CH333264A - Procédé de production de gallium métallique - Google Patents

Description

  Procédé de     production    de     gallium    métallique    La présente invention se rapporte à un  procédé de production de gallium métallique  à     partir    d'une lessive d'aluminate obtenue au  cours de l'extraction de l'alumine de minerais  d'aluminium, par exemple au cours de l'exé  cution du procédé Bayer. Cette lessive contient  le gallium sous forme de     gallate    de sodium.  



  Les procédés connus pour l'extraction du  gallium des lessives d'aluminate de soude pré  voient tout d'abord une altération totale ou  partielle de la lessive d'aluminate. C'est ainsi  qu'une des méthodes connues prescrit la préci  pitation d'une     partie    de l'alumine, puis une  précipitation simultanée d'alumine et de     galline     par traitement au gaz carbonique ; le précipité  obtenu est     redissout    dans la soude caustique,  éventuellement après chauffage à 350-600  C  pour détruire les matières organiques ; finale  ment, la solution est électrolysée en vue du  dépôt du gallium métallique.  



  Une autre méthode prévoit tout d'abord la  précipitation d'une grande partie de l'alumine  sous forme d'aluminate de calcium, après quoi  la lessive restante est traitée par l'acide carbo  nique comme dans le procédé précédent.  



  Selon une méthode plus récente, la lessive  d'aluminate de soude est traitée par l'acide       fluorhydrique,    ce qui donne lieu à la précipi  tation de la plus grande partie de l'alumine  sous forme de cryolithe, alors que 70 à 80 %  de gallium restent dans la solution.    Dans toutes les méthodes connues, l'extrac  tion de la     galline    exige des opérations qui  contrecarrent la marche normale des opérations  lors de l'obtention d'alumine selon les procédés ,  usuels. D'autre     part,    toutes ces méthodes con  nues     comportent    la destruction de la lessive  d'aluminate, qui ne peut donc plus retourner  sans autre dans le cycle d'opérations.

   Le pro  cédé selon l'invention, par contre, permet de  réaliser l'extraction du gallium des lessives  d'aluminate sans les détruire ni les altérer.  



  Le procédé selon l'invention comprend un  ensemble d'opérations, dont la première con  siste à électrolyser la lessive d'aluminate au  moyen d'une cathode formée de mercure li  quide agité et d'une anode en métal insoluble  dans les conditions de l'électrolyse, la tension  aux bornes étant d'au moins 3 volts, le poten  tiel cathodique d'au moins 1,6 volt et la densité  de courant à la cathode d'au moins 0,35     A/dm2.     On applique de préférence une tension aux  bornes de 3,8 à 4,2 volts, un potentiel catho  dique d'environ 1,9 volt et une densité de  courant à la cathode d'environ 0,45     A/dm2.     



  Le gallium est déposé sous forme métal  lique à la cathode. Il s'agit probablement d'une  dispersion du gallium dans le mercure et non  d'un amalgame.  



  Une simple circulation lente du mercure de  la cathode ne     suffit    pas pour rendre le procédé  réalisable.     Il    faut une agitation assez énergique,      agissant avant tout sur la surface du mercure,  toutefois sans rompre la continuité de cette  surface. En d'autres termes, il faut éviter de  pulvériser le mercure par     formation    de gout  telettes et également de créer un mouvement  giratoire tel qu'une solution de continuité se  forme à la     surface    de la cathode. Si l'agitation  n'est pas     suffisamment    énergique, le but de  l'opération n'est pas atteint.

   Une variation du  nombre de tours de l'agitateur du simple au  double ou inversement peut causer une varia  tion du rendement, calculé d'après le dépôt de       gallium,    dans le rapport de 1 à 10 ou inverse  ment. Sans agitation, le dépôt de gallium est  insignifiant.  



  L'anode peut être par exemple en nickel,  qui est     particulièrement    avantageux en raison  de sa faible     surtension    d'oxygène. La deuxième  opération du procédé selon l'invention consiste  à extraire le gallium du mercure au moyen  d'une solution d'alcali caustique, par exemple  de soude caustique. Il est avantageux de favo  riser la dissolution du gallium en plongeant des  pièces de fer dans le mercure.  



  La troisième opération consiste à électro  lyser la solution de     gallate    alcalin (obtenue lors  de la seconde opération) en la soumettant à  une électrolyse en vue de l'obtention de gal  lium métallique à l'état libre, par exemple selon  le procédé décrit dans le brevet français  964009 et dans le livre       Das    Gallium   de  E.     Einecke,        publié    en 1937 par l'éditeur       Leopold        Vass/Leipzig    et réimprimé par Ed-         wards    Brothers     Inc.,    en 1944,à     Ann        Arbor/     Michigan, pages 52 à 54.  



  Entre ces trois opérations, on peut naturel  lement intercaler des opérations de lavage  rapide du mercure, de filtrage de la solution  de     gallate    de sodium, etc.  



  La première opération que comprend le  procédé selon l'invention est, par exemple, exé  cutée comme suit  4 litres d'une lessive d'aluminate sortant  des décomposeurs d'une usine appliquant le  procédé Bayer pour l'extraction de l'alumine  de la bauxite rouge sont introduits dans un  récipient cylindrique de verre   Pyrex   dont  le fond plat de 16 cm de diamètre est recou  vert de mercure liquide formant une cathode  de 2     dm2    de surface. La lessive, dont la tem  pérature est de     50o    C, est soumise à l'électro  lyse, une plaque de nickel pur, suspendue  verticalement, d'une surface totale immergée  de 5     cm2    fonctionnant comme anode.

   La ten  sion aux bornes varie entre 3,8 et 3,9 volts ;  elle est réglée de façon que la densité de cou  rant à la cathode soit de 0,45     A/dm2,    ce qui  correspond à une intensité de 0,9 A. Le poten  tiel cathodique mesuré en cours d'électrolyse  est de 1,9 V par rapport à l'électrode à hydro  gène. La cathode de mercure est agitée au  moyen d'un agitateur en verre en forme de T  renversé, la partie horizontale balayant toute  la surface du mercure et y plongeant de 2  à 3 mm ; la vitesse est de 2 tours par seconde.

      La lessive d'aluminate utilisée contient 140<I>g</I>     Na2O    total et 50<I>g</I>     A1,0,3    par litre et de plus  
EMI0002.0024     
  
    Avant <SEP> le <SEP> Après <SEP> 12 <SEP> h <SEP> Après <SEP> 24 <SEP> h
<tb>  traitement <SEP> d'électrolyse <SEP> d'électrolyse
<tb>  Na2COs <SEP> .... <SEP> g/l <SEP> 13,8 <SEP> 13,8 <SEP> 13,8
<tb>  SiO2 <SEP> ...... <SEP> g/1 <SEP> 0,61 <SEP> 0,52 <SEP> 0,48
<tb>  Fe203 <SEP> ...... <SEP> mg/l <SEP> 8,8 <SEP> 3,5 <SEP> 3,5
<tb>  V205 <SEP> ...... <SEP> <B>9</B>/1 <SEP> 0,57 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb>  P205 <SEP> ...... <SEP> g/1 <SEP> 0,56 <SEP> 0,52 <SEP> 0,52
<tb>  Mat. <SEP> org. <SEP> .. <SEP> g/1 <SEP> 1,60 <SEP> 1,50 <SEP> 1,50
<tb>  Ga <SEP> ........

   <SEP> <B>9</B>/1 <SEP> 0,214 <SEP> 0,120 <SEP> 0,025       Au bout de 12 h d'électrolyse, la consommation en courant est de 10 Wh, au bout de 24 h  de 20 Wh par     litre    de lessive.      L'électrolyse industrielle peut être effectuée,  par exemple, dans des bacs en tôle recouverte  d'une matière plastique convenable. L'agitation  du mercure peut être     réalisée    au moyen d'agi  tateurs mécaniques usuels, mais il est égale  ment possible d'appliquer des procédés phy  siques ; on peut, par exemple, songer aux  ultrasons.  



  Si la tension aux bornes était inférieure à  3 volts, le rendement de l'opération devien  drait insignifiant. L'optimum se trouve. vers  3,8 à 4,2 volts. Une tension supérieure à  4,2 volts ne fait qu'occasionner une consom  mation supplémentaire de courant sans aug  mentation équivalente du rendement.  



  Il est avantageux de régler la tension aux  bornes en variant la surface anodique, la den  sité de courant cathodique étant maintenue  constante.  



  Si le potentiel cathodique était inférieur à  1,6 volt, le gallium ne serait pas déposé. On  travaille de préférence à un potentiel catho  dique     d'envïron    1,9 volt, ce qui assure le dépôt  du gallium. Le potentiel cathodique est réglé  automatiquement si l'on a soin d'assurer à la  cathode la densité de courant prescrite.  



  La température de la solution d'aluminate  a une influence sur le rendement, mais il est  possible d'exécuter l'électrolyse entre des limites  assez larges de température. Le rendement le  meilleur est obtenu entre     40o    et     60o    C. C'est  généralement la température des lessives Bayer  avant ou après la décomposition.  



  Le dépôt du gallium est sensiblement pro  portionnel à la durée de l'électrolyse. En pro  longeant cette dernière, on pourra récupérer  pratiquement la totalité de cet élément. Toute  fois, si l'on se place au point de vue de la  purification de la lessive, il est préférable d'in  terrompre l'électrolyse au bout de 5 heures  environ, car, à ce moment-là, le vanadium est  complètement éliminé ; le gallium non déposé  restera en solution dans la lessive, qui sera  soumise à une nouvelle électrolyse de purifica  tion au cycle d'opérations suivant, et ne se  perdra donc pas. La durée de l'électrolyse  variera suivant l'épaisseur de la couche de les-         sive    au-dessus de la cathode.

   L'électrolyse peut  être effectuée non seulement en opération dis  continue, mais aussi en opération continue, la  lessive circulant, par exemple, dans un canal  muni de dispositifs d'électrolyse et d'agitation.  



  Une seule et même quantité de mercure  peut servir à un nombre     indéterminé    d'électro  lyses, le gallium s'accumulant dans le mercure  sans que le rendement de l'électrolyse n'en soit  diminué. Avant de soutirer la lessive après  l'électrolyse, il est avantageux de la laisser  reposer pendant quelques minutes, afin de per  mettre le dépôt des petites     quantités    de mer  cure qu'elle pourrait contenir en suspension.  



  Cette première opération du procédé selon  l'invention peut être appliquée indifféremment  à des lessives de n'importe quelle concentration  et aussi bien avant qu'après décomposition,  c'est-à-dire aussi bien avant qu'après précipita  tion de l'hydrate d'alumine. Lorsqu'on l'ap  plique     avant    décomposition, la lessive d'alumi  nate, débarrassée du même coup de la totalité  du fer     précipitable    à la décomposition, fournit  une alumine de très haute pureté. Les condi  tions théoriques permettent de conclure que le  rendement diminue aux très fortes concentra  tions, mais une diminution sensible n'a pas  pu être décelée en pratique.

   Avant d'extraire  le gallium du mercure, il est recommandable  de débarrasser celui-ci des restes de lessive en  le lavant rapidement à l'eau, par exemple en  le faisant tomber sous forme d'une pluie dans  une colonne d'eau froide.  



  La seconde opération du procédé selon  l'invention, à savoir l'extraction du     gallium    dé  posé dans le mercure au moyen d'un alcali  caustique, est favorisée par une élévation de  température.     Il    est avantageux de l'exécuter au  voisinage de l'ébullition. A froid, l'attaque est  très lente. En pratique, on utilisera de la soude  caustique. Si la teneur du mercure en gallium  est très faible, la petite quantité de sodium qui  s'est déposée à la cathode peut suffire, après  réaction avec l'eau, à dissoudre le gallium.

    Dans les deux cas, la dissolution est favorisée  par la présence de pièces métalliques (par  exemple de fer) à la fois en contact avec le      mercure et la solution, ainsi que cela se pra  tique au cours de la fabrication de la soude  caustique par électrolyse avec cathode de mer  cure.  



  Il est avantageux de régler la teneur en  soude caustique de telle façon que le rapport    moléculaire     Na,,O   <I>:</I>     Ga,O.;    soit voisin de 6 : 1  dans la solution obtenue.  



  La troisième opération du procédé selon  l'invention est connue en soi. Elle peut être  avantageusement exécutée de la façon sui  vante    Après filtrage de la solution de     gallate    de sodium, on soumet celle-ci à l'électrolyse dans les  conditions suivantes  
EMI0004.0004     
  
    Concentration <SEP> en <SEP> Ga <SEP> <B>............</B> <SEP> 40 <SEP> g/l
<tb>  Anode <SEP> en <SEP> nickel <SEP> pur
<tb>  Cathode <SEP> en <SEP> platine <SEP> ou <SEP> acier <SEP> inoxydable
<tb>  Tension <SEP> aux <SEP> bornes <SEP> <B>... <SEP> ..........</B> <SEP> 3,8 <SEP> V
<tb>  Densité <SEP> de <SEP> courant <SEP> à <SEP> l'anode <SEP> <B>........</B> <SEP> 5 <SEP> A/dm2
<tb>  Densité <SEP> de <SEP> courant <SEP> à <SEP> la <SEP> cathode <SEP> <B>....</B> <SEP> 100 <SEP> A/dm2
<tb>  Température <SEP> <B>......</B> <SEP> .

   <SEP> <B>........</B> <SEP> . <SEP> <B>....</B> <SEP> 70o <SEP> C
<tb>  Agitation <SEP> de <SEP> la <SEP> solution <SEP> <B>..........</B> <SEP> moyenne       Les 6 premiers dixièmes de gallium se déposent avec un rendement de courant de 40 Rio  environ, les 9 premiers dixièmes avec un rendement de 15 % environ.

Claims (1)

1. REVENDICATION Procédé de production de gallium métal lique à partir d'une lessive d'aluminate obtenue au cours de l'extraction de l'alumine de mine rais d'aluminium, caractérisé par le fait qu'on électrolyse la lessive au moyen d'une cathode formée de mercure liquide agité et d'une anode en métal insoluble dans les conditions de l'électrolyse, la tension aux bornes étant d'au moins 3 volts, le potentiel cathodique d'au moins 1,6 volt et la densité de courant à la cathode d'au moins 0,35 A/dm2, on extrait le gallium du mercure au moyen d'un alcali caus tique et on électrolyse la solution de gallate alcalin obtenue en vue de l'obtention de gallium métallique à l'état libre.

   SOUS-REVENDICATION 1. Procédé selon la revendication, carac térisé par le fait que la tension aux bornes est de 3,8 à 4,2 volts, le potentiel cathodique, de 1,9 volt et la densité de courant à la cathode, de 0,45 A/dm-. 2. Procédé selon la revendication, carac térisé par le fait que l'électrolyse de la lessive d'aluminate de soude s'effectue à une tempé rature de 40 à 60o C. 3. Procédé selon la revendication, carac térisé par le fait que l'extraction du gallium se fait à température élevée, de préférence au voisinage de l'ébullition.