences de comportement durant l'absorption et le traitement de la solution de sulfate de magnésium épuisée.
EXEMPLE 8,-
100 g de carbonate de magnésium technique (en poudre) ont été remues pour faire une bouillie avec 2500 car d'eau et introduits dans le même appareillage d'absorption que pour les exemples 5-7. On a fait passer 500 1 à l'heure d'un gaz consistant en 10% en volume de SO2 et 90% en volume d'air* Pendant environ 30 minutes on a pu constater une retenue à peu près quantitative de SO2, puis d'une manière croissante un passage de SO2. Après 35 minutes tout le carbonate de magnésium était transformé. La solution était claire, le magnésium s'y trouvait à plus de 90% en MgSO4.
Si cette solution, à environ 60 , était précipitée avec un peu plus que la quantité théorique de solution aqueuse ammoniacale, la moitié du magnésium présent passait en Mg(OH)2,
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qui pouvait facilement Être éliminé par filtration. Le MgSO4, (NH4)2SO4, sel double présent dans la solution (la proportion initiale de MgSO3 s'étant trouvée pendant la précipitation et la filtration pratiquement oxydée d'une façon quantitative en MgSO4) était introduit dans un traitement de préparation d'engrais artifi- ciel magnésien.
Si au lieu de 100 g de carbonate de magnésium on utili- sait un mélange de 65 g de carbonate de magnésium et d'oxyde de magnésium (rapport molaire 1:1) on obtenait des résultats aussi bons.