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PERFECTIONNEMENTS A LA FABRICATION DES METAUX PULVERISES.
La présente invention a trait à l'obtention des métaux pulvé- risés. Plus particulièrement, elle concerne l'obtention de métaux sous for- me de poudre par réduction directe par un gaz. Plus particulièrement en- core, elle se réfère à la réduction directe par un gaz, de sels métalliques en solution acide, neutre ou basique, dans le but d'obtenir le métal avec un bon rendement et sous une pureté commercialement acceptable
D'une façon généralela présente invention a trait à l'obten- tion et/ou au raffinage de métaux aussi variés que le cadmium, le cobalt, le cuivre, le mercure, le nickel, l'argent et certains des métaux plus ra- res situés entre l'argent et le cadmium dans l'ordre de forces électromotri- ces croissantes, et susceptibles de former avec l'ammoniac un ion complexée Parmi ceux-ci,
ceux qu'on rencontre les plus habituellement sont les pro- blèmes du cuivredu nickel et du cobalto Comme ces problèmes sont généraux et que leurs solutions sont applicables dans tout le champ considérée *la dis- cussion de l'obtention du métal à partir de solutions contenait ces cations devra être considérée comme illustrative
Un exposé général du procédé selon la présente invention est simple. On ajuste une solution clarifiée contenant un sel dissous du métal désiré à des valeurs optimum en teneur en ions hydrogène et en matiè- res dissoutes, et on la soumet à des températures accrues, ordinairement supérieures au point d'ébullition, sous pression partielle ét en présence d'un gaz réducteur convenable,'la solution étant de préférence soigneusement agitée pendant le processus.
On maintient les conditions,réductrices jus- qu'à ce que la réduction soit suffisamment achevée. On recueille, lave., sè- che et utilise ou expédie le produit précité. On soumet les solutions et/ou liqueurs de lavage résiduelles à des traitements variés de récupération et de recyclage
Cependant, la simplicité'du procédé ainsi décrit est plus apparente
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que réelle. Dans le passé, on a fait beaucoup de tentatives pour traiter des solutions semblables dans des conditions superficiellement semblables, dans le but déclaré d'obtenir des produits semblables. Cependant, en rai- son de la demande importante et croissante pour un tel procédé, l'échec com- plet de ces propositions pour l'obtention des résultats désirés est rendu évident par l'absence de leur succès commercial.
Ces propositions ont échoué soit à cause de la pureté du produit, soit en raison du rendement en produit, soit pour diverses raisons basées sur des considérations économiques et on n'a pas pu les développer au point de les faire jouer en concurrence.
Le principal but de la présente invention est donc de réaliser un procédé de métallurgie par voie humide convenable qui ne présente pas les divers inconvénients des procédés connus. Un tel procédé doit condui- re aux produits sous forme de métaux avec un haut rendement, une pureté élevée, un prix raisonnable, sans la nécessité d'utiliser un appareillage inhabituel ou coûteux et en utilisant des réactifs, simples et faciles à se procurer.
Il est surprenant, quand on tient compte des échecs antérieurs, que l'on ait pu atteindre ce but d'une manière très satisfaisante. Ceci a été possible grâce à la combinaison de deux facteurs. Tout d'abord, on fait un contrôle strict de la composition de la solution ajustée à savoir sa concentration en métal dissous, sa teneur en hydrogène libre ou en ions hydroxyle, en ions ou sels susceptibles de former un complexe solu- ble du métal et en matières étrangères dissoutes ; de la température de ré- duction ; de la pression partielle du gaz réducteur; du temps de réaction; de l'utilisation appropriée de l'agitation et de l'usage approprié du gaz réducteur. En second lieu on contrôle la composition de la solution sur une base nouvelle jusqu'ici non reconnue.
C'est le contrôle de la com- position de la solution aux phases finales et non nécessairement initiales de la période de réduction qui est critique pour l'obtention des résultats optimum désirés. Enfin, le contrôle est adapté à l'obtention du produit métallique à l'état physique désiré.
Des tentatives de mise en pratique des procédés antérieurement proposés se sont toujours soldées par l'un ou plusieurs des résultats non- satisfaisants suivants. Dans de nombreux cas, on n'obtient pas du tout de poudre de métal élémentaire. On obtient plutôt un oxyde, un hydroxyde, un carbonate ou le sulfure. Dans certains cas, un peu de métal peut ini- tialement précipiter, après quoi la réaction cesse ou est accompagnée par la précipitation d'un composé du métal.
On a trouvé, ce qui est d'importance primordiale pour le présent procédé, que ces échecs sont dus principalement à ce qu'on n'a pas reconnu l'importance d'éviter certaines conditions terminales jusqu'à ce que la pré- cipitation du métal ait atteint la phase satisfaisante. Dans le présent pro- cédé, les conditions opératoires sont ajustées initialement et si nécessai- re ultérieuranent pour éviter que ces conditions ne soient prématurément ob- tenues.
On a également trouvé selon la présente invention que les con- ditions à l'achèvement de la réduction présentent certaines limitations op- timum définies. Dans certaines limites, les conditions individuelles peu- vent être modifiées de façon considérable. Cependant pour chacune des con- ditions que l'on doit contrôler, on doit observer des limitations. Des in- tervalles de conditions optimum peuvent varier dans certains cas, pour dif- férents métaux en différentes solutions. Par suite, on les décrira plus complètement pour ces cas particuliers.
Préalablement, toutefois, on peut, on doit noter certaines gé- néralisations. En premier peut-être, on doit noter que la source initiale de la solution contenant les métaux est sans influence. Ce peut être l'un ou la totalité de 1 ) les minerais ou concentrats sulfurés ayant été attaqués
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par divers procédés connus y compris les phases ancillaires de grillage et/ ou mélangeage;
2 ) les minerais oxydés, précipités contenant du métal., métal brut, scorie, laitier, ayant été attaques, ou 3 ) les solutions de traitement superficiel'ou de décapage usées ou autres solutions de rebut ou de sous-pro- duits résultant de quelques autres opérations sans importance.,
Dans la description ci-après., à titre de simplification, on utili- sera les abréviations "atm" pour indiquer des kg/cm2, g/1. des grammes par litre, et M/1, des molécules-grammes par litre. On utilisera également les termes "acide libre" et "ammoniac libre". Les solutions des sulfates métal- liques et du sulfate d'ammonium ont une réaction acide avec un pH de l'ordre d'environ 2,0 à 4,5. On considère cependant que ces solutions n'ont pas de teneur en "acide libre" ou "ammoniac libre".
Quand la quantité de sulfate ou d'autres anions présents dépasse celle nécessaire à la combinaison avec les cations métal et ammonium, on considère que la solution contient de "l'acide libre"
Quand on ajoute de l'ammoniac à ces solutions, il se forme un sel d'ammonium avec l'acide libre. Si on continue à ajouter de l'ammoniac il en reste une partie dissoute dans la solution,, intacte ou sous forme d'ammo- niaque ; une partie se combine avec le métal pour former un ion complexe mé- tal-ammoniac ou métal "amine". On considère que le terme "ammoniac libre" présent inclut chacune de ces dernières formes, mais pas celle qui forme un sel d'ammonium. L'expression "ammoniac total" désigne la somme de 1'"ammo- niac libre" et de l'ammoniac présent sous forme de sel d'ammonium.
On détermine la quantité d'"acde libre", ou d'"ammoniac libre" présent par titrage du pH naturel du sulfate ou autre sel en solution. Il est par conséquent possible d'avoir non seulement des solutions salines ayant un pH propre acide sans contenir d'"acide libre", mais encore dont le pH est inférieur à 7 mais qui contiennent une quantité appréciable d'ammoniac libre. On doit également noter que quand on parle de la quantité d'ions ammonium, sulfate ou autres,on désigne à la fois les formes associées et dis- sociées. Les ions hydrogène forment une exception et on ne désigne que leur forme dissociée.
De plus, on supposera dans cette description que la solution à traiter ne contient qu'un seul métal réductible par un gaz dans les condi- tions opératoires. Ceci est une supposition que l'on peut garantir,car on connaît des procédés variés de précipitation ou de dissolution sélective, de cristallisation fractionnée et analogues, grâce auxquels on peut obtenir des solutions pratiquement pures de sels d'un métal unique. Le moyen par lequel on obtient cette solution n'est donc pas une caractéristique de la présente invention. On supposera que les solutions à traiter ont une con- centration utilisable en métaux. Ceci dépend en une certaine mesure de la valeur du métal lui-même.
Pour des métaux de grande valeur tels que le co- balt ou l'argent, on peut traiter Utilement des solutions à basse concentra- tion allant jusqu'à 10g/1 ou moins. D'autre part pour un métal tel que le cuivre, des solutions contenant 20g/1 ou plus sont désirables.
On doit également noter que les solutions à traiter seront or- dinairement d'origine et de nature aqueuses. Cependant, dans les sépara- tions sélectives de divers métaux et sels, par des procédés connus, on a pu utiliser d'autres solvants tels que les alkanols, les éthers, les céto- nes, les esters et analogues. Tout solvant qui dissout le composé métalli- que à des concentrations raisonnables et qui supporte les autres conditions opératoires peut être utilisé dans le présent procédé si on le désire. Dans certains cas le gaz réducteur peut être plus soluble que dans l'eau, l'hy- drogène étant plus soluble dans le méthanol par exemple. Cependant, les so- lutions aqueuses seront celles rencontrées le plus habituellement et on les prendra comme illustration.
Comme on l'a noté ci-dessus., la présente invention concerne les
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métaux dont le potentiel d'oxydo-réduction est situé entre ceux du cadmium et de l'argent inclus et qui sont susceptibles de former un ion complexe ré- ductible par un gaz. Celui-ci peut être sous forme d'un cation complexe aminé du type [Mex(Am)y] dans lequel Me est le métal et Am est une amine formant un complexe. Oh peut les trouver en solution dans des conditions allant d'un peu acide à fortement basique. D'autre part, on peut trouver des anions complexes du type AcxMey dans lequel Ac représente un radical acide dans des solutions allant d'un peu basique à fortement acide.
On prendre généralement l'ammoniac comme aminé formant un com- plexe et l'invention concerne principalement ses complexes avec le cobalt, le nickel ou le cuivre comme type d'"amines"o L'ammoniac est la plus éco- nomique des amines disponibles et en pratique le plus couramment rencontré.
Cependant, on peut obtenir des résultats semblables ou même meilleurs bien qu'ordinairement à un prix plus élevé en utilisant diverses amines organi- ques telles que la méthylamine, l'éthylène-diamine et analogues à la place d'une partie ou de la totalité de l'ammoniac.
L'anion peut varier considérablement, selon, dans une certaine mesure, que la solution est acide ou basique. En solution ammoniacale d'autres anions peuvent être présents, sauf ceux qui forment un complexe non dissocié avec le métal ou qui réagissent avec le gaz réducteur. En conditions acides, on peut utiliser le fluosilicate, l'acétate ou d'autres anions donnant une solubilité adéquate du métal s'ils ne réagissent pas avec le gaz réducteur. Les monoacides forts tels que les acides nitrique et chlor- hydrique ne sont pas utilisables commercialement bien que l'on puisse les rendre actifs en solution ammoniacale.
Du point de vue pratique,pour des raisons économique les anions que l'on rencontre commercialement sont assez limités. En solution basi- que ce seront les ions sulfate ou carbonate. En solution acide, ce seront les ions sulfate, fluosilicate ou acétate que ,1'on pourra rencontrer. On les prendra donc comme illustratifs pour la présente description.
D'une façon générale, on peut utiliser de nombreux gaz pour ré- duire les solutions de sels métalliques. Cependant, pour la mise en pra- tique de la présente invention, on a trouvé que les gaz contenant du soufre par exemple H2S et SO2 conduisent généralement à des produits contenant du soufre. Par suite, il est fortement désirable sinon absolument nécessaire d'éviter d'utiliser des gaz réducteurs contenant des éléments qui réagissent avec le métal intéressant pour former des composés indésirables par exemple le soufre qui tend à former des sulfures.
Le gaz réducteur peut être le plus commode convenant à cet effet est l'hydrogène. On l'obtient facilement par un grand nombre de procédés différents et industriels. Son utilisation n'entraîna- pas une contamina- tion du métal obtenu.
On peut également utiliser l'oxyde de carbone. I est un peu plus puissant que l'hydrogène et on peut ordinairement réaliser les réduc- tions à plus basse température. L'oxyde de carbone est particulièrement utile pour la réduction des solutions de carbonate de cuivre-ammonium, où il tend également à produire une poudre plus grosse et ordinairement plus dense. Cependant, pour la réduction des autres solutions les produits pul- vérisés obtenus avec l'hydrogène conviennent très bien. Si on utilise l'oxyde de carbone comme agent réducteur, il( est transformé en anhydride carbonique.
Dans la réduction des solutions acides, la libération d'an- hydride carbonique accroît la pression exigée pour la réduction optimum et peut limiter le degré de réduction que l'on peut atteindre dans une o- pération unique. De plus, avec certains métaux, par exemple le nickel, l'oxyde de carbone forme des composés carbonyle spécialement en solution
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basique et pour ces solutions, la difficulté de manipulation du carbonyle rend indésirable l'utilisation de l'oxyde de carbone.,
De nombreux composés organiques ordinairement gazeux ou donnant naissance à des gaz à la température de réduction réduisent techniquement les métaux de leur solution. Parmi eux,, se trouvent la formaldéhyde, l'aci- de formique, l'hydrazine, et analogues. Beaucoup sont impraticables du point de vue économique.
Beaucoup ne-réduisent pas en métal élémentaire. Certains sont non adéquats du point de vue opératoire. Des gaz réducteurs hydrocarbu- réstels que le méthane ne sont pas particulièrement utiles. Mêmeà des pres- sions totales aussi élevées que 63 atm, à des températures où l'hydrogène ou l'oxyde de carbone sont efficaces, le méthane et les corps analogues ne précipitent pas le métal. La nécessité d'utiliser des températures et des pressions plus élevées n'éliminent pas leur utilisation mais la rend peu vraisemblable car non économique.,
En général, par suite,l'utilisation d'hydrogène, d'oxyde de car- bone ou de leurs mélanges constitue la pratique la plus désirable ou la plus couramment rencontrée.
Dans le présent procédé, on conduit ordinaire- ment la réduction dans des récipients agités, susceptibles de résister à une pression totale d'environ 70 atm ou plus. Il est donc désirable écono- miquement d'achever une réduction dans le temps praticable le plus court, et on ajuste habituellement les conditions pour obtenir une réduction d'un achèvement adéquat en un temps relativement court. De préférence,celui-ci doit être d'environ une demi-heure ou moins. Si ce n'est pas possible, des temps de réduction plus longs allant jusqu'à environ deux heures peuvent être nécessaires. Les conditions désignées ici comme optimum seront donc celles qui assureront le degré désiré de réduction en environ une demi- à deux heures.
Bien que dans de nombreux cas, si on maintient les conditions de traitement suffisamment longtemps au delà de deux heures, on peut réali- ser la réduction à des températures et pressions plus basses et sur des so- lutions de composition non optimum, il n'y a aucune justification conomi- que pour le faire. Inversement dans de nombreux cas,on peut réaliser la réduction en moins d'une demi-heure, en particulier si on utilise des tem- pératures et des pressions suffisamment élevées. Cependant, la chaleur sup- plémentaire et ordinairement la résistance supplémentaire du récipient né- cessaire dépassent le bénéfice économique réel de cette économie de temps.
Lors de l'alimentation en gaz réducteur il est désirable de main- tenir sa pression partielle au-dessus du fluide dans le récipient de réac- tion à environ une atmosphère ou plus jusqu'à la fin de la période de réac- tion. Bien qu'il puisse être possible, dans certains cas, d'obtenir une certaine réduction en métal en présence d'une plus petite quantité de gaz, l'hydrogène par exemple, il ne vaut ordinairement pas la peine d'abaisser la limite d'une atmosphère. Ordinairement, des pressions encore plus hautes initialement, allant jusqu'à environ 21-35 atm. sont désirables.
Quand et si un ajustement est nécessaire au cours de la réductibn, on peut le réaliser a) en accroissant la pression partielle et totale par introduction davantage de gaz réducteur; b) en réduisant la pression totale en laissant échapper du gaz du récipient, ou c) par une combinaison des deux moyens. On peut dé- terminer le processus exact en mesurant la composition de la phase vapeur.
Une certaine agitation de la solution est désirable. On doit ob- tenir un contact adéquat entre le gaz réducteur et la solution. Ceci est fa- cilité par l'addition du gaz réducteur au-dessous de la surface du liquide.
On l'aide encore si le gaz ajouté est dispersé par l'agitateur. L'aspira- tion du gaz d'au-dessus du liquide par l'agitateur est également désirable.
L'agitation aide généralement la réaction de réduction. Cependant,, quand les conditions de réduction sont telles que la poudre formée est de taille fine, on doit éviter une agitation prolongée au delà du moment où la réduc- tion est achevée,car ces fines particules tendent à s'accumuler en dépôt sur
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l'appareillage et/ou à s'agflomérer en masse de faible densité. Il est donc nécessaire de contrôler le degré d'agitation pour--obtenir le mélangea- ge exigé pour une réduction rapide. Il ne doit pas être trop intense ni être poursuivi pendant une période prolongée suffisamment pour produire un effet nuisible sur le métal produit.
Dans la mise en pratique de l'invention,on peut modifier un peu les conditions optimum pour chaque élément à précipiter sous forme de mé- tal. Par suite, on illustrera séparément les conditions optimum dans les exemples suivants en ce qui concerne le processus désirable à utiliser pour l'obtention de chacun des métaux illustratifs. Ceci n'illustre pas seule- ment les applications pratiques de l'invention, mais encore les caractéris- tiques générales du procédé.
Dans la discussion des différentes mises en pratique de l'inven- tion, on doit noter que beaucoup d'ions peuvent être présents en solution en petites quantités sans affecter la réduction désirée. Il peut y avoir par exemple des cations de divers métaux supérieurs au cadmium dans l'échel- le des forces électromotrices. Cependant, ils doivent être solubles.
D'autres anions doivent être présents à condition qu'ils ne limitent pas la solubilité du métal réduit ou qu'ils ne réagissent pas avec le gaz ré- ducteur. Cependant comme de grandes quantités de ces sels étrangers ré- duisent la solubilité des matières désirées et abaissent la vitesse de réaction,on doit les éviter autant que possible même s'ils n'entrent pas en réaction.
Dans la discussion des exemples donnés ci-après, les solutions utilisées sont ordinairement celles ne contenant qu'un métal réductible par un gaz dans les conditions utilisées. D'autre part, il n'est pas né- cessaire que les conditions optimum pour la précipitation du métal condui- sent à un métal pur. Cependant, d'autres métaux réductibles par un gaz peuvent être présents dans certaines circonstances. C'est le cas quand ' leur réduction conjointe avec le métal désiré donne un alliage utile. Dans certains cas également,ils peuvent être présents en quantité qu'il ne vaut pratiquement pas la peine d'éliminer, soit en raison de leur petite quantité, soit du fait que .leur présence dans le métal désiré n'affecte pas sa fente ou son utilisation ultérieure.
Dans d'autres cas, on peut précipiter séparément les métaux par des processus de réduction préféren- tielle .
REDUCTION DU CUIVRE.
On obtient en grande quantité du cuivre commercialement pur par traitement de minerais sulfurés, de minerais oxydés ou de métaux secondaires. A partir de l'attaque des minerais ou concentrats sulfurés, on obtient ordinairement le cuivre sous forme d'une solution de sulfate pouvant également contenir du sulfate d'ammonium et soit de l'ammoniac li- bre, soit de l'acide sulfurique libre. Dans l'attaque des minerais oxydés, des métaux secondaires ou d'autres formes brutes de cuivre, la solution ob- tenue peut être semblable ou être une solution ammoniacale de carbonate.
Par suite, on utilisera à titre d'illustration une solution aqueuse conte- nant du sulfate de cuivre et/ou des ions carbonate et ammoniac, ces derniers étant présents en grande partie dans un complexe avec le cuivre et sous for- me de l'ion ammonium.
COMPOSITION DE LA SOLUTION,
On peut rencontrer divers sels de cuivre. On prendra à titre illustratif les sulfates et les carbonates. Le cuivre, sous forme du sul- fate est soluble en solution acide ou basique contenant une amine formant un complexe, ordinairement l'ammoniac, jusqu'à environ 100 g/1 aux tempéra- tures ambiantes et davantage aux températures élevées.
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Les carbonates cuivreux et cuivrique sont tous deux solubles en solution ammoniacale. On peut préparer ces solutions contenant les deux avec plus de 200 g/1 de cuivre dissous à la température ambiante. A des températures plus élevées, les deux sont moins solubles, la solubilité du cuivre cuivreux diminuant plus vite. Par suite,par chauffage à des températures supérieures au point d'ébullition atmosphérique, ce qui, comme on le verra est nécessaire pour la réduction en métal en un temps raisonnable, le cuivre en excès sur environ 135 - 150 g/1 précipite sous forme d'un composé du cuivre, ordinairement un oxyde.
Ceci se produit., soit immédiatement., soit quand, pendant la réduction par un métal ou l'hydrogène,suffisamment de cuivre cuivrique est réduit à l'état cuivreux pour provoquer le dépassement de la limite de solubilité du cuivre cuivreux total présenta Par exemple dans le tableau I suivant sont données des valeurs illustratives de NH2, CO2 et Cu+ (exprimé en CuO) qui, si on ne dépasse pas la teneur en cuivre cuivreux ne précipitent pas l'oxyde cuivreux en 10 minutes de chauffage de ces solutions à environ 377 .
TABLEAU I.
Limite de' la précipitation d'oxyde pour le système (Cu2O-NH2-CO2)
EMI7.1
<tb> Molécules <SEP> pour <SEP> cent <SEP> Rapport <SEP> NH3/C02
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<tb> 7,5 <SEP> 17,5 <SEP> 75 <SEP> 4,3
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25 <SEP> 70 <SEP> 3,1
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<tb> 7,75 <SEP> 27,25 <SEP> 65 <SEP> 2,4
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Les valeurs indiquées au tableau I sont pour des solutions dans lesquelles la teneur réelle en cuivre cuivreux est d'environ 135 g/1. Pour des solutions d'autres dilutions, le pourcentage moléculaire de Cu2O diffère et est vraisemblablement diminuéo La poursuite du chauffage de la solution à cette température est accompagnée d'une lente précipitation continue de Cu2O jusqu'à ce que la teneur cuivreuse de la solution ait diminué jusqu'à environ 90 g/1. On doit noter que si de l'oxyde de carbone est présent, il se forme un complexe cuivreux et il ne précipite pas d'oxyde dans des con- ditions par ailleurs semblables.
Si on précipite des composés du cuivre par chauffage ils sont réduits en cuivre métallique pendant la poursuite de la réduction. En gé- néral, cette pratique n'est pas désirable, car le métal résultant est une poudre légère, floconneuse,dendritique, de mauvaises caractéristiques physiques, et qui a une tendance marquée à entraîner les impuretés qui la diluent. Par suite, dans la mise en pratique préférée, la solution, soit de carbonate, soit de sulfate, soit d'un autre sel, doit être au-dessous de la saturation en cuivre à la fois à la température ambiante et à la tempé- rature de réduction. Si on doit utiliser des solutions plus concentrées., leur préparation et leur manipulation doivent avoir lieu à une température contrôlée pour éviter cette précipitation indésirable de sels ou d'oxydes
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de cuivre.
En général donc, les solutions ordinairement rencontrées de sulfate contiendront de préférence moins d'environ 100 g/1 de cuivre, celles de carbonate moins d'environ 130g/1. Il est rarement désirable, pour des raisons d'économie, de traiter des solutions de moins d'environ 20 g/1.
Les autres teneurs en matière dissoutes peuvent varier. Par exemple, on peut réduire avec succès le cuivre métallique à partir de solutions à teneur en ions hydrogène largement variable. Par suite,les solutions peuvent aller depuis des solutions d'amines fortement basiques contenant beaucoup d'ammoniac libre ou d'autres amines à celles contenant de grandes quantités d'acide libre. De plus, quel que soit le pH ou l'anion présent, il est désirable, et c'est généralement le cas, que la solution contienne un peu d'un autre sel dissous autre que ceux du métal ordinairement des sels d'ammonium.
Il semble que, au moins dans les phases initiales, le freinage de la vitesse de réduction produise un métal meilleur, plus dense. Ces sels produisent le résultat désiré. Des solutions diluées aussi faibles que 0,1 M/1, pour des solutions concentrées d'environ 0,5 M/1, produisent une amélioration observable, en conduisant à une poudre de cuivre métallique plus dense et plus granulaire que le métal spongieux obtenu quand elle est absente. D'autre part, on doit éviter un grand excès. Bien que les sels d'ammonium soient solubles jusqu'à 4 M/1 ou plus aux températures ambiantes, sans réduction notable de la solubilité du sel de cuivre, la réduction en métal à partir de solutions à teneur élevée en sels d'ammonium exige des conditions réductrices plus sévères pour obtenir un rendement égal.
Par suite, une bonne pràtique consiste à utiliser environ 0,1 - 2,5 M/1 de sels d'ammonium ou leurs équivalents.
On peut faire débuter la réduction en solution basique contenant des amines libres, à savoir l'ammoniac. Un peu d'ammoniac libre est nécessaire si on doit faire commencer la réduction du côté basique quel que soit l'anion. Ce critère diffère quelque peu cependant selon les anions. On prendra comme illustration les sulfates et les carbonates.
Dans les solutions de carbonates la teneur en amine peut être élevée. Par exemple on a obtenu la réduction à des concentrations en ammoniac libre allant jusqu'à 9 M/1 Cependant, l'accroissement de la teneur en ammoniac libre augmente la tension de vapeur de la solution et peut inutilement retarder la réaction. Par suite, des quantités élevées à l'excès exigent un équipement plus lourd et plus coûteux pour maintenir la réaction à la température de réduction. Des résultats illustratifs de l'effet de mo- dification de la teneur en NH3 ou en C02 pour des solutions ammoniacales de carbonate de différentes proportions cuivreux/cuivrique, sont indiqués au tableau II.
TABLEAU II.
Effet desvariations de la teneur en NE) ou CO2 sur la réductiono
EMI8.1
Réduction % (nar H2 à I77 et 63 atm pendant 75 minutes).
EMI8.2
gJ1 147 dl Gu++ 104 gel Ce-- 49 gJ1 Gu++ 0 glicc+ C02 a If ou 52 " Ou+ 47 " Cu' 156 " Cut
EMI8.3
<tb> (155 <SEP> " <SEP> NH3) <SEP> (155" <SEP> NH3) <SEP> (L45 <SEP> " <SEP> NH3)
<tb>
<tb> 70 <SEP> - <SEP> 98 <SEP> -
<tb>
<tb> 80 <SEP> - <SEP> - <SEP> 97
<tb>
<tb> 90 <SEP> 75 <SEP> 96 <SEP> 98
<tb>
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EMI9.1
g/1 147 g/1 Cu 104 g/1 Cu+ 49 gll Cu*+ 0 g/lCu'""' C02 0 i1 Cu+ 52 Ii Cu 1- 4? Cu+ 156 t Cut (155 ' 3) (155" NH3) (145 " NH3)
EMI9.2
<tb> 100 <SEP> 77 <SEP> 98 <SEP> 98
<tb>
<tb> 110 <SEP> 79 <SEP> 90 <SEP> 98
<tb>
<tb> 120 <SEP> 76 <SEP> 75 <SEP> 90
<tb>
<tb>
<tb> g/1
<tb>
EMI9.3
(110 y1 C02) (105 g/1 002) (100 g/1 C02)
NE] ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯
EMI9.4
<tb> 110- <SEP> 78 <SEP> 55
<tb>
<tb>
<tb> 120 <SEP> 86- <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb> 130 <SEP> 96- <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb> 140 <SEP> 99 <SEP> 98 <SEP> 66
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<tb>
<tb> 150 <SEP> 99 <SEP> 98 <SEP> 80
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<tb> 160 <SEP> 98 <SEP> 80
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<tb>
<tb> 170 <SEP> 99- <SEP> -
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<tb> 180- <SEP> - <SEP> 80
<tb>
<tb>
<tb> 190- <SEP> 99
<tb>
On ne peut pas définir la quantité désirable de CO2 ou de HN3 devant être présente sans se référer de l'un à l'autre ou à la quantité de
EMI9.5
cùivre dissous. Si la teneur en 002 et par suite en (NHI)C03 est trop élevée, la vitesse de réduction est affectée, en particulier aux proportions élevées cuivrique/cuivreux.
Cependant, les résultats indiqués au tableau II peuvent être influencés par la précipitation de l'oxyde cuivreux et ne doivent pas être extrapolés à l'application à des concentrations plus diluées en cuivre ou à des solutions d'autres sels.
Pour des solutions de carbonate le rapport moléculaire maximum de CO2/Cu initialement présent qui permet l'obtention de poudre de cuivre granulaire pur est de l'ordre d'environ 0,8 pour des solutions contenant 2 molécules de NH3 ;total par molécule de Cu, à environ 1,5 pour des solu- tions contenant 6 molécules de NH3 total par molécule de Cu. En général, la teneur totale optimum en ammoniac est trouvée être d'environ 4 molécules NH3 par molécule de Cu, ce qui donne environ 3,8 molécules NH3 libre par mo- lécule de Cu. Pour des teneurs plus élevées en C02 on a trouvé qu'une par- tie du cuivre obtenue est susceptible de consister en un dépot analogue à une feuille sur la surface humide de l'appareillage.
EMI9.6
A titre de comparaison, pour des solutions de sulfate,3si on fait débuter la réduction du côté basique, on trouve ordinairement qu'il n'est pas nécessaire que la teneur en ammoniac soit aussi élevée que pour les carbonates. A moins d'environ 1,8 molécule NE libre par molécule de Cu, la solution n'est plus basique. De cette proportion jusqufà environ 3-5, on peut opérer mais il n'y a pas d'utilité particulière à utiliser un
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excès.
D'autres sels métalliques peuvent également être présents. Ils peuvent même remplacer une partie des sels d'ammonium précédents et contri- buer au succès de la réduction en cuivre, à condition que le cation ne soit pas réductible par un gaz dans les conditions de la réduction et que l'anion ne réagisse pas avec le gaz réducteur. Cependant., la présence de quantités excessives de sels étrangers doit être évitée, comme tendant à réduire la solubilité du cuivre'dans la solution. Quand d'autre éléments pouvant for- mer des complexes aminés sont présents, on doit ajuster la composition de la solution pour satisfaire à leurs exigences en plus de celles du cuivre.
Il est facile de montrer cet effet. On trouve fréquemment un peu de Zn dans certaines solutions ammoniacales de carbonate de cuivre.
On soumet une série de solutions de cuivre-zinc contenant environ 160 g/1 de métal dissous à différents rapports Cu/Zn et environ 105 g/1 de C02, 150 g/1 de NH3 et un rapport Cu++/Cu+ égal à 1 à une réduction pendant environ 75 minutes à environ 1770 et une pression totale de 63 atmosphères en utilisant l'hydrogène. Les résultats illustratifs sont indiqués au ta- bleau III.
TABLEAU III.
Effet du Zn présent pendant la réduction du Cu.
EMI10.1
<tb> g/1 <SEP> Zn <SEP> % <SEP> Réduction <SEP> du <SEP> Cu
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 80
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 20 <SEP> 87
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 30 <SEP> 90
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 40 <SEP> 93
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 50 <SEP> 94
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 60 <SEP> 94
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 70 <SEP> 94
<tb>
Dans les conditions de l'essai, la présence du zinc produit une amélioration marquée.
Cependant, pour des solutions notablement plus diluées en cuivreou dans lesquelles la teneur en NH3 et CO2 est trop faible pour retenir le zinc, on ne doit pas s'attendre à ce résultat avantageux.
En plus de ces questions de solubilité du cuivre, de la teneur en amine et de la teneur en sels étrangers, dont toutes ont été notées pour des solutions basiques de sels tels que le carbonate et le sulfate, on doit noter la question de la teneur en acide libre. Les anions, tels que le sulfate, forment des sels qui sont à la fois stables et solubles en solution acide. La solution peut être fortement acide. La réduction du cuivre est possible à des teneurs en ions hydrogène équivalentes à celles de solutions contenant jusqu'à 170 g H2S04 par kg H2O ou plus. Cependant, à ces teneurs en H+ ou à des teneurs plus élevées, l'ion sulfate peut être réduit en sulfure et la poudre de cuivre peut contenir du sulfure de cuivre.
Quand on réduit du cuivre, soit par l'hydrogène, soit par l'oxyde de carbone, une quantité stoechiométrique d'anions acide est libérée, forme de l'acide et la concentration en H+ augmente. Il est donc désirable d'éviter de débuter avec une solution trop acide.
D'autre part, la teneur en H+ peut devenir trop élevée pour la réduction en cuivre métallique seul tandis qu'une grande quantité de cui-
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vre est encore en solution.
Dans le but d'illustrer l'effet de quantités variables d'acide libre, de sulfate d'ammonium, de sulfate de cuivre et de la température., on soumet divers échantillons d'une solution de cuivre à des conditions réduc- trices par H2 pendant 30 minutes à une pression totale d'environ 63 atm.
L'acide final est calculé en supposant que le produit est du cuivre métal- lique, sans correction pour le sulfure de cuivre. L'acide réel à la fin de la réduction est inférieur à la valeur calculée en raison de l'attaque corrosive de l'acide sur l'appareillage utilisée Les résultats illustra- tifs sont indiqués au tableau IV.
TABLEAU IV.
Effets de la concentration en acide sur la réduction du cuivreo g/1 final
EMI11.1
<tb> M/1. <SEP> initial <SEP> Temp. <SEP> % <SEP> H2SO4
<tb>
<tb> CuSO4 <SEP> H2SO4 <SEP> (NH4)2SO4 <SEP> C <SEP> Réduit <SEP> Cu <SEP> Trouvé <SEP> Calc. <SEP> % <SEP> S
<tb>
<tb>
<tb> 0,5 <SEP> 0,2 <SEP> 0 <SEP> 204 <SEP> 99,5 <SEP> 0,3 <SEP> 70 <SEP> 0,074
<tb>
<tb> 0,75 <SEP> 0,2 <SEP> 0 <SEP> 232 <SEP> 99,0 <SEP> 0,47 <SEP> 93 <SEP> 0,025
<tb> 0,5 <SEP> 0,3 <SEP> 0 <SEP> 204 <SEP> 99,5 <SEP> 0,3 <SEP> - <SEP> 80 <SEP> 0,05
<tb>
<tb> 0,75 <SEP> 0,5 <SEP> 0 <SEP> 232 <SEP> 98,7 <SEP> 0,61 <SEP> 100 <SEP> 123 <SEP> 0,085
<tb>
<tb> 1, <SEP> 0,2 <SEP> 00 <SEP> 204 <SEP> 94,8 <SEP> 3,2 <SEP> 111 <SEP> 114 <SEP> < <SEP> 0.01
<tb>
<tb> 1,5 <SEP> 0,2 <SEP> 0 <SEP> 204 <SEP> 95,4 <SEP> 4,4 <SEP> 127 <SEP> 167 <SEP> 0,038
<tb>
<tb> 0,75 <SEP> 0,
8 <SEP> 0 <SEP> 232 <SEP> 99,5 <SEP> 0,3 <SEP> 138 <SEP> 153 <SEP> 0, <SEP> 005 <SEP>
<tb>
<tb> 0,75 <SEP> 1,4 <SEP> 0 <SEP> 232 <SEP> 99,4 <SEP> 0,3 <SEP> 170 <SEP> 213 <SEP> 0,74
<tb>
<tb> 2, <SEP> 0,2 <SEP> 0 <SEP> 204 <SEP> 95,8 <SEP> 5,3 <SEP> 171 <SEP> 208 <SEP> < <SEP> 0,01
<tb>
<tb> 0,5 <SEP> 0,2 <SEP> 1 <SEP> 204 <SEP> 99,5 <SEP> 0,3 <SEP> 62 <SEP> 70 <SEP> 0,034
<tb>
<tb> 0,5 <SEP> 0,2 <SEP> 2 <SEP> 204 <SEP> 99,0 <SEP> 0,6 <SEP> 63 <SEP> 70 <SEP> 0,12
<tb>
x Essais conduits pendant deux heures.
On peut noter que cette teneur élevée en acide libre, cette teneur élevée en sulfate d'ammonium libre,cette température élevée et le temps prolongé tendent à accroître la teneur en sulfure du cuivre métallique produit. Ainsi,il est préférable d'éviter de dépasser 17 % d'acide sulfurique libre, ce qui est facile, Cependant, si, pour une raison quelconque, on désire opérer dans ces conditions, la solution doit être faible en sulfate d'ammonium, et on doit éviter une température élevée et un temps de séjour excessif. Par exemple, on ne doit pas dépasser une température d'environ 232 pendant plus d'environ 30 minutes.
Comme on l'a noté, un peu de sulfate d'ammonium est normalement présent. Cependant, lors de l'ajustement de la solution on doit prendre soin d'éviter de faibles concentrations en NH3 et en acide libre, car la concentration en sulfate d'ammonium approche la saturation. D'autre part, on peut précipiter le sel double de cuivre-ammonium.
<Desc/Clms Page number 12>
.CONDITION DE LA REDUCTION.
On peut utiliser n'importe quel gaz réducteur non sulfurant.
Les gaz réducteurs préférés de la mise en pratique de l'invention sont l'hy- drogène,l'oxyde de carbone et leurs mélanges. Il n'est pas nécessaire que la pression partielle du gaz réducteur soit élevée pour réduire le cuivre dans ces réductions. Cependant, une pression appréciable peut être néces- saire pour réduire tout l'oxyde de cuivre précipité. On réalise quatre es- sais illustratifs dans un autoclave réglé pour qu'il n'y ait pas de fuites.
On chauffe la solution à ébullition et on purge l'autoclave d'air à l'ai- de de vapeur. On ferme alors l'évent et on chauffe l'autoclave à la tempé- rature de réduction. On porte la surpression d'hydrogène à 14 atm et on ferme la soupape d'hydrogène. On note le temps de retour de la pression à la pression de vapeur initiale. On refroidit l'autoclave et on note la pression résiduelle. Les résultats sont indiqués au tableau V.
TABLEAU V.
EMI12.1
Splution,. M/1 Te Temc& Pression Cu NH3 â2â-04, 0 C Min. Résiduelle Remarques 1,4 - le4 218 10 1 atmos. métal clair
EMI12.2
<tb> 1,4 <SEP> - <SEP> 0,5 <SEP> 190 <SEP> 18 <SEP> " <SEP> " <SEP> "
<tb>
<tb> 1,5 <SEP> 1,25 <SEP> - <SEP> 190 <SEP> 23 <SEP> " <SEP> oxyde <SEP> + <SEP> métal
<tb>
EMI12.3
1,012,14 - 218 13 " St " 1(en Gq20) - 204 150 50 pas de métal
EMI12.4
<tb> observé
<tb>
Dans le tableau V est également indiqué un essai sur une qualité "pour réactif" d'oxyde cuivreux dans lequel aucune réduction n'intervient au-dessous de 3,5 atm. En conditions acides, la vitesse de réaction est élevée même quand la pression partielle du gaz réducteur est inférieure à 1,5 atm. En conditions acides, l'oxyde cuivreux est soluble et par suite ne précipite pas.
Cependant, en conditions basiques et spécialement en l'absence de sulfate d'ammonium,l'oxyde cuivreux précipite et bien qu'un peu de métal soit produit, il est mélangé d'oxyde. Par suite, dans les con- ditions où l'oxyde précipite, unepression de gaz réducteur supérieure à 3,5 atm et de préférence de 21 à 35 atm est désirable pour obtenir le métal exempt d'oxyde.
Un autre facteur important est la température. On peut obtenir la réduction à une température moyenne plus faible avec l'oxyde de carbone qu'avec l'hydrogène. En fait, on peut réduire les solutions de sulfate cui- vreux par l'oxyde de carbone à la température ambiante. Cependant, pour assurer une vitesse raisonnable de réaction avec CO ou H2, la température doit être supérieure à environ 121 .
Pour illustrer ce qui précède, on réduit des échantillons d'une solution de sulfate à différentes températures pendant 45 minutes sous une pression partielle de 35 atmosphères de H2. Des résultats illustratifs par- ticuliers sont indiqués au tableau VI.
<Desc/Clms Page number 13>
TABLEAU VI.
EMI13.1
<tb> Gaz <SEP> Tempo <SEP> <SEP> C <SEP> % <SEP> Réduction.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
H2 <SEP> 204 <SEP> 100
<tb>
<tb>
<tb> H2 <SEP> 175 <SEP> 85
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> H2 <SEP> 121 <SEP> 30
<tb>
Pour la réduction par l'hydrogène de liqueurs sulfatées sem- blables, une meilleure pratique consiste à utiliser l'intervalle 177 - 260 , l'intervalle 204-232 constituant en général l'optimum. On peut réduire les solutions de sulfate par H2 aux températures optimum et sous une pres- sion totale d'environ 63 atm pour obtenir un rendement d'environ 100% de cuivre en 15 minutes en conditions acides. Si NH3 libre est présent, la réduction est de 2 à 4 fois plus longue. On peut réaliser la réduction encore plus vite à des températures et des pressions,plus élevées,mais la diminution du temps de réaction n'est pas suffisante pour permettre à l'opération au-dessus d'environ 232 - 260 et 63 atm d'être économique.
Pour la réduction de solutions de carbonate, une température inférieure est ordinairement optimum. Au fur et à mesure de la précipita- tion du cuivre métallique, les teneurs en ammoniac libre et en carbonate d'ammonium de la solution augmentant à la fois. Si la solution initiale contient un optimum normal de 130 g/1 de cuivre, et est réduite à environ 93 - 177 sous 63 atm, après la réduction d'environ 60 - 70 % du. cuivre, la vitesse de réaction devient très lente, pratiquement négligeable. Une raison par exemple en est que la teneur croissante en ammoniac libre et en carbonate d'ammonium provoque l'accroissement des pressions partielles de NE ;et CO2, de sorte que pour une pression totale constante, la pression partielle du gaz réducteur devient trop faible pour une vitesse utile.
De plus, la vitesse de réduction du complexe semble être en raison inverse de la formation d'ammoniac libre non complexé, qui varie au fur et à mesure de la précipitation du métal.
On obtient normalement les solutions de carbonate-amine dans des cycles d'attaque sans addition d'anion. Par suite, on recycle la solution pour dissoudre le cuivre supplémentaire dans le cycle suivant. Ceci est possible économiquement après que seulement 60 - 70 % du cuivre ait été re- cueilli sous forme métallique. Par conséquent la question de l'achèvement de la précipitation n'est pas aussi importante que dans le cas des liqueurs obtenues par attaque oxydante de sulfures, processus au cours desquels il se forme l'anion.
On peut obtenir des rendements supérieurs à environ 60 - 70 % dans la réduction de liqueurs carbonatées en utilisant des températures inférieures pendant plus longtemps, ou en utilisant une pression opératoi- re plus élevée. Selon une variante, on peut éliminer NH3 et C02 en ouvrant l'autoclave jusqu'à une pression totale inférieure et appliquer une pression adéquate de gaz réducteur pour achever la réduction. On peut condenser les gaz échappés et les redissoudre pour les réutiliser dans l'attaque si on le désire.
Une limite à peu près semblable s'applique' à la réduction par CO des solutions acides de sulfate à teneur élevée en cuivre que l'on peut ordinairement complètement réduire. Le CO2 produit par la réaction s'accumule dans la phase vapeur. Si on le laisser s'accumuler jusqu'à une trop grande pression partielle, il peut abaisser celle du gaz réducteur et limiter le rendement. Par exemple, dans le traitement d'une'solution molé- culaire dans un autoclave rempli aux deux tiers de liquide sous 63 atm. on obtient seulement 90 % de réduction en 30 minutes, à moins d'éliminer
<Desc/Clms Page number 14>
CO2, par exemple en le laissant échapper. Dans les sclutions ammoniacales de sulfates cependant, il reste suffisamment de CO2 en solution, de sorte que le rendement n'est pas limité pour cette raison.
PROPRIETES DU PRODUIT EN POUDRE.
Les propriétés de la poudre obtenue diffèrent selon le gaz ré- ducteur utilisé ainsi que la nature de la solution. Pour des solutions de carbonates de composition optimum, quand on utilise l'hydrogène seul, la taille moyenne des particules de poudre de cuivre est d'environ 325 mailles et la densité de la masse est ordinairement d'environ 1,5 g/cc. Quand on utilise de l'oxyde de carbone, on peut obtenir une poudre beaucoup plus grosse, un produit particulier présentant une taille de particules d'en- viron 100 mailles et une densité de masse d'environ 3 à 4,5 g/cc. Des mé- langes de gaz réducteurs donnent des résultats intermédiaires.
Pour des solutions de sulfate, la poudre obtenue avec H2 a une taille moyenne d'en- viron 200 mailles et une densité de 2,5 g/cc ou plus, tandis qu'avec CO on peut obtenir une poudre densè très grosse ou des pilules.
On doit éviter une agitation excessive ou prolongée, pour plu- sieurs raisons. Par exemple, si on laisse la poudre se former en trop fi- nes particules, à savoir des particules inférieures en totalité à environ 400 mailles, les petites particules tendent à s'agglomérer et ainsi à occlu- re ou absorber des impuretés de la liqueur quand on les soumet à une agita- tion excessive ou prolongée. De même quand on utilise de l'oxyde de carbo- ne, une agitation excessive pendant la période au cours de laquelle la vi- tesse de réduction est lente peut entraîner la formation de grosses boules de cuivre contenant à l'intérieur de la solution non réduite. On peut évi- ter cette difficulté dans une large mesure en modifiant la vitesse d'agita- tion.
Cependant, il vaut mieux ajouter la solution pour éviter de rencon- trer des conditions entraînant ces mauvais résultats.
On peut éviter la précipitation d'une poudre d'une finesse exces- sive en réalisant la réduction dans les conditions assurant une plus faible vitesse. Ceci est possible par l'une ou l'autre de deux-variantes. L'une est l'addition de sels décrite précédemment, ordinairement un sel de la ma- tière complexante, tel qu'un sel d'ammonium du même acide pour des condi- tions basiques ou d'un acide formant un complexe anionique compatible en conditions acides. L'autre consiste à éviter une concentration excessive en ions hydrogène, à savoir à minimiser la quantité d'acide libre présent pendant la réduction.
La formation remarquable de produits en boules pendant une agita- tion prolongée quand on utilise CO pour réduire des liqueurs carbonatées ne se produit que dans les conditions où est possible une formation de plaques ou de feuilles. On peut éviter ceci en partie en utilisant une poudre métallique d'ensemencement; on peut également la minimiser en évitant une teneur excessive en sels étrangers et/ou ammoniac libre et en opérant plus près des conditions optimum exposées précédemment.
On peut réaliser la réduction en cuivre métallique pour n'importe quel rapport cuivreux/cuivrique initial en solution. Cependant, un certain contrôle est nécessaire pour l'obtention des résultats optimum. Par exem- ple, comme on l'a noté au tableau I, en traitant des solutions ammoniaca- les de carbonate de cuivre contenant plus que l'optimum d'environ 130 g/1 de cuivre au total, un peu d'oxyde de cuivre peut précipiter par chauffage au-dessus de 1770. Il précipite davantage de cuivre sous forme d'oxyde quand tout le cuivre est cuivreux, son oxyde étant moins soluble que l'oxy- de cuivrique. Cependant à partir de solutions contenant un peu de cuivre cuivrique le précipité, bien que plus petit, contient néanmoins un peu de CuO.
Bien que, comme on l'a vu, on peut réduire un précipité d'oxyde en métal par H2, la poudre métallique formée est de mauvaise qualité et la réduction est plus lente. De plus, la teneur en oxygène du cuivre obtenu
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est plus élevée pour des solutions concentrées en cuivre cuivrique. Dans des conditions comparables, la poudre de cuivre obtenue contient ordinaire- ment moins d'oxygène si le rapport cuivreux/cuivrique est supérieur à envi- ron 2 quand on chauffe la solution avant la réduction. Dans les conditions préférées, on peut abaisser la teneur en 02 dans la poudre précipitée à 0,001 % ou moins.
On peut si nécessaire ajuster le rapport cuivreux cuivrique en mettant la solution en contact avec une matière contenant du cuivre métal- lique. Ce produit peut être du cuivre pulvérulent ou une matière conte- nant du cuivre métallique obtenue à partir d'une autre source. On peut con- duire le traitement en agitant la poudre dans la solution ou en faisant passer la solution à travers un lit de cette poudre ou de toute autre maniè- re convenable . En plus de l'effet visible sur la vitesse de réduction et des propriétés du produit, la précipitation d'oxyde dans les solutions de carbonate est indésirable pour d'autres raisons., Certaines impuretés des liqueurs d'attaque carbonatées précipitent rapidement au chauffage.
On les élimine facilement par filtration si le précipité d'oxydes de cuivre n'est pas trop important pour provoquer une perte excessive. D'autre part, une trace de précipité d'oxyde semble favoriser la réduction en métalo Comme on l'a noté ci-dessus,une solution optimum de carbonate ne doit pas donner un précipité d'oxyde immédiatement par chauffage. Ceci permet de coaguler et de filtrer des impuretés sans perte appréciable de cuivre: Une solution optimum forme cependant un léger!-précipité d'oxyde cuivreux après environ 10 à 20 minutes à la température de réduction.
Quand CO constitue le gaz réducteur le petit précipité d'oxyde cuivreux peut ne pas apparaître au chauffage. Quand on utilise CO, il y en a ordinairement un peu dans la solutionprovenant d'opérations antérieu- reso S'il en est ainsi, il semble se former un peu de complexe soluble cuivreux d'oxyde de carbone plutôt qu'une précipitation de l'oxyde. Ceci simplifie le problème de chauffage. On amorce facilement une réduction plus poussée de ces solutions. Par suite, il y a une plus large latitude pour la composition des solutions que l'on peut utiliser efficacement quand on réalise la réduction par l'oxyde de carbone. On maintient éga- lement facilement la teneur en oxygène de la poudre finale de cuivre bien au-dessous de 0,01 %.
De ce qui précède, on peut déduire en résumé qu'une solution initiale doit contenir approximativement les teneurs en g/1 indiquées dans le tableau VII suivant et doit être traitée dans les conditions indiquées.
- TABLEAU VII.
Teneur des solutions ajustées en cuivre (g/1)
EMI15.1
<tb> Carbonates <SEP> Sulfates
<tb>
<tb>
<tb> intervalle¯¯¯¯¯¯optimum <SEP> intervalle¯¯¯¯optimum
<tb>
<tb>
<tb> Gaz <SEP> réducteur <SEP> H2 <SEP> CO <SEP> H2 <SEP> CO
<tb> utilisé
<tb>
<tb>
<tb> Cuivre <SEP> total <SEP> 20-200 <SEP> 130 <SEP> 130 <SEP> 20-100 <SEP> 75 <SEP> 75
<tb>
<tb>
<tb> cuivreux <SEP> 0-200 <SEP> (1) <SEP> (1) <SEP> 20-100 <SEP> (2) <SEP> (2)
<tb>
<tb>
<tb> cuivrique <SEP> 0-150- <SEP> -:
<SEP> 20-100- <SEP> -
<tb>
<Desc/Clms Page number 16>
EMI16.1
<tb> NH3 <SEP> pour <SEP> 10-220 <SEP> 165 <SEP> 165 <SEP> 0-220 <SEP> 75 <SEP> 65
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sys-
<tb>
<tb>
<tb> CO2 <SEP> tèmes <SEP> 15-150 <SEP> 110 <SEP> 110 <SEP> -- <SEP> -- <SEP> --
<tb>
<tb>
<tb> basi-
<tb>
<tb>
<tb> sa <SEP> 4 <SEP> ques(3) <SEP> -- <SEP> - <SEP> -- <SEP> 40-220 <SEP> 130 <SEP> 130
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> H2SO4 <SEP> libre
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> systèmes <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 0-170 <SEP> 0-20 <SEP> 0-20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> acides
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Température
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ( C) <SEP> 121-260 <SEP> 177 <SEP> 149 <SEP> 121-288 <SEP> 204 <SEP> 190
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> H2 <SEP> près.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> part.
<SEP> (Atm.) <SEP> 3,5-70 <SEP> 21 <SEP> 21 <SEP> 0,7-70 <SEP> 21 <SEP> 21
<tb>
(1) le rapport cuivreux/cuivrique doit être supérieur à environ 2.
(2) Le rapport cuivre/cuivrique est sans influence pour les sulfates.
(3) Pour des solutions basiques contenant du sulfate d'ammonium.
On a indiqué ci-après au tableau VIII des exemples illustratifs de réduction de solutions de carbonates de cuivre. Dans les essais A et C le gaz réducteur est H2 alimenté sous pression partielle initiale¯d'environ 37,8 - 39,9 atm. respectivement, les pressions partielles finales après refroidissement étant de 17.5 atm à 60 et 24,5 atm à 35 respectivement.
Dans l'essai B, le gaz est CO sous une pression initiale partielle d'envi- ron 36,4 atm et une pression partielle finale de 0 à environ 60 en raison de la dissolution.
TABLEAU VIII.
Réduction du cuivre àpartir desolution par NE) et CO première partie. Conditions de réduction et composition de la solution.
Composition de la olution (g/1)
EMI16.2
<tb> Es- <SEP> Echan- <SEP> Cu <SEP> Rendt
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sai <SEP> tillon <SEP> total <SEP> Cu+ <SEP> NH3 <SEP> CO2 <SEP> Zn <SEP> % <SEP> Cu <SEP> Remarques
<tb>
<tb>
<tb> n
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> A <SEP> tête <SEP> à <SEP> 114 <SEP> 55 <SEP> 165 <SEP> 125 <SEP> 37,5 <SEP> (Chauff. <SEP> jusqu'à
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (16 <SEP> minutes
<tb>
<tb>
<tb> 350 <SEP> 133 <SEP> 64 <SEP> 158 <SEP> 130 <SEP> -17 <SEP> (Résidu <SEP> de <SEP> pou-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (dre <SEP> d'un <SEP> cycle
<tb>
<tb>
<tb> + <SEP> 30 <SEP> min. <SEP> 92 <SEP> 84 <SEP> 143 <SEP> 96 <SEP> 19 <SEP> (antérieur
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (dans <SEP> l'auto-
<tb>
<tb>
<tb> + <SEP> 60 <SEP> min.
<SEP> 62 <SEP> 57 <SEP> 139 <SEP> 89 <SEP> 44 <SEP> (clave
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> + <SEP> 90 <SEP> mino <SEP> 46 <SEP> 48 <SEP> 137 <SEP> 89 <SEP> 60
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> B <SEP> tête <SEP> à <SEP> 122 <SEP> 52 <SEP> 181 <SEP> 127 <SEP> 31 <SEP> (chauf. <SEP> jusqu'à
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (25 <SEP> minutes.
<tb>
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Deuxième partie Manipulation (1) et analyse de la poudre de cuivre.
EMI17.2
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(1) Dans chaque essai la poudre de cuivre produite est claire et pratique- ment exempte d'oxygène quand on la filtre de la solution usée. L'exposi- tion à l'air pendant la filtration oxyde la poudre en rouge foncé.
On la lave alors successivement par une solution à 0,5 % NH3, H2SO4, à 5,0% de l'acide acétique agueux à 10% et de l'eau, puis on la sèche dans un tam- bour chauffé avec en plus un léger courant de H2. Après 20 minutes, la température est de 1000 et l'eau s'est évaporée. On poursuit le chauffage pendant encore 10 minutes à une température de 260 . On verse de l'eau sur le tambour pour le refroidir à 26 , on coupe 1'H2 et on ouvre le tam- bour. On analyse la poudre résultante.
On a indiqué dans le tableau IX des exemples illustratifs de réduction de solutions de sulfates de cuivre obtenues par attaque de con- centrats de minerais sulfurés.
<Desc/Clms Page number 18>
TABLEAU IX.
Poudre de cuivre a partir de solutions de sulfates.
EMI18.1
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Note : Liqueurs d'attaque obtenues par attaque oxydante de concentrats de chalcopyrite.
Réduction par H3 à 2040 et sous 56 atm (totale) pendant 30 minutes. On lave les poudres obtenues dans l'eau et on les sèche en atmos- phère d'hydrogène avant analyse. Les volumes de liqueurs résiduelles indi- qués comprennent un peu d'eau de lavage.
REDUCTION DU NICKEL.
Le nickel métallique s'obtient normalement à partir de minerais sulfurés, oxydés ou silicates. On peut mettre en pratique la présente in- vention sur une quelconque des solutions d'attaque de ces minerais ou leurs concentrats d'enrichissement ou de pyrométallurgie. Le plus habituellement on ne rencontre le nickel qu'en-solutions sulfatées ou carbonatées, la pre- mière contenant ordinairement, et la seconde toujours, de l'ammoniac libre.
Comme dans le cas du cuivre, d'autres anions peuvent être présents dans les solutions ammoniacales,sauf ceux qui forment un complexe non dissocié avec le métal ou qui réagissent avec le gaz réducteur. En solution acide, on peut utiliser le fluosilicate, l'acétate ou d'autres anions qui donnent une solubilité adéquate du nickel s'ils ne réagissent pas avec le gaz ré- ducteur. Les monoacides forts, tels que l'acide nitrique ou chlorhydrique, ne sont pas non plus industriellement utiles, bien qu'on puisse les rendre actifs en solutions ammoniacales.
<Desc/Clms Page number 19>
On va décrire la mise en pratique de la présente invention pour des solutions de nickel contenant des sulfates et/ou carbonates avec de l'am- moniac comme amine particulière, à la fois sous forme d'ions complexes avec le nickel et sous forme d'ions ammonium. La première phase principale est encore l'ajustement de la composition de la solution approximativement aux conditions optimum.
EMI19.1
ajustement de la goM2osition de la solution.
Le nickel est soluble dans l'eau sous forme de sulfates jusqu'à environ 90-100 g/1 Ni dans les conditions ambiantes. Sa solubilité est un peu réduite par la présence de quantités appréciables d'acide sulfurique libre, mais elle augmente avec la température. Le nickel est soluble environ au même degré dans les solutions de carbonate si une quantité suffisante d'ammoniac libre est présente. La solution doit donc contenir ordinairement moins d'environ 100 g/1 de nickel pour éviter la précipitation avant réduction. Sinon,on doit la préparer et la manipuler à température accrue. Des solutions contenant moins d'environ 10 g/1 Ni, bien que techniquement utilisables ne sont ordinairement pas économiques.
Les concentrations du nickel dans la solution ne semblent pas affecter notablement%,vitesse de réduction dans les conditions optimum.
Pour illustrer ce fait, on met en suspension une série de solutions contenant des quantités variables de nickel et environ 2 mol. d'ammoniac par mol de nickel avec environ 100 g/1 de poudre de nickel d'ensemencement et on réduit la suspension par l'hydrogène à environ 177 sous une pression totale de 35 atm. Des résultats particuliers qui montrent le temps nécessaire pour précipiter tout le métal de solutions contenant diverses quantités de nickel sont indiqués au tableau X. On voit que le temps nécessaire est en gros proportionnel au nickel initialement présent.
TABLEAU X.
Effet de la concentration du nickel sur le temps de réduction.
EMI19.2
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Une solution ammoniacale ajustée de sulfate de nickel, contenant des ions complexes ammoniac-nickel, provenant soit d'une liqueur d'attaque ammoniacale, soit d'une liqueur d'attaque acide neutralisée par l'ammoniac, soit d'une dissolution de sulfates d'ammonium-nickel dans l'ammoniaque a- queux, doit contenir à la fois de l'ammoniac libre et du sulfate d'ammonium pour qu'on obtienne les meilleurs résultatso Même si la solution ne con- tient initialement pas de sulfate d'ammonium,
de l'acide sulfurique et de l'ammoniac sont libérés du complexe pendant la réduction et forment du sulfate d'ammoniumo
Des exemples illustratifs de l'effet des variations de concentra- tions en sulfate d'ammonium et en ammoniac libre sur la réduction du nickel à partir de ces solutions sont indiqués au tableau XI.
<Desc/Clms Page number 20>
TABLEAU XI.
Effet de NH3 libre et de (NH4)2SO4 sur la réduction du nickel . partir de solutions de sulfates.
EMI20.1
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Note - (1) Plus 7 atm de pression partielle à froid = environ 5 M/1 (2) Dans les essais 4-7 on met en suspension dans la solution envi- ron 100 g/1 de poudre de nickel comme germes.
(3) La solution finale contient environ 4 % H2SO4 libre.
(4) NH3 libre final n'est que d'environ 0,12 M/1 ou 0,2 %.
D'après ces essais et des essais similaires on peut poser en prin- cipe : (a) que même avec des germes, un rapport NH3/Ni supérieur à 1 est nécessaire pour de bonnes vitesses de réduction, mais que des rapports supé- rieurs à environ 2,0 - 211 tendent à diminuer la vitesse;
(b) qu'un bon rapport NH3/Ni d'environ 1,8 - 2,0 accroissant la teneur en (NH4)2SO4 n'a pas d'effet nuisible sur la vitesse jusqu'à ce que le rapport NH4+/Ni at- teigne environ 3, valeur au-dessus de laquelle la vitesse diminue ; et (c) qu'avec des rapports NH3/Ni supérieurs, à savoir au-dessus d'environ 2,1, un rapport NH4+/Ni aussi bas que 2 peut avoir un effet nuisible sur la vi- tesse
<Desc/Clms Page number 21>
Le nickel a tendance à se déposer sur les parois et autres élé- ments humides quand on réalise la réduction sur.des solutions trop concen- trées en NH3 ou en sels d'ammonium. Cependant l'addition de poudre de ni- ckel provenant d'une réduction antérieure;
comme aux essais 4 - 7 du tableau XI.apporte suffisamment de germes pour éviter ce dépôts Ceci diminue éga- lement la période de réactiono Il semble qu'on obtienne des vitesses opti- mum pour des rapports NH3 libre/Ni d'environ 2, bien qu'on puisse utiliser des rapports d'environ 1,4- 4,0. Dans l'essai dans lequel le rapport molé- culaire NE /Ni n'est réduit qu'à 1, la réduction est interrompue quand la solution atteint environ 4 % en acide libre bien qu'elle contienne:encore 28 g/1 de nickel. La solution ajustée doit avoir un rapport supérieur pour éviter d'atteindre cette teneur en acide avant que davantage du nickel ait été réduit, ou bien on ajoute de l'ammoniac pendant la réduction.
Des résultats illustratifs obtenus lors du traitement de diverses solutions à teneur insuffisante en ammoniac et contenant du sulfate d'ammo- nium, par l'hydrogène à 204 - 2320 C et sous une pression totale d'environ 63 atm, sont résumés dans le tableau XII. On poursuit la réduction jusqu'à ce que la réduction de Ni devienne: négligeable ce qu'on détermine par la variation d'acidité. Dans le tableau, l'acidité finale correspond avec le nickel non réduit.
TABLEAU XII.
Effet de l'acidité finale sur la réduction de solutions de sulfates.
EMI21.1
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Teneur <SEP> finale <SEP> en <SEP> pH <SEP> Teneur <SEP> finale <SEP> en
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<tb>
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<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb> 3,5 <SEP> 11,7
<tb>
<tb>
<tb> 3,8 <SEP> 28,0
<tb>
On ne peut pas réduire le nickel à un degré appréciable à partir d'une solution aqueuse de sulfate contenant environ 5 % d'acide sulfurique libre ou plus. -Cependant, en supposant que du point de vue pratique, on obtienne une réduction complète quand la teneur en Ni est réduite à moins d'environ 1 g/1.
on n'obtient pas la réduction complète quand plus d'environ 0,9 % d'acide libre est présent. Des essais de ré- duction d'une solution de sulfate de nickel ne contenant pas d'acide li- bre, d'ammoniac libre ou de sulfate d'ammonium donnent une réaction inter- rompue à pH 1,8- 2 après formation d'une trace d5acide. Par addition de sulfate d'ammonium ou même d'acide sulfuriquey on peut réaliser la réduc- tion en l'absence d'ammoniac libre. Le tableau XIII montre l'effet des
<Desc/Clms Page number 22>
EMI22.1
quantités variables de E2S0 et de (NH4)2S04 Tous les essais sont conduits pendant une heure à 204 sous 70 atm de pression totale en utilisant l'hydrogène. Du sulfate de nickel à 1 M/1 est présent et on ajoute 10 g/1 de nickel d'ensemencement.
TABLEAU XIII
EMI22.2
<tb> Tête <SEP> Filtrat
<tb>
EMI22.3
H2S04 (xi) (NH4)2S04 (M/1) pH xzso4(g/1) H2SO4
EMI22.4
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 14,5 <SEP> - <SEP> 1,23 <SEP> 13,2 <SEP> +2,6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 16,0 <SEP> - <SEP> 1,10 <SEP> 14,4 <SEP> +2,3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,23 <SEP> 0,5 <SEP> 0,84 <SEP> 29,0 <SEP> +32,7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5,85 <SEP> 0,2 <SEP> 1,20 <SEP> 16,6 <SEP> +14,
6
<tb>
On réalise l'essai témoin pour déterminer la quantité d'acide sulfurique consommée par corrosion de l'autoclave. On ajoute cette quantité de 3,88 g/1 à l'analyse du filtrat dans chaque essai pour déterminer la quantité totale d'acide produit.
Les résultats indiquent que les ions sulfate ajoutés sous for- me de sulfate d'ammonium ou d'acide sulfurique permettent à la réduction de se poursuivre jusqu'à une teneur élevée en acide libre de la solution avant qu'elle cesse. On suppose qu'il se forme un complexe anionique de nickel tel que Ni (SO4)2- et que ceci permet à la réduction de conti- nuer.
Cependant, en solution acide, les ions sulfateront transformés en ions bisulfate qui apparemment ne forment pas de complexe, et par suite la réaction s'arrête. L'acidité jusqu'à laquelle se produit la réaction en l'absence d'ammoniac libre dépend de la concentration en ions sulfate.
En solution ammoniacale, la présence d'un peu de sulfate d'am- monium est également utile. En l'absence de sulfate d'ammonium, par ad- dition de NH3 à une solution de sulfate de nickel, il peut se produire une précipitation d'un peu d'hydroxyde. Une nouvelle addition d'ammoniac redissout ce précipité. Pour ces solutions, le rapport moléculaire NH3/ Ni est réduit à environ 2 quand au moins environ 0,5 M/1 de sulfate d'am- monium est présent. Comme on l'a noté ci-dessus cependant, on doit en évi- ter une quantité excessive.
On a noté que la vitesse optimum des réductions est obtenue pour des solutions ayant un rapport moléculaire initial NE /Ni d'environ 2. La réduction de solutions présentant environ ce rapport, produit éga- lement une poudre dense de nickel. Quand le rapport initial dépasse envi- ron 4 ou quand la concentration en sulfate d'ammonium dépasse environ 2N, il se produit parfois des dépôts, même quand on utilise des germes. Quand
<Desc/Clms Page number 23>
on réalise la réduction en solution acide spécialement avec une concentra- tion initiale minimum en sulfate d'ammonium, et addition graduelle d'ammo- niac pour empêcher d'atteindre une teneur terminale en acide, la poudre de nickel produite doit être très fine. Elle peut former des agglomérats spongieux par agitation prolongée.
Dans ces conditions, la poudre d'ense- mencement n'est pas nécessaire et si elle est présente elle a peu d'effet avantageux
Quand une solution contenant initialement 2 molécules d'ammoniac par mol de nickel est réduite par l'hydrogène, la réaction suivante repré- sente le résultat total
EMI23.1
Ni(NH3)2S04 + H2 ###)- (NE,)25 4 + Ni Dans ces conditions, l'ammoniac libéré du complexe se combine à l'acide sulfurique formé par la réduction pour donner du sulfate d'ammonium, théo- riquement sans modification du pH. Cependant, on peut obtenir de bons résultats quand le rapport NH3/Ni est d'environ 1,4 - 4. Avec des teneurs plus élevées en ammoniac,, la pression de vapeur est accrue et pour la même pression totale la pression partielle du gaz réducteur est diminuée.
Pour cette raison et en raison de l'effet nuisible de l'ammoniac libre, la vitesse de réaction est par suite diminuée. Pour des rapports inférieurs à environ 1,5 en particulier pour les solutions concentrées, la réduction du nickel rend la solution trop acide pour l'achèvement de la solution.
Comme on l'a noté, un peu de sulfate d'ammonium doit être pré- sent. Cependant, lors de l'ajustement de la solution, on doit prendre soin d'éviter de basses concentrations en NH3 et de basses concentrations en acide libre quand la concentration en sulfate d'ammonium approche de la saturation. D'autre part, le sel double de nickel-ammonium peut précipi- ter.
Quand on traite des solutions de carbonate, les mêmes teneurs initiales en ammoniac libre et en carbonate d'ammonium sont désirables.
Cependant, on doit noter une précaution. On doit permettre une pression de vapeur d'anhydride carbonique. Ceci est une raison supplé mentaire pour laquelle il n'est pas désirable de diminuer le rapport moléculaire NH3/Ni trop au-dessous d'environ 2.
CONDITIONS DE LA REDUCTION.
Dans la réduction du nickel, l'utilisation d'oxyde de carbone comme gaz réducteur est limitée. En solution ammoniacale aux températu- res de réduction, il se forme du nickel carbonyle. L'ouverture de l'auto- clave non seulement entraine la perte de nickel, mais le composé carbonyle est dangereux. Bien qu'en solution acide les difficultés de ventilation ne se présentent pas, le carbonyle n'est pas facilement transformable en une poudre satisfaisante et il est encore préférable d'utiliser l'hydrogè- ne.
Dans le but d'obtenir la réduction économiquement, non seule- ment la solution doit avoir la composition optimum, mais encore on doit contrôler les conditions de température, de pression partielle du gaz ré- ducteur et de degré d'agitation. Chacune de ces variables affecte nota- blement la vitesse de réaction. L'accroissement de la température et de la pression de gaz réducteur ainsi que l'emploi d'agitation diminue la durée de la réaction mais accroît non seulement les dépenses opératoires directes, mais encore les exigences de la résistance de l'appareillage.
Les conditions optimum sont donc déterminées par un équilibre économique.
Ceci est possible par l'accroissement de la température et le degré d'agi- tation jusqu'à ce que les économies obtenues par la diminution du temps de traitement et le volume nécessaire d'appareillage ne dépassent plus 1'ac- croissement des frais opératoires.
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Le rôle de l'agitation est d'assurer une dispersion uniforme rai- sonnable dans la solution du gaz réducteur et du nickel métallique pulvé- rulent, à la fois d'ensemencement, si on en utilise, et produit quand il se forme. Pour illustrer l'effet de la modification de l'agitation, on réali- se la réduction d'une solution optimum en utilisant 100 g/1 de germes à 1700 en utilisant 24,5 atm de H2 dans un autoclave de 3,78 litres muni d'un agitateur. On mesure le temps nécessaire pour la réduction à 0,1 g/1 de Ni à différentes vitesses de l'agitateur. Des résultats particuliers sont indiqués au tableau XIV.
TABLEAU XIV.
EMI24.1
<tb>
Vitesse <SEP> de <SEP> l'agitateur <SEP> Minutes <SEP> pour <SEP> une <SEP> réduction
<tb> T/minute <SEP> complète
<tb>
<tb>
<tb> 550 <SEP> 80
<tb>
<tb> 730 <SEP> 40
<tb>
<tb> 900 <SEP> 35
<tb>
Bien que le degré d'agitation soit difficile à définir, on peut voir ce- pendant que la vitesse d'agitation la plus élevée ne correspond pas à un avantage proportionné. En conditions acides, la vitesse de l'agitateur est plus critique qu'en conditions basiques dans la réduction du nickel.
Comme on l'a noté ci-dessus, une agitation excessive tend à former des agglomérats de produits pulvérisés fins à faible densité.
Les conditions de température et de pression ne sont pas faci- lement discutables indépendamment. De plus, elles dépendent toutes deux de la composition de la solution. A titre d'illustration, on réduit une solution ammoniacale de sulfate de nickel contenant environ 1,2 mol de Ni/1 et 5 M NH3 libre par mol de Ni, par l'hydrogène, en utilisant environ 100 g/1 de poudre de nickel d'ensemencement. Les autres conditions étant ensuite approximativement constantes on trouve qu'à environ 166-170 en augmentant la pression totale par accroissement de la pression partielle d'hydrogène, on accroît le rendement obtenu en environ 20 minutes depuis 0 à 35 atm si la pression partielle est négligeable, à environ 15 - 20 % à environ 42 atm,80 - 85 % à 49 atm, mais seulement 90% à environ 63 atm.
Des considérations économiques indiquent que l'utilisation d'une pression totale plus élevée accroît trop-rapidement les dépenses pour être renta- ble. Cependant, quand on réduit une solution ne contenant que NH3 2M/Ni M à environ 14 atm de pression partielle de H2, et à environ 149 , la ré- duction se déroule à une faible vitesse. A environ 177 , la vitesse est approximativement triplée, mais à environ 204 elle n'est que d'environ quatre fois plus rapide. Ainsi, l'accroissement de la température au-des- sus de 149 et le maintien du rapport NH3/Ni à environ 2 sont plus importants pour l'accroissement de la vitesse que l'augmentation de la pression partielle de H2, mais dans des conditions défavorables, l'augmentation de la pression partielle est utile.
On réalise des essais sur une solution de nickel en utilisant le même processus qu'au tableau V, dans lequel on établit une pression partielle de 14 atm H2 et on note le temps de réac- tion de H2. Les résultats sont indiqués dans le tableau XV ci-dessous.
<Desc/Clms Page number 25>
TABLEAU XV.
EMI25.1
<tb>
Solution <SEP> M/1 <SEP> Germes <SEP> Tempo <SEP> Temps. <SEP> Pressions <SEP> RemarNiSO <SEP> NH3 <SEP> (NH4)2SO4 <SEP> (g/1) <SEP> ( C) <SEP> (Min.) <SEP> résiduel- <SEP> ques
<tb> les
<tb>
<tb>
<tb> 0,72 <SEP> 1,4 <SEP> 0,36 <SEP> 0 <SEP> 190 <SEP> 230 <SEP> 1 <SEP> atm <SEP> (sulfate <SEP> basique <SEP> de <SEP> Ni)
<tb>
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 0,5 <SEP> 0 <SEP> 220 <SEP> 96 <SEP> " <SEP> 95% <SEP> Ni
<tb>
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 1,5 <SEP> 50 <SEP> 190 <SEP> 146 <SEP> " <SEP> 98,5% <SEP> Ni
<tb>
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 1,5 <SEP> 50 <SEP> 425 <SEP> 86 <SEP> " <SEP> 95 <SEP> % <SEP> Ni
<tb>
Dans le premier essai la réduction ne se déroule pas au-dessous de 5,6 atm de pression partielle. Dans le second essai, une solution plus concentrée de même composition est largement réduite en métal à une tempé- rature plus élevée.
Dans le second et les autres essais le nickel métalli- que n'est pas exempt d'oxyde. Les germes ont un effet utile malgré l'aug- mentation du sulfate d'ammonium et la réaction est plus rapide à la tempé- rature plus élevée. Bien qu'on obtienne une réduction à une vitesse raison- nable à une pression partielle inférieure à 1,05 atm, pour obtenir un métal exempt d'oxyde une pression partielle plus élevée d'au moins 3,0 atm et de préférence de 21 à 31 atm est désirable. Naturellement si on réalise la réduction sur des solutions contenant de l'acide libre, il n'existe pas le danger de la contamination par l'oxyde, même avec des pressions partielles inférieures à 1 atm.
La réduction des solutions ammoniacales de sulfate et de carbo- nate est réalisée dans les conditions optimum semblables, sauf que les so- lutions ammoniacales exercent des pressions de vapeur plus élevées. Par suite, on doit éviter des températures notablement supérieures à environ 177 C. Il est également désirable de limiter la concentration initiale en nickel dans le carbonate à environ 70 g/1 si on n'a pas l'intention d'o- pérer à une pression supérieure à environ 63 atm.
De préférence aussi, même quand on traite une solution de com- position optimum on doit y-mettre en suspension une poudre d'ensemencement.
En général, on doit utiliser de 5 à 100 g/1 selon la taille et l'activité de la poudre d'ensemencement. Les germes doivent avoir une faible densité de préférence inférieure à 1.
Bien que l'on ait décrit à titre illustratif les solutions de sulfate et de carbonate d'autres anions peuvent être présents. Comme les acides correspondants peuvent avoir des forces différentes de l'acide sul- furique, il est important de considérer les conditions finales non du point de vue pourcentage d'acide libre, mais en ions hydrogène libre, ce qu'on exprime ordinairement par le pH. Cependant, la teneur en acide libre peut être si élevée que la valeur du pH, fonction logarithmique ne met pas en valeur les différences de conditions. Dans la présente description on a donc défini ce facteur par les concentrations en ions hydrogène.équivalentes à celles trouvées dans des solutions à teneur donnée en acide sulfurique libre.
En résumé, pour une réduction optimum du nickel, certaines con- ditions initiales sont désirables. Cependant, pour une réduction à moins de 1 g/1 les conditions finales sont critiques. On peut ajuster les condi- tions initiales pour produire les conditions finales désirées, ainsi que pour permettre l'amorçage et la réduction, et on opère souvent ainsi. Ou bien, on peut réaliser d'autres ajustements au cours de la réduction. On peut résumer ces limitations pour les cas illustratifs dans le tableau XVI
<Desc/Clms Page number 26>
ci-dessous. Les colonnes "optimum" indiquent les conditions donnant des concentrations en nickel résiduel de g/1 ou moins.
TABIEAU XVI.
Solutions ammoniacales ajustées Solutions acides ajustées.
EMI26.1
<tb>
Carbonate <SEP> Sulfate <SEP> Sulfate
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> inter- <SEP> optimum <SEP> inter- <SEP> optimum <SEP> inter- <SEP> optimum
<tb>
<tb>
<tb> valle <SEP> valle <SEP> valle
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Teneur <SEP> ini- <SEP> 10-100 <SEP> 65-70 <SEP> 10-135 <SEP> 80 <SEP> 10-100 <SEP> 70
<tb>
<tb>
<tb> tiale <SEP> en
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Ni <SEP> (g/1)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rapport <SEP> 1,5-8 <SEP> 1,8-2,2 <SEP> 1,5-8 <SEP> 1,8-2,2 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> moléculaire
<tb>
<tb>
<tb> initial
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> NH3/Ni
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Teneur <SEP> ini- <SEP> 0,3 <SEP> 0,5-1 <SEP> 0,3 <SEP> 0,5-1 <SEP> 0,3 <SEP> 0,5-1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> tiale <SEP> en <SEP> sels
<tb>
<tb>
<tb> d'ammonium
<tb>
<tb>
<tb> (M/1)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Teneur <SEP> fina- <SEP> - <SEP> - <SEP> 0,5 <SEP> 0-0,5 <SEP> 0,5 <SEP> 0-0,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> le <SEP> en <SEP> H2SO4-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> libre <SEP> (% <SEP> p/v)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Températu- <SEP> 121-260 <SEP> 177 <SEP> 149 <SEP> 204 <SEP> 149 <SEP> 177-232
<tb>
<tb>
<tb> re <SEP> initiale
<tb>
<tb>
<tb> C
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Pression <SEP> par- <SEP> 3,5 <SEP> - <SEP> 3,5 <SEP> - <SEP> 0,70 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb> tielle <SEP> minimum
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> du <SEP> gaz <SEP> réducteur
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (atm-H2)
<tb>
On traite deux liqueurs d'attaque ammoniacales d'un minerai de cuivre-nickel-cobalt pour éliminer la plus grande partie du cuivre et on le neutralise à pH 5,
5 par l'acide sulfurique pour précipiter le nickel sous forme de cristaux de sulfates de nickel-ammonium. On lave soigneusement les cristaux de la première liqueur qui contiennent davantage de cuivre et de cobalt pour éliminer les thionates. On dissout des échantillons avec 3 mol NH3 par mol de nickel à 80 g/1 Ni et on les réduit à 225 G sous une pression de 28 atm H2 pendant 30 minutes. On réduit le premier échantillon en présence de poudre de nickel commercial d'ensemencement et on utilise des échantillons successifs de la poudre de l'essai précédent comme ensemen- cement.
On prend un échantillon de chaque métal obtenu et on lave chaque échantillon à .l'alcool, puis à l'éther et on le sèche au bain-marie et on l'analyse
On ne soumet les cristaux de la seconde liqueur qu'à un léger lavage et par suite des thionates sont encore présents. Quand on les dis- sout et qu'on les réduit comme il est décrit ci-dessus, le nickel métalli- que produit contient du soufre. Cependant, après chauffage à 4000 en atmos- phère d'hydrogène, le soufre est éliminéo
<Desc/Clms Page number 27>
Les analyses de poudre de ces essais sont données au tableau XVII.
TABLEAU XVII.
EMI27.1
<tb>
Produit <SEP> % <SEP> germe <SEP> % <SEP> Ni <SEP> % <SEP> Ou <SEP> + <SEP> Co <SEP> %Fe <SEP> % <SEP> S
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Germe <SEP> 100 <SEP> 99,59 <SEP> 0,62 <SEP> 0,33 <SEP> 0,022
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Premier <SEP> essai
<tb>
<tb> première <SEP> solu-
<tb>
<tb> tion <SEP> 55 <SEP> 98,84 <SEP> 0,85 <SEP> 0, <SEP> 009 <SEP> < <SEP> 0,01
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Deuxième <SEP> essai
<tb>
<tb> première <SEP> solu-
<tb>
<tb> tion <SEP> 40 <SEP> 98,84 <SEP> 0,72 <SEP> 0,008 <SEP> <0,01
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Troisième <SEP> essai
<tb>
<tb> première <SEP> solu-
<tb>
<tb> tion <SEP> 32 <SEP> 99,38 <SEP> 0,71 <SEP> 0,008 <SEP> <0,01
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Deuxième <SEP> solu- <SEP> x
<tb>
<tb> tion <SEP> 0 <SEP> 99,68 <SEP> 0,17 <SEP> 0,005 <SEP> 0,
14
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Deuxième <SEP> solu-
<tb>
<tb>
<tb> tion <SEP> H2 <SEP> séché <SEP> 99,81 <SEP> 0,17 <SEP> 0,008 <SEP> < <SEP> 0,01
<tb>
* Poudre d'ensemmencement provenant de cycles antérieurs en conditions iden- tiques
L'examen spectrographique montre qu'aucune impureté n'est pré- sente au-dessus de 0,001- 0,01 %. En dehors des autres métaux réductibles par un gaz, le nickel produit contient moins de 0,1 % d'impuretés totales- Même le fer des germes est largement éliminé.
REDUCTION DU COBALT.
Le Co s'obtient normalement à partir de minerais sulfurés, sul- furés-arseniurés ou oxydés. Ceux-ci peuvent être attaqués par divers pro- cédés pour dissoudre le cobalt. On peut obtenir une solution ammoniacale de carbonate ou de sulfate ou des solutions acides de sulfate. En solution ammoniacale, tout autre anion peut être présent sauf ceux qui, comme le cyanure, forment un complexe pratiquement non réductible, ou qui, comme le permanganate réagissent avec le gaz réducteur. Certains, tels que les sulfates, sont préférables aux autres, tels que les carbonates, en raison de leur solubilité plus élevée. De plus, comme on le verra ci-après, l'a- cidité terminale au-dessous de laquelle on peut réduire en métal les sels de cobalt, est faible.
Un système ammoniacal de sulfate de cobalt sera le plus habituellement rencontré dans la pratique industrielle et par suite, on le prendra comme illustration pour la présente description.
Le sulfate cobalteux est soluble à la fois en solutions acides et ammoniacales de composition appropriée jusqu'à environ 120 g/1 Co dans les conditions ambiantes. Aux conditions neutres et légèrement acides, quand le sulfate d'ammonium est présent en quantité suffisante, on peut pré- cipiter le sel double. C'est,une autre raison pour préférer les conditions basiques. Dans des solutions ammoniacales contenant NH3 libre, le sulfate basique précipite pour des rapports moléculaires NH3/Co inférieurs à 3, à moins qu'une quantité suffisante de sulfate d'ammonium ne soit présente.
Bien que ce soit possible pour des raisons économiques, il est rarement dé- sirable de traiter des liqueurs contenant moins de 4 g/1 Co.
<Desc/Clms Page number 28>
REDUCTION COBALTIQUE.
Le cobalt est plus facilement oxydé à l'état trivalent que le ni-
EMI28.1
ckel. De plus, le sulfate cobaltique "aminé"(Go(NH)6)z(S0)3, 2H20 est précipité par une forte oxydation des solutions fortement ammoniacales. On peut parfois utiliser ce processus pour séparer du cobalt soit d'autres métaux réductibles par un gaz, soit de solutions diluées.
Cependant,si on le met en suspension dans l'eau ou en solution ammoniacale diluée, on le réduit par l'hydrogène à 149 - 232 , on obtient du cobalt et du sulfate d'ammoniumo On n'obtient qu'une réduction faible ou nulle de ces amines cobaltiques au-dessous d'environ 149 , on obtient une certaine réduction à 160 - 165 et on peut obtenir une réduction complète pendant environ une demi-heure au-dessus d'environ 188 - 190 si les conditions sont par ailleurs cor- rectes. L'ensemencement par du cobalt pulvérisé selon le procédé précité, est dans ce cas fortement désirable. Si l'ammoniac "libre" dépasse environ 3 M/1 il faut une quantité suffisante d'hydrogène pour produire une pression totale supérieure à environ 51 atm à 204 .
En raison de la pression partielle élevée d'ammoniacqui augmente au fur et à mesure de la réduction,on peut diminuer la pression partielle d'hydrogèneà moins de 3,5 atm.
Une pression totale minimum de 56 atm est meilleure. Les températures usuelles rencontrées vont d'environ 160 à environ 260 , de préférence avec utilisation d'une pression partielle de H2 de 14 - 35 atm et d'une pression totale d'environ 51 - 63 atm. La résistance d'appareillage exigée pour supporter plus d'environ 70 atm est rarement rentable pour une augmentation des vitesses de réaction en utilisant ces pressions. La teneur en ammoniac libre doit être maintenue au-dessus de celle du sel aminé mais au-dessous d'environ 3 M/1. Le minimum de sulfate d'ammonium est celui qui dérivé de la réaction du sel aminé,le maximum étant maintenu au-dessus d'environ 4 et de préférence au-dessous de 0,8- 1,0 M/1.
REDUCTION GOBALTHUSE.
Les solutions cobalteuses à teneur élevée en ammoniac et en sulfate d'ammonium et de composition semblable aux suspensions d'amines cobaltiques peuvent également être réduites. Des résultats illustratifs de réduction de ces solutions à environ 232 en utilisant une pression partielle d'hydrogène de 28 atm. et pas d'ensemencement sont indiqués au tableau XVIII.
TABLEAU XVIII.
Effet d'une teneur élevée en NH3 et (NH4)2SO4
EMI28.2
<tb> Teneur <SEP> initiale <SEP> (M/1) <SEP> Temps <SEP> Rendement
<tb>
<tb>
EMI28.3
Go NH3 (NH4) +" (Min..) % ---------
EMI28.4
<tb> 0,88 <SEP> 10,3 <SEP> 1,6 <SEP> 60 <SEP> 65
<tb>
<tb> 0,87 <SEP> 9, <SEP> 4 <SEP> 1,75 <SEP> 60 <SEP> 81
<tb>
<tb> 0,85 <SEP> 8,2 <SEP> 1,7 <SEP> 60 <SEP> 83
<tb>
<tb> 0,75 <SEP> 6,4 <SEP> 5,4 <SEP> 120 <SEP> 44
<tb>
<tb> 0,79 <SEP> 5,2 <SEP> 5,0 <SEP> 120 <SEP> 69
<tb>
<tb> 0,82 <SEP> 6,65 <SEP> 3,5 <SEP> 120 <SEP> 80
<tb>
<tb> 0,88 <SEP> 6,75 <SEP> 1,7 <SEP> 120 <SEP> 88
<tb>
<Desc/Clms Page number 29>
A partir de ces essais et d'essais semblables on a trouvé que l'a croissement de la teneur en sulfate d'ammonium au-dessus de 0,85 M (1,7 mol NH4+)
affecte le rendement comme l'accroissement de l'ammoniac libre au-dessus de 7 Mo
L'ensemencement par une poudre de cobalt métallique permet d'obtenir des vitesses plus rapides et/ou d'utiliser des températures et des pressions plus basses La réduction de solutions contenant de plus faibles quantités d'ammoniac et de sulfate d'ammonium se déroule rapidement à 204 et 56 atm de pression totale quand on ajoute des germes. Des résultats particuliers obtenus dans ces conditions sont illustrés ci-dessous au tableau XIX.
TABLEAU XIX Ensemencement dans la réduction des solutions intermédiaires
EMI29.1
<tb> Teneur <SEP> initiale <SEP> (M/1) <SEP> Germes <SEP> Temps <SEP> Rendement
<tb>
EMI29.2
Co NH NH (9/1.) (Min.) (%) ------------- 2 ------ H --------------------------------------
EMI29.3
<tb> 0,12 <SEP> 0,48 <SEP> 0,48 <SEP> 665 <SEP> 30 <SEP> 100
<tb>
<tb> 0,12 <SEP> 0,48 <SEP> 0,48 <SEP> 200 <SEP> 20 <SEP> 100
<tb>
<tb> 0,6 <SEP> 2,4 <SEP> 1,44 <SEP> 665 <SEP> 30 <SEP> 99
<tb>
<tb> 0,69 <SEP> 2,8 <SEP> 2,8 <SEP> 200 <SEP> 20 <SEP> 86
<tb>
<tb> 0,95 <SEP> 3,8 <SEP> 3,8 <SEP> 665 <SEP> 30 <SEP> 89
<tb>
<tb> 1,2 <SEP> 9,5 <SEP> 2,4 <SEP> 100 <SEP> 20 <SEP> 82
<tb>
<tb> 1,2 <SEP> 9,2 <SEP> 4,
6 <SEP> 100 <SEP> 20 <SEP> 32
<tb>
On voit que dans les cinq premiers essais on utilise des rap- ports moléculaires NH/Co et NH4+/Co d'environ 4 avec d'excellents résultats mais que les augmentations des quantités d'ammoniac et/ou de sulfates d'ammonium diminuent les rendements.
On peut également réduire rapidement des solutions contenant des rapports encore plus faibles NH3/Co. Les résultats particuliers obtenus avec l'hydrogène en environ 1 heure à 220 et 59,5 atm de pression totale sont indiqués au tableau XX ci-dessous.
TABLEAU XX.
EMI29.4
<tb>
Teneur <SEP> initiale <SEP> (M/1) <SEP> NH3 <SEP> ajoute <SEP> Solution <SEP> finale
<tb>
EMI29.5
------------------------------------------------------------------------
EMI29.6
<tb> Co <SEP> (NH4) <SEP> pH <SEP> (M/l) <SEP> pH <SEP> NH3 <SEP> libre <SEP> (M/1) <SEP> Réduction
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> * <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,91 <SEP> 0,25 <SEP> 3,0 <SEP> 4,4 <SEP> 9,6 <SEP> 1,5 <SEP> 99,9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,85 <SEP> 0,64 <SEP> 3,7 <SEP> 3,4 <SEP> '9,05 <SEP> 0,75 <SEP> 100,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,95 <SEP> 1,19 <SEP> 3,0 <SEP> 2,4 <SEP> 10,9 <SEP> 0,5 <SEP> 99,5
<tb>
EMI29.7
0,4 0,77 6,0 1,2 8,4 0.,1 97,5
EMI29.8
<tb> 0,43 <SEP> 1,3 <SEP> 2,1 <SEP> 1,1 <SEP> 8,3 <SEP> 0,04 <SEP> 93,
5
<tb>
<Desc/Clms Page number 30>
EMI30.1
Co (NH,) pH (1-1/1) pH NE3 libre (M/1) Réduction m % -------------------------------------------------------------------------- 0,14 li,3 24 0,35 8,0 99,5
EMI30.2
<tb> 0,88 <SEP> 0,73 <SEP> 3,0 <SEP> 1,76 <SEP> 2,5 <SEP> 80,0
<tb>
* Note ; Les solutions utilisées dans ces essais sont obtenues par attaque acide et les liqueurs d'attaque sont traitées par la chaux pour précipiter lesimpuretés. Le pH après chaulage mais avant l'addition de NH3 est indi- que.
Le dernier essai montre que quand la quantité d'ammoniac ajoutée est inférieure à un rapport moléculaire NH3/Co d'environ 2, la solution devient bientôt trop acide et la réduction s'arrête à un pH d'environ 2,5 avec jusqu'à environ 10 g/1 de cobalt encore en solution.
On peut réduire dans une certaine mesure la teneur en cobalt d'une solution neutre, à savoir ne contenant pas d'ammoniac libre, si on applique une pression suffisante d'hydrogèneo Cependant, on peut obtenir une réduction notable si on ajoute de l'ammoniac gazeux à l'autoclave pen- dant la réduction. Quand la teneur en ammoniac est insuffisante et qu'un peu d'acide libre est présent, la réduction est incomplète. Cependant, on peut la rendre complète en maintenant un pH légèrement supérieur à 7. Quand on n'ajoute que de petites quantités d'ammoniac avant la réduction, par exemple une molécule NH3 par molécule de cobalt, la réduction cesse quand la solution devient acide, mais le produit contient du sulfate basique de cobalt.
La réduction dans ces conditions d'une solution de cobalt contenant environ 0,5 M/1 de cobalt et 1,0 M/1 de NH + à 2320 est indiquée par les quatre résultats particuliers du tableau XXI. Dans le premier cycle on n'a- joute pas de NH3./ Dans le second on en ajoute une molécule par molécule initiale de cobalt,dans le troisième et le quatrième cycle on ajoute pé- riodiquement NH3 pendant le cycle pour revenir aux conditions basiques et la quatrième solution est maintenue basique jusqu'à la fin.
TABLEAU XXI.
Réduction acide de solution de sulfate de cobalt.
EMI30.3
<tb>
Solution <SEP> initiale <SEP> (M/1) <SEP> Solution <SEP> Temps <SEP> Tempo <SEP> Pres- <SEP> Rendement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> finale <SEP> sion <SEP> to- <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> tale
<tb>
EMI30.4
Co (NH4)+ pH H2S04 libre Min. (OC) ---------- ---- ----------------------%-
EMI30.5
<tb> 0,5 <SEP> 1,0 <SEP> 0,09 <SEP> 60 <SEP> 232 <SEP> 1370 <SEP> 16
<tb>
<tb> 0,5 <SEP> 1,0 <SEP> 0,04 <SEP> 60 <SEP> 232 <SEP> 900 <SEP> * <SEP> 55
<tb>
<tb> 0,5 <SEP> 1,0 <SEP> 0,012 <SEP> 90 <SEP> 232 <SEP> 1000 <SEP> 76
<tb>
<tb> 0,5 <SEP> 1,0 <SEP> 7,4 <SEP> 100 <SEP> 232 <SEP> 1000 <SEP> 93
<tb>
* Note : On obtient un rendement de 55 % en métal.
Il précipite également un peu de sulfate basiqueo
En résumé, on peut réduire avec succès des solutions contenant du cobalt depuis des conditions légèrementr acides jusqu'à fortement ammo-
<Desc/Clms Page number 31>
niacales et contenant des proportions variables d'ammoniac, de sulfate d'ammonium et de cobalt. Il existe cependant des limites définies que l'on doit respecter pour que ce procédé soit applicable, et des conditions encore plus étroites que l'on doit observer pour obtenir des résultats optimum.
Le tableau XXII donne l'analyse d'une poudre de cobalt obtenue par traitement d'une solution de sulfate dont le nickel n'a antérieurement pas été éliminé. La solution contient de l'ammoniac dans un rapport moléculaire de 3 avec Co et du sulfate d'ammonium dans un rapport moléculaire de 0,81 avec Go. On conduit la réduction par l'hydrogène à 177 sous une pression totale de 42 atm pendant 90 minutes. On emploie 80 g/1 de poudre d'ensemencement de moins de 325 mailles.
TABIEAU XXII.
Poudre de cobalt à partir de solutions de sulfate.
Analyse % ou g/1
EMI31.1
<tb> Co <SEP> Ni <SEP> Fe <SEP> Cu <SEP> Az <SEP> S
<tb>
EMI31.2
------------------------------------------------- --
EMI31.3
<tb> Solution <SEP> initiale <SEP> 49,0 <SEP> 3,38 <SEP> 0,05 <SEP> 0,0 <SEP> 0,0
<tb>
<tb> Liqueur <SEP> de <SEP> queue <SEP> 0,16 <SEP> 0,03
<tb>
EMI31.4
Poudre de Co 949 9 4p7% O,io% 000 ± 0,01% 0,039%
La réaction est facilitée si on opère avec au moins une, de préférence au moins deux, mais pas plus d'environ 7 molécules d'ammoniac par molécule de cobalt. On obtient des meilleurs résultats pour des rap- ports NH3/Co allant d'environ 2 à environ 4. De préférence, il doit y avoir au moins 0,5 ou plus molécules de sulfate d'ammonium par litre.
Les limites supérieures vont de rapports NH4/+/Co d'environ 0,8 - 1,0 pour des rapports NH3/Co élevés supérieurs à environ 4, jusqu'à environ 3 - 4 pour des rapports NH3/Co de 2 - 4. En présence de sulfate d'ammonium, une certaine réduction peut seeproduire dans des solutions contenant autant que 0,9 % d'acide sulfurique libre mais pour une récupération complète, c'est- à-dire une réduction jusqu'à moins de 1 g/1, des solutions ammoniacales plus basiques que pH 7,0 sont nécessaires.
REDUCTIONS SUPPLEMENTAIRES.
Autres métaux formant des complexes.
En plus du cuivre, du nickel et du cobalt faisant l'objet de la discussion précédente, d'autres métaux par exemple l'argent, le-mercu- re, le cadmium, le zinc et le manganèse forment également des complexes aminés semblables. Parmi ces exemples illustratifs, les deux premiers sont plus facilement réductibles par l'hydrogène que le cuivre; les trois der- niers sont plus difficiles que le cobalt.
Ag et Hg sont encore plus facilement réductibles que le cuivre, de sorte que comme le cuivre on peut les réduire directement par l'hydro- gène en présence de beaucoup d'acide libre. Ceci peut être illustré dans le tableau XXIII suivant montrant les résultats obtenus dans les conditions indiquées.
<Desc/Clms Page number 32>
TABLEAU XXIII,
EMI32.1
<tb> Métal <SEP> M/1 <SEP> Anion <SEP> Temp( C) <SEP> Pression <SEP> Temps <SEP> Rendement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> totale <SEP> (Min.) <SEP> (%)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (atm)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Ag <SEP> 0,1 <SEP> S04 <SEP> 204 <SEP> 70 <SEP> 60 <SEP> 80+
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Hg <SEP> 0,5 <SEP> NO3 <SEP> 204 <SEP> 49 <SEP> 60 <SEP> 60+
<tb>
Ces résultats ainsi que les résultats similaires sont intéressantes pour plusieurs raisons. Les rendements sont assez bons, de sorte que l'on peut obtenir une réduction complète en circuit fermé. Bien que l'on puisse améliorer les rendements par complexion, ce n'est pas industriellement nécessaire. On peut utiliser des anions tels que le nitrate qui pour des sels de métaux basiques réagissent avec le gaz résiduel.
Une réduction directe à partir de l'acide évite la nécessité de manipuler les composés d'argent'et de mercure qui sont dangereux à l'état sec. L'argent et le mercure représentent à peu près les métaux-limite du point de vue position inférieure (électro-négative) dans le tableau des potentiels d'oxydo-réduc- tiono
Le cobalt d'autre part est réductible à partir de solutions ne contenant qu'une faible teneur en acide libre, même quand l'amine est complexée. Parmi les métaux plus actifs qui forment des ions complexes aminés dont les sulfates et/ou les carbonates sont solubles dans les solutions aminées avec un électrolyte convenable, certains peuvent être utilement réduits par un gaz, d'autres pas.
Ceci est susceptible d'être illustré par les réductions de solutions ammoniacales de sulfates tentées par l'hydrogène à environ 225 pendant 60 minutes sous une pression totale de 84 atmosphères indiquées dans le tableau XXIV suivant :
TABLEAU XXIV.
Teneur de la solution.
EMI32.2
<tb>
Métal <SEP> M/1 <SEP> Amine <SEP> $/la <SEP> Electrolyte <SEP> M/1. <SEP> Réduction
<tb> obtenue
<tb>
<tb>
<tb>
EMI32.3
Cd 1,0 NFi3 4, 0 (I1H,)zSO 0, 5 oui Cd l,o C2H4(NH2)Z 4,0 H2SO4 0,9 oui Zn 1, 0 NH3 z, 0 (NH4) 2S 04 0, 5 non
EMI32.4
<tb> Zn <SEP> 0,5 <SEP> CH3NH2 <SEP> 2,0 <SEP> - <SEP> - <SEP> non
<tb>
<tb> Zn(l) <SEP> 1,0(2) <SEP> C2H4(NH2)2 <SEP> 5,0 <SEP> H2SO4 <SEP> 1,4 <SEP> non
<tb>
<tb> Zn(l) <SEP> 1,0 <SEP> C5H5N <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> H2S04 <SEP> 1,8 <SEP> non
<tb>
Notes : (1) pression totale 140 atm (2) 120 minutes
Le cadmium est réduit en métal tandis que le zinc ne l'est pas malgré un traitement plus vigoureuxo
UTILISATION DIAMINES SUPPLEMENTAIRES.
Une grande partie de la discussion précédente a concerné NH3 com-
<Desc/Clms Page number 33>
me amine. On a noté que l'on peut utiliser d'autres amines si on le dési- re. Le cobalt, le nickel et le cuivre sont tous réduits complètement (à moins d'environ 1 g/1 en solution) à partir de¯complexes avec des amines organi- ques telles que la méthyl et 1'éthylamine, l'éthylène diamine, la pyridine et analogues. En solution de sulfates,, l'électrolyte peut être un acide libre dans certains caso En solution de sulfates et de carbonates ce peut être un sel d'ammonium ou un sel de l'amine utilisée.
Dans la réduction sélective successive de métaux à partir de so- lutions aminées de sels de plus d'un métal, certaines de ces amines permet- tent une séparation plus sélective que l'ammoniac. Cependant, leur utilisa- tion comme le montre le tableau XXIV ne permet pas d'atteindre la réduction du zinc. L'intervalle utilisable semble être celui des métaux non ferreux qui forment des complexes avec l'ammoniac et dont les potentiels d'oxyda- tion comprennent et sont situés entre ceux de l'argent ou du mercure et du cadmium.
SOLUTION AUTRE QUE L'EAU.
Dans les exemples précédents on a utilisé des solutions aqueu- ses. Il n'est cependant pas nécessaire d'utiliser l'eauo Par exemple l'hy- drogène est plus soluble dans les alcools que dans l'eau. Dautres acides produits par réduction sont considérablement moins ionisés en solutions non-aqueuses et par suite n'affectent pas la réduction. Le cadmium qui est le métal le plus difficile à réduire en solution aqueuse est facilement réduit dans une solution alcoolique de son acétate comme le montre le tableau XXV.
TABLEAU XXV.
EMI33.1
<tb>
Solvant <SEP> Sel <SEP> Temps <SEP> Temp. <SEP> Pression <SEP> Rende- <SEP> Pureté
<tb>
<tb>
<tb> (Hrs) <SEP> ( C) <SEP> partiel- <SEP> ment
<tb>
<tb>
<tb> lè <SEP> H2 <SEP> (%)
<tb>
<tb>
<tb> (atm)
<tb>
EMI33.2
Méthanol ,5M Cd(OH3COO)2 1 392 35 65 99%
EMI33.3
<tb> Cd
<tb>
<tb> Isopro-
<tb>
<tb> panol <SEP> " <SEP> 1 <SEP> 392 <SEP> 35 <SEP> 80 <SEP> 99+%
<tb>
<tb> Cd
<tb>
ANIONS AUTRES QUE LE SULFATE ET LE CARBONATE.
* On peut employer des anions autres que SO4 et C03, en totalité ou en partie, dans les solutions dans lesquelles Cu, Ni et Co sont réduits, à condition qu'ils permettent une solubilité adéquate, qu'ils soient stables en solution aux températures de réduction, qu'ils ne réagissent pas avec le gaz réducteur ou qu'ils ne forment pas de complexes non réductibles.
En solution ammoniacale, il y a peu d'anions qui ne donnent pas une solubilité adéquate des métaux illustratifs sous la forme com- plexée par l'ammoniac. En solution,acide, le choix est plus limité, par exemple le phosphate provoque la précipitation en solution acide. De plus, un anion formant complexe est fortement désirable s'il n'y a pas d'ammo- niac présent, par exemple le chlorure fonctionne, mais mal pour le suivre et n'est pas utilisable pour le nickel. Cependant le complexe ne doit pas être trop solide, par exemple le cyanure permet une réduction considérable du cuivre,mais ne peut pas être utilisé avec le nickel. D'autres anions tels que le nitrate non seulement ne semblent pas former des complexes avec ces métaux mais peuvent réagir avec le gaz rédubteur en solution acide bien qu'ils soient stables en solution basique.
D'autres anions tels que le fluosilicate sont convenables en solution acide mais en solution ammo-
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niacale sont décomposés à la température de réaction, (en NH4F et gel de Si-02). Des exemples de réduction de solutions de métaux 2,5 - 1 M à 204 - 2320 pendant 60 minutes à 63 atm par H2 sont donnés dans le tableau XXVI.
TABLEAU XXVI.
Teneur de la solution
EMI34.1
<tb> Métal <SEP> Anion <SEP> Amine <SEP> ou <SEP> M/1 <SEP> Electrolyte <SEP> M/1 <SEP> Rendement
<tb> acidité
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cu <SEP> Cl <SEP> pH <SEP> 2 <SEP> NH4Cl <SEP> 0,5 <SEP> mauvais
<tb>
<tb>
<tb> Cu <SEP> Cl <SEP> pH <SEP> 2 <SEP> NaCl <SEP> 1,0 <SEP> bon
<tb>
EMI34.2
Cu PO4 NH3 4 (NH 4)3 PO 4 0,2 mauvais
EMI34.3
<tb> Gu <SEP> SiF6 <SEP> NH3 <SEP> 4 <SEP> (NH4)2SiF6 <SEP> 0,3 <SEP> élevé
<tb>
EMI34.4
Cu S04 - KCN t, 0 'bon Ni Cl NE 3 4 NH4C' 0,5 élevé Ni CH3GOZ CH3 C02H 1 NH 4Ac 0,2 comp.
Ni P04 Ni 4 (NH4)3PO4 0,2 3± bon Ni SiF 6 NH3 4 (NH4)2SiF6 , 3 3± comp.
EMI34.5
<tb> Ni <SEP> SiF6 <SEP> pH <SEP> 2 <SEP> (NH4)2SiF6 <SEP> 0,3 <SEP> élevé
<tb>
* Un peu de précipité non métallique
Dans l'essai avec l'acétate de nickel la solution finale contient de l'acide libre 3M et dans l'essai au fluosilicate de nickel, l'acidité finale est 1 Mo Cependant, ces acides sont plus faibles que le sulfurique et la concentration réelle en ions hydrogène n'est pas plus élevée que cel- le d'une solution de sulfates contenant 1% d'acide libre.
Dans la discussion précédente de la présente invention les sour- ces des solutions décrites et illustrée s sont considérées comme sans im- portance du moment qu'elles comprennent essentiellement un seul métal ré- ductible. Quand on les obtient par attaque de minerais ou de concentrais de-minerais et sources analogues, ces solutions ne sont pas chimiquement pures au point de ne contenir que des composés du métal particulier. Il est très surprenant que les résultats obtenus par le présent procédé sur ces solutions "impures" soient d'une façon générale très satisfaisants.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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IMPROVEMENTS IN THE MANUFACTURING OF PULVERIZED METALS.
The present invention relates to obtaining the pulverized metals. More particularly, it relates to obtaining metals in powder form by direct reduction with a gas. More particularly still, it refers to the direct reduction by a gas, of metal salts in acidic, neutral or basic solution, in order to obtain the metal in a good yield and in a commercially acceptable purity.
In general, the present invention relates to the obtaining and / or refining of metals as varied as cadmium, cobalt, copper, mercury, nickel, silver and some of the more rare metals. res located between silver and cadmium in the order of increasing electromotive forces, and capable of forming a complexed ion with ammonia. Among these,
those most commonly encountered are the problems of copper, nickel and cobalto As these problems are general and their solutions are applicable throughout the field considered * the discussion of obtaining the metal from solutions contained these cations should be regarded as illustrative
A general description of the method according to the present invention is simple. A clarified solution containing a dissolved salt of the desired metal is adjusted to optimum values for hydrogen ion content and dissolved matter, and subjected to increased temperatures, usually above the boiling point, under partial and high pressure. the presence of a suitable reducing gas, the solution preferably being thoroughly stirred during the process.
The reducing conditions are maintained until the reduction is sufficiently complete. The above product is collected, washed, dried and used or shipped. The residual washing solutions and / or liquors are subjected to various recovery and recycling treatments
However, the simplicity of the process thus described is more apparent.
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than real. In the past, many attempts have been made to process like solutions under superficially like conditions, with the stated aim of obtaining like products. However, due to the large and growing demand for such a method, the complete failure of these proposals to obtain the desired results is made evident by the absence of their commercial success.
These proposals have failed either because of the purity of the product, or because of the product yield, or for various reasons based on economic considerations and they have not been able to develop them to the point of making them competitive.
The main aim of the present invention is therefore to achieve a suitable wet metallurgy process which does not have the various drawbacks of the known processes. Such a process should lead to the products in the form of metals with high yield, high purity, reasonable price, without the need for unusual or expensive equipment and using reagents, simple and readily available.
It is surprising, considering past failures, that this goal has been achieved in a very satisfactory manner. This was made possible by the combination of two factors. First of all, a strict control is made of the composition of the adjusted solution, namely its concentration of dissolved metal, its content of free hydrogen or of hydroxyl ions, of ions or salts capable of forming a soluble complex of the metal and in dissolved foreign matter; reduction temperature; the partial pressure of the reducing gas; reaction time; proper use of agitation and proper use of reducing gas. Secondly, the composition of the solution is checked on a new basis not yet recognized.
It is the control of the composition of the solution at the final and not necessarily the initial stages of the reduction period that is critical to obtaining the optimum desired results. Finally, the control is suitable for obtaining the metallic product in the desired physical state.
Attempts to practice previously proposed methods have always resulted in one or more of the following unsatisfactory results. In many cases, no elemental metal powder is obtained at all. Rather, an oxide, hydroxide, carbonate or sulfide is obtained. In some cases, some metal may initially precipitate, after which the reaction ceases or is accompanied by precipitation of a compound of the metal.
It has been found, of paramount importance to the present process, that these failures are mainly due to the failure to recognize the importance of avoiding certain terminal conditions until the precipitation. of the metal has reached the satisfactory phase. In the present process, the operating conditions are adjusted initially and if necessary subsequently to prevent these conditions from being obtained prematurely.
It has also been found in accordance with the present invention that the conditions for the completion of the reduction have certain defined optimum limitations. Within certain limits, individual conditions can be changed considerably. However, for each of the conditions that must be checked, limitations must be observed. Optimum condition intervals may vary in some cases for different metals in different solutions. Therefore, they will be described more fully for these particular cases.
Beforehand, however, one can, one should note certain generalizations. First, perhaps, it should be noted that the initial source of the solution containing metals is uninfluenced. It can be any or all of 1) the sulphide ores or concentrates that have been attacked
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by various known methods including ancillary roasting and / or mixing phases;
2) oxidized ores, precipitates containing metal, crude metal, slag, slag, which have been attacked, or 3) used surface treatment or pickling solutions or other waste solutions or by-products resulting from some other unimportant operations.,
In the following description, for the sake of simplicity, the abbreviations "atm" will be used to denote kg / cm2, g / l. grams per liter, and M / 1, gram molecules per liter. The terms “free acid” and “free ammonia” will also be used. Solutions of metal sulphates and ammonium sulphate have an acid reaction with a pH in the range of about 2.0 to 4.5. However, these solutions are considered to have no "free acid" or "free ammonia" content.
When the amount of sulfate or other anions present exceeds that required for the combination with the metal and ammonium cations, the solution is considered to contain "free acid".
When ammonia is added to these solutions, an ammonium salt forms with the free acid. If ammonia is continued to be added, part of it remains dissolved in the solution, intact or in the form of ammonia; one part combines with the metal to form a metal-ammonia complex ion or "amine" metal. The term "free ammonia" present is considered to include each of the latter forms, but not that which forms an ammonium salt. The term "total ammonia" refers to the sum of the "free ammonia" and the ammonia present as the ammonium salt.
The amount of "free acid", or "free ammonia" present is determined by titrating the natural pH of the sulfate or other salt in solution. It is therefore possible to have not only salt solutions having a clean acidic pH without containing "free acid", but also having a pH below 7 but which contain an appreciable amount of free ammonia. It should also be noted that when we speak of the amount of ammonium, sulphate or other ions, we mean both the associated and disassociated forms. An exception is hydrogen ions and only their dissociated form is referred to.
In addition, it will be assumed in this description that the solution to be treated contains only a single metal reducible by a gas under the operating conditions. This is an assumption which can be guaranteed, since various methods of selective precipitation or dissolution, fractional crystallization and the like are known, by which substantially pure solutions of single metal salts can be obtained. The means by which this solution is obtained is therefore not a characteristic of the present invention. It will be assumed that the solutions to be treated have a usable concentration of metals. This depends to some extent on the value of the metal itself.
For high value metals such as cobalt or silver, low concentration solutions of up to 10g / l or less can be usefully treated. On the other hand, for a metal such as copper, solutions containing 20g / l or more are desirable.
It should also be noted that the solutions to be treated will ordinarily be of aqueous origin and nature. However, in the selective separations of various metals and salts, by known methods, other solvents such as alkanols, ethers, ketones, esters and the like have been possible. Any solvent which dissolves the metal compound at reasonable concentrations and which withstands the other operating conditions can be used in the present process if desired. In some cases the reducing gas may be more soluble than in water, hydrogen being more soluble in methanol, for example. However, aqueous solutions will be those most commonly encountered and will be taken as illustration.
As noted above, the present invention relates to
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metals whose oxidation-reduction potential lies between those of cadmium and silver included and which are capable of forming a complex ion which can be reduced by a gas. This can be in the form of an amino complex cation of the type [Mex (Am) y] in which Me is the metal and Am is a complex forming amine. Oh can find them in solution under conditions ranging from a little acidic to strongly basic. On the other hand, one can find complex anions of the AcxMey type in which Ac represents an acid radical in solutions ranging from slightly basic to strongly acidic.
Ammonia is generally taken as the amine forming a complex and the invention relates mainly to its complexes with cobalt, nickel or copper as a type of "amine" o Ammonia is the most economical of the amines available. and in practice the most commonly encountered.
However, similar or even better results, although usually at a higher cost, can be obtained by using various organic amines such as methylamine, ethylene diamine and the like in place of some or all. ammonia.
The anion can vary widely, depending to some extent on whether the solution is acidic or basic. In ammonia solution other anions may be present, except those which form an undissociated complex with the metal or which react with the reducing gas. Under acidic conditions, fluosilicate, acetate or other anions can be used which give adequate solubility of the metal if they do not react with the reducing gas. Strong monoacids such as nitric and hydrochloric acids cannot be used commercially although they can be made active in ammoniacal solution.
From a practical point of view, for economic reasons, the anions which are encountered commercially are quite limited. In basic solution these will be the sulphate or carbonate ions. In acidic solution, it will be the sulphate, fluosilicate or acetate ions that may be encountered. They will therefore be taken as illustrative for the present description.
In general, many gases can be used to reduce metal salt solutions. However, for the practice of the present invention, it has been found that gases containing sulfur eg H2S and SO2 generally lead to products containing sulfur. Therefore, it is highly desirable if not absolutely necessary to avoid the use of reducing gases containing elements which react with the metal of interest to form undesirable compounds, for example sulfur which tends to form sulphides.
The reducing gas may be most convenient for this purpose is hydrogen. It is easily obtained by a large number of different and industrial processes. Its use did not lead to contamination of the metal obtained.
Carbon monoxide can also be used. It is somewhat more potent than hydrogen, and reductions can usually be made at lower temperatures. Carbon monoxide is particularly useful for the reduction of copper-ammonium carbonate solutions, where it also tends to produce a larger and usually denser powder. However, for the reduction of the other solutions the pulverized products obtained with hydrogen are very suitable. If carbon monoxide is used as a reducing agent, it is converted into carbon dioxide.
In reducing acidic solutions, the release of carbon dioxide increases the pressure required for optimum reduction and may limit the degree of reduction that can be achieved in a single operation. In addition, with some metals, for example nickel, carbon monoxide forms carbonyl compounds especially in solution.
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basic and for these solutions, the difficulty in handling carbonyl makes the use of carbon monoxide undesirable.
Many organic compounds which are ordinarily gaseous or give rise to gases at the reduction temperature technically reduce the metals in their solution. Among them are formaldehyde, formic acid, hydrazine, and the like. Many are economically impractical.
Many do not-reduce to elemental metal. Some are operationally unsuitable. Hydrocarbon reducing gases such as methane are not particularly useful. Even at total pressures as high as 63 atm, at temperatures where hydrogen or carbon monoxide is effective, methane and the like do not precipitate the metal. The need to use higher temperatures and pressures does not eliminate their use but makes it unlikely because uneconomical.
In general, therefore, the use of hydrogen, carbon monoxide, or mixtures thereof is the most desirable or commonly encountered practice.
In the present process, the reduction is usually carried out in stirred vessels, capable of withstanding a total pressure of about 70 atm or more. It is therefore economically desirable to complete a reduction in the shortest practicable time, and the conditions are usually adjusted to achieve a reduction of adequate completion in a relatively short time. Preferably this should be about half an hour or less. If this is not possible, longer reduction times of up to about two hours may be required. The conditions referred to herein as optimum will therefore be those which will provide the desired degree of reduction in about one-half to two hours.
Although in many cases, if the processing conditions are maintained long enough beyond two hours, the reduction can be carried out at lower temperatures and pressures and in non-optimum composition solutions, it is not possible to achieve this reduction. there is no economic justification for doing so. Conversely in many cases the reduction can be achieved in less than half an hour, particularly if sufficiently high temperatures and pressures are used. However, the additional heat and usually the additional strength of the required vessel outweighs the actual economic benefit of this time saving.
When supplying reducing gas it is desirable to maintain its partial pressure above the fluid in the reaction vessel at about one atmosphere or more until the reaction period is complete. Although it may be possible in some cases to achieve some reduction to metal in the presence of a smaller quantity of gas, for example hydrogen, it is usually not worth lowering the limit d. 'an atmosphere. Usually even higher pressures initially, up to about 21-35 atm. are desirable.
When and if an adjustment is required during reducibn, it can be achieved by a) increasing the partial and total pressure by introducing more reducing gas; b) reducing the total pressure by allowing gas to escape from the container, or c) by a combination of the two means. The exact process can be determined by measuring the composition of the vapor phase.
Some agitation of the solution is desirable. Adequate contact must be made between the reducing gas and the solution. This is facilitated by the addition of the reducing gas below the surface of the liquid.
Further help if the added gas is dispersed by the agitator. Suction of gas from above liquid by the agitator is also desirable.
Stirring generally helps the reduction reaction. However, when the reduction conditions are such that the formed powder is of fine size, prolonged stirring beyond the point at which the reduction is complete should be avoided, as these fine particles tend to accumulate as a deposit on it.
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apparatus and / or to agflomerate in low density mass. It is therefore necessary to control the degree of agitation to obtain the mixing required for rapid reduction. It should not be too intense or be continued for an extended period sufficient to produce a deleterious effect on the metal produced.
In the practice of the invention, the optimum conditions for each element to be precipitated as a metal can be varied somewhat. Hence, the optimum conditions will be separately illustrated in the following examples with respect to the desirable process to be used in obtaining each of the illustrative metals. This not only illustrates the practical applications of the invention, but also the general characteristics of the process.
In discussing the various practices of the invention, it should be noted that many ions can be present in solution in small amounts without affecting the desired reduction. For example, there may be cations of various metals higher than cadmium in the range of electromotive forces. However, they must be soluble.
Other anions should be present provided that they do not limit the solubility of the reduced metal or do not react with the reducing gas. However, since large amounts of these foreign salts reduce the solubility of the desired materials and lower the reaction rate, they should be avoided as much as possible even if they do not react.
In the discussion of the examples given below, the solutions used are usually those containing only a metal reducible by a gas under the conditions used. On the other hand, it is not necessary that the optimum conditions for the precipitation of the metal lead to a pure metal. However, other gas-reducible metals may be present under certain circumstances. This is the case when their joint reduction with the desired metal results in a useful alloy. In some cases, too, they may be present in an amount which is practically not worth removing, either because of their small amount or because their presence in the desired metal does not affect its slit or its subsequent use.
In other cases, the metals can be precipitated separately by preferential reduction procedures.
COPPER REDUCTION.
Commercially pure copper is obtained in large quantities by processing sulphide ores, oxidized ores or secondary metals. From the attack of sulphurous ores or concentrates, copper is usually obtained in the form of a sulphate solution which may also contain ammonium sulphate and either free ammonia or free sulfuric acid. . In attacking oxidized ores, secondary metals or other raw forms of copper, the solution obtained may be similar or be an ammoniacal carbonate solution.
Hence, by way of illustration, an aqueous solution containing copper sulphate and / or carbonate and ammonia ions will be used, the latter being present largely in a complex with copper and in the form of copper. ammonium ion.
COMPOSITION OF THE SOLUTION,
We can meet various copper salts. Sulphates and carbonates will be taken by way of illustration. Copper, as the sulfate, is soluble in acidic or basic solution containing a complex amine, usually ammonia, up to about 100 g / L at room temperatures and more at elevated temperatures.
<Desc / Clms Page number 7>
Cuprous and cupric carbonates are both soluble in ammoniacal solution. These solutions containing both can be prepared with more than 200 g / l of dissolved copper at room temperature. At higher temperatures, both are less soluble, the solubility of cuprous copper decreasing faster. As a result, upon heating to temperatures above the atmospheric boiling point, which as will be seen is necessary for reduction to metal in a reasonable time, excess copper over about 135 - 150 g / l precipitates as of a copper compound, usually an oxide.
This occurs, either immediately, or when, during reduction by metal or hydrogen, enough cupric copper is reduced to the cuprous state to cause the solubility limit of the total cuprous copper to be exceeded. in the following table I are given illustrative values of NH2, CO2 and Cu + (expressed in CuO) which, if the cuprous copper content is not exceeded, do not precipitate the cuprous oxide in 10 minutes of heating these solutions at approximately 377.
TABLE I.
Oxide precipitation limit for the system (Cu2O-NH2-CO2)
EMI7.1
<tb> Molecules <SEP> for <SEP> hundred <SEP> Report <SEP> NH3 / C02
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> Cu2O <SEP> CO2 <SEP> NH3
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<tb> 6 <SEP> 14 <SEP> 80 <SEP> 5.7
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<tb>
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<tb> 7.5 <SEP> 17.5 <SEP> 75 <SEP> 4.3
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7.75 <SEP> 22,
25 <SEP> 70 <SEP> 3.1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7.75 <SEP> 27.25 <SEP> 65 <SEP> 2.4
<tb>
The values given in Table I are for solutions in which the actual cuprous copper content is approximately 135 g / l. For solutions of other dilutions, the molecular percentage of Cu2O differs and is presumably decreased. Continued heating of the solution to this temperature is accompanied by slow continuous precipitation of Cu2O until the cuprous content of the solution has reached. decreased to about 90 g / 1. It should be noted that if carbon monoxide is present, a cuprous complex forms and it does not precipitate oxide under otherwise similar conditions.
If copper compounds are precipitated by heating they are reduced to metallic copper during further reduction. In general, this practice is not desirable since the resulting metal is a light, flaky, dendritic powder of poor physical characteristics, and which has a marked tendency to carry impurities which dilute it. Therefore, in the preferred practice, the solution of either carbonate, sulphate or other salt should be below copper saturation both at room temperature and at room temperature. erase reduction. If more concentrated solutions are to be used, their preparation and handling should take place at a controlled temperature to avoid this unwanted precipitation of salts or oxides.
<Desc / Clms Page number 8>
of copper.
In general therefore, the solutions commonly encountered of sulphate will preferably contain less than about 100 g / l of copper, those of carbonate less than about 130 g / l. It is seldom desirable, for reasons of economy, to process solutions of less than about 20 g / l.
Other dissolved matter contents may vary. For example, metallic copper can be successfully reduced from solutions with widely varying hydrogen ion content. Therefore, solutions can range from solutions of strongly basic amines containing a lot of free ammonia or other amines to those containing large amounts of free acid. In addition, regardless of the pH or anion present, it is desirable, and generally is, that the solution contain some other dissolved salt other than those of the metal usually ammonium salts.
It appears that, at least in the initial stages, braking the reduction speed produces a better, denser metal. These salts produce the desired result. Dilute solutions as low as 0.1 M / L, for concentrated solutions of about 0.5 M / L, produce an observable improvement, leading to a metallic copper powder that is denser and more granular than the sponge metal obtained. when she is absent. On the other hand, one must avoid a great excess. Although ammonium salts are soluble to 4 M / L or more at ambient temperatures, without noticeable reduction in the solubility of the copper salt, reduction to metal from solutions with a high ammonium salt content requires more severe reducing conditions to obtain equal yield.
Therefore, it is good practice to use about 0.1 - 2.5 M / L of ammonium salts or their equivalents.
The reduction can be started in a basic solution containing free amines, namely ammonia. Some free ammonia is needed if reduction is to be started on the basic side regardless of the anion. This criterion differs somewhat, however, depending on the anions. We will take as illustration sulfates and carbonates.
In carbonate solutions the amine content can be high. For example, reduction has been achieved at free ammonia concentrations of up to 9 M / l. However, increasing the free ammonia content increases the vapor pressure of the solution and can unnecessarily delay the reaction. Hence, excessively large amounts require heavier and more expensive equipment to maintain the reaction at the reduction temperature. Illustrative results of the effect of modifying the NH 3 or CO 2 content for ammoniacal carbonate solutions of different cuprous / cupric proportions are shown in Table II.
TABLE II.
Effect of variations in NE) or CO2 content on reduction o
EMI8.1
Reduction% (nar H2 at I77 and 63 atm for 75 minutes).
EMI8.2
gJ1 147 dl Gu ++ 104 gel Ce-- 49 gJ1 Gu ++ 0 glicc + C02 a If or 52 "Or + 47" Cu '156 "Cut
EMI8.3
<tb> (155 <SEP> " <SEP> NH3) <SEP> (155 " <SEP> NH3) <SEP> (L45 <SEP> " <SEP> NH3)
<tb>
<tb> 70 <SEP> - <SEP> 98 <SEP> -
<tb>
<tb> 80 <SEP> - <SEP> - <SEP> 97
<tb>
<tb> 90 <SEP> 75 <SEP> 96 <SEP> 98
<tb>
<Desc / Clms Page number 9>
EMI9.1
g / 1 147 g / 1 Cu 104 g / 1 Cu + 49 gll Cu * + 0 g / lCu '""' C02 0 i1 Cu + 52 Ii Cu 1- 4? Cu + 156 t Cut (155 '3) (155 "NH3) (145" NH3)
EMI9.2
<tb> 100 <SEP> 77 <SEP> 98 <SEP> 98
<tb>
<tb> 110 <SEP> 79 <SEP> 90 <SEP> 98
<tb>
<tb> 120 <SEP> 76 <SEP> 75 <SEP> 90
<tb>
<tb>
<tb> g / 1
<tb>
EMI9.3
(110 y1 C02) (105 g / 1,002) (100 g / 1 C02)
BORN
EMI9.4
<tb> 110- <SEP> 78 <SEP> 55
<tb>
<tb>
<tb> 120 <SEP> 86- <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb> 130 <SEP> 96- <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb> 140 <SEP> 99 <SEP> 98 <SEP> 66
<tb>
<tb>
<tb> 150 <SEP> 99 <SEP> 98 <SEP> 80
<tb>
<tb>
<tb> 160 <SEP> 98 <SEP> 80
<tb>
<tb>
<tb> 170 <SEP> 99- <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb> 180- <SEP> - <SEP> 80
<tb>
<tb>
<tb> 190- <SEP> 99
<tb>
One cannot define the desirable amount of CO2 or HN3 to be present without referring to one to the other or to the amount of
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copper dissolved. If the content of 002 and therefore of (NHI) C03 is too high, the reduction rate is affected, in particular at high copper / copper proportions.
However, the results shown in Table II may be influenced by the precipitation of cuprous oxide and should not be extrapolated to application at more dilute concentrations of copper or to solutions of other salts.
For carbonate solutions, the maximum molecular ratio of CO2 / Cu initially present which allows obtaining pure granular copper powder is of the order of approximately 0.8 for solutions containing 2 molecules of NH3; total per molecule of Cu, to about 1.5 for solutions containing 6 molecules of total NH3 per molecule of Cu. In general, the optimum total ammonia content is found to be about 4 NH3 molecules per Cu molecule, resulting in about 3.8 free NH3 molecules per Cu molecule. For higher CO 2 contents it has been found that some of the copper obtained is likely to consist of a foil-like deposit on the wet surface of the apparatus.
EMI9.6
By way of comparison, for sulphate solutions, if the reduction is started on the basic side, it is usually found that the ammonia content need not be as high as for the carbonates. At less than about 1.8 free NE molecules per Cu molecule, the solution is no longer basic. From this proportion up to about 3-5, one can operate but there is no particular utility in using a
<Desc / Clms Page number 10>
excess.
Other metal salts can also be present. They can even replace part of the previous ammonium salts and contribute to the success of the reduction to copper, provided that the cation is not reducible by a gas under the conditions of the reduction and that the anion does not react. with reducing gas. However, the presence of excessive amounts of foreign salts should be avoided, as tending to reduce the solubility of copper in solution. When other elements which can form amino complexes are present, the composition of the solution must be adjusted to meet their requirements in addition to those of copper.
It is easy to show this effect. A small amount of Zn is frequently found in certain ammoniacal solutions of copper carbonate.
A series of copper-zinc solutions containing approximately 160 g / 1 of dissolved metal are subjected to different Cu / Zn ratios and approximately 105 g / 1 of C02, 150 g / 1 of NH3 and a Cu ++ / Cu + ratio equal to 1 to reduction for about 75 minutes to about 1770 and a total pressure of 63 atmospheres using hydrogen. Illustrative results are shown in Table III.
TABLE III.
Effect of Zn present during Cu reduction.
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<tb> g / 1 <SEP> Zn <SEP>% <SEP> Reduction <SEP> of <SEP> Cu
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> 10 <SEP> 80
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> 20 <SEP> 87
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 30 <SEP> 90
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 40 <SEP> 93
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 50 <SEP> 94
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 60 <SEP> 94
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 70 <SEP> 94
<tb>
Under the conditions of the test, the presence of zinc produced a marked improvement.
However, for notably more dilute solutions of copper or in which the content of NH3 and CO2 is too low to retain zinc, this advantageous result should not be expected.
In addition to these issues of copper solubility, amine content, and foreign salt content, all of which have been noted for basic solutions of salts such as carbonate and sulfate, the issue of content should be noted. in free acid. Anions, such as sulfate, form salts which are both stable and soluble in acidic solution. The solution can be strongly acidic. Reduction of copper is possible to hydrogen ion contents equivalent to those of solutions containing up to 170 g H2SO4 per kg H2O or more. However, at these or higher H + contents, the sulfate ion may be reduced to sulfide and the copper powder may contain copper sulfide.
When copper is reduced, either by hydrogen or by carbon monoxide, a stoichiometric amount of acid anions is released which forms acid and the H + concentration increases. It is therefore desirable to avoid starting with a solution that is too acidic.
On the other hand, the H + content may become too high for reduction to metallic copper alone while a large amount of copper.
<Desc / Clms Page number 11>
vre is still in solution.
In order to illustrate the effect of varying amounts of free acid, ammonium sulfate, copper sulfate and temperature, various samples of a copper solution are subjected to reducing conditions by H2 for 30 minutes at a total pressure of about 63 atm.
The final acid is calculated assuming the product is metallic copper, with no correction for copper sulphide. The actual acid at the end of the reduction is less than the calculated value due to the corrosive attack of the acid on the apparatus used. Illustrative results are shown in Table IV.
TABLE IV.
Effects of the acid concentration on the reduction of coppero g / 1 final
EMI11.1
<tb> M / 1. <SEP> initial <SEP> Temp. <SEP>% <SEP> H2SO4
<tb>
<tb> CuSO4 <SEP> H2SO4 <SEP> (NH4) 2SO4 <SEP> C <SEP> Reduced <SEP> Cu <SEP> Found <SEP> Calc. <SEP>% <SEP> S
<tb>
<tb>
<tb> 0.5 <SEP> 0.2 <SEP> 0 <SEP> 204 <SEP> 99.5 <SEP> 0.3 <SEP> 70 <SEP> 0.074
<tb>
<tb> 0.75 <SEP> 0.2 <SEP> 0 <SEP> 232 <SEP> 99.0 <SEP> 0.47 <SEP> 93 <SEP> 0.025
<tb> 0.5 <SEP> 0.3 <SEP> 0 <SEP> 204 <SEP> 99.5 <SEP> 0.3 <SEP> - <SEP> 80 <SEP> 0.05
<tb>
<tb> 0.75 <SEP> 0.5 <SEP> 0 <SEP> 232 <SEP> 98.7 <SEP> 0.61 <SEP> 100 <SEP> 123 <SEP> 0.085
<tb>
<tb> 1, <SEP> 0.2 <SEP> 00 <SEP> 204 <SEP> 94.8 <SEP> 3.2 <SEP> 111 <SEP> 114 <SEP> < <SEP> 0.01
<tb>
<tb> 1.5 <SEP> 0.2 <SEP> 0 <SEP> 204 <SEP> 95.4 <SEP> 4.4 <SEP> 127 <SEP> 167 <SEP> 0.038
<tb>
<tb> 0.75 <SEP> 0,
8 <SEP> 0 <SEP> 232 <SEP> 99.5 <SEP> 0.3 <SEP> 138 <SEP> 153 <SEP> 0, <SEP> 005 <SEP>
<tb>
<tb> 0.75 <SEP> 1.4 <SEP> 0 <SEP> 232 <SEP> 99.4 <SEP> 0.3 <SEP> 170 <SEP> 213 <SEP> 0.74
<tb>
<tb> 2, <SEP> 0.2 <SEP> 0 <SEP> 204 <SEP> 95.8 <SEP> 5.3 <SEP> 171 <SEP> 208 <SEP> < <SEP> 0.01
<tb>
<tb> 0.5 <SEP> 0.2 <SEP> 1 <SEP> 204 <SEP> 99.5 <SEP> 0.3 <SEP> 62 <SEP> 70 <SEP> 0.034
<tb>
<tb> 0.5 <SEP> 0.2 <SEP> 2 <SEP> 204 <SEP> 99.0 <SEP> 0.6 <SEP> 63 <SEP> 70 <SEP> 0.12
<tb>
x Tests conducted for two hours.
It may be noted that this high content of free acid, high content of free ammonium sulfate, high temperature and prolonged time tend to increase the sulfide content of the metallic copper produced. Thus, it is preferable to avoid exceeding 17% free sulfuric acid, which is easy. However, if for some reason it is desired to operate under these conditions, the solution should be low in ammonium sulfate, and high temperature and excessive residence time should be avoided. For example, one should not exceed a temperature of about 232 for more than about 30 minutes.
As noted, some ammonium sulfate is normally present. However, when adjusting the solution care must be taken to avoid low concentrations of NH3 and free acid, as the concentration of ammonium sulfate approaches saturation. On the other hand, the double copper-ammonium salt can be precipitated.
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. CONDITION OF REDUCTION.
Any non-sulphurizing reducing gas can be used.
Preferred reducing gases in the practice of the invention are hydrogen, carbon monoxide, and mixtures thereof. The partial pressure of the reducing gas does not have to be high to reduce the copper in these reductions. However, appreciable pressure may be necessary to reduce all of the precipitated copper oxide. Four illustrative tests are carried out in an autoclave set so that there are no leaks.
The solution is heated to a boil and the autoclave is purged of air with steam. The vent is then closed and the autoclave is heated to the reduction temperature. The hydrogen overpressure is brought to 14 atm and the hydrogen valve is closed. The time taken for the pressure to return to the initial vapor pressure is noted. The autoclave is cooled and the residual pressure is noted. The results are shown in Table V.
TABLE V.
EMI12.1
Splution ,. M / 1 Te Temc & Pressure Cu NH3 â2â-04, 0 C Min. Residual Remarks 1.4 - le4 218 10 1 atmos. clear metal
EMI12.2
<tb> 1.4 <SEP> - <SEP> 0.5 <SEP> 190 <SEP> 18 <SEP> " <SEP> " <SEP> "
<tb>
<tb> 1.5 <SEP> 1.25 <SEP> - <SEP> 190 <SEP> 23 <SEP> " <SEP> oxide <SEP> + <SEP> metal
<tb>
EMI12.3
1,012,14 - 218 13 "St" 1 (in Gq20) - 204 150 50 no metal
EMI12.4
<tb> observed
<tb>
Also shown in Table V is a test on a "reagent" grade of cuprous oxide in which no reduction occurs below 3.5 atm. Under acidic conditions, the reaction rate is high even when the partial pressure of the reducing gas is less than 1.5 atm. Under acidic conditions, cuprous oxide is soluble and therefore does not precipitate.
However, under basic conditions and especially in the absence of ammonium sulfate, cuprous oxide precipitates and although some metal is produced, it is mixed with oxide. Therefore, under the conditions where the oxide precipitates, a reducing gas pressure greater than 3.5 atm and preferably 21 to 35 atm is desirable to obtain the oxide free metal.
Another important factor is the temperature. Reduction can be achieved at a lower average temperature with carbon monoxide than with hydrogen. In fact, solutions of copper sulphate can be reduced by carbon monoxide at room temperature. However, to ensure a reasonable rate of reaction with CO or H2, the temperature should be above about 121.
To illustrate the above, samples of a sulfate solution were reduced at various temperatures for 45 minutes under a partial pressure of 35 atmospheres of H2. Particular illustrative results are shown in Table VI.
<Desc / Clms Page number 13>
TABLE VI.
EMI13.1
<tb> Gas <SEP> Tempo <SEP> <SEP> C <SEP>% <SEP> Reduction.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
H2 <SEP> 204 <SEP> 100
<tb>
<tb>
<tb> H2 <SEP> 175 <SEP> 85
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> H2 <SEP> 121 <SEP> 30
<tb>
For the reduction of similar sulphated liquors with hydrogen, it is best practice to use the range 177-260, the range 204-232 being generally the optimum. Sulphate solutions can be reduced with H2 at optimum temperatures and at a total pressure of about 63 atm to obtain a yield of about 100% copper in 15 minutes under acidic conditions. If free NH3 is present, the reduction is 2-4 times longer. The reduction can be achieved even faster at higher temperatures and pressures, but the decrease in reaction time is not sufficient to allow operation above about 232 - 260 and 63 atm. be economical.
For reduction of carbonate solutions, a lower temperature is usually optimum. As the metallic copper precipitates, the free ammonia and ammonium carbonate contents of the solution both increase. If the initial solution contains a normal optimum of 130 g / l copper, and is reduced to about 93 - 177 at 63 atm, after reduction of about 60 - 70% of the. copper, the reaction rate becomes very slow, practically negligible. One reason, for example, is that the increasing content of free ammonia and ammonium carbonate causes the partial pressures of NE; and CO2 to increase, so that for a constant total pressure, the partial pressure of the reducing gas becomes too low. for a useful speed.
In addition, the rate of reduction of the complex appears to be inversely related to the formation of free uncomplexed ammonia, which varies as the metal precipitates.
The carbonate-amine solutions are normally obtained in etching cycles without the addition of anion. As a result, the solution is recycled to dissolve the additional copper in the next cycle. This is economically possible after only 60 - 70% of the copper has been collected in metallic form. Therefore the question of the completion of the precipitation is not as important as in the case of liquors obtained by oxidative attack of sulphides, a process in which the anion is formed.
Yields of greater than about 60-70% in the reduction of carbonate liquors can be obtained by using lower temperatures for a longer period of time, or by using higher operating pressure. Alternatively, NH3 and CO2 can be removed by opening the autoclave to a lower total pressure and applying adequate pressure of reducing gas to complete the reduction. The escaped gases can be condensed and redissolved for reuse in the attack if desired.
A roughly similar limit applies to the reduction by CO of acidic sulphate solutions with a high copper content which can usually be completely reduced. The CO2 produced by the reaction accumulates in the vapor phase. If allowed to build up to too great a partial pressure, it can lower that of the reducing gas and limit performance. For example, in the treatment of a molecular solution in an autoclave two-thirds full of liquid at 63 atm. you get only 90% reduction in 30 minutes, unless you eliminate
<Desc / Clms Page number 14>
CO2, for example by letting it escape. In ammoniacal sulphate sclutions, however, sufficient CO2 remains in solution, so that the yield is not limited for this reason.
PROPERTIES OF THE POWDERED PRODUCT.
The properties of the powder obtained differ according to the reducing gas used and the nature of the solution. For carbonate solutions of optimum composition, when using hydrogen alone, the average particle size of copper powder is about 325 mesh and the bulk density is usually about 1.5 g / cc. When carbon monoxide is used, a much larger powder can be obtained, a particular product having a particle size of about 100 mesh and a mass density of about 3 to 4.5 g / cc. . Mixtures of reducing gases give intermediate results.
For sulphate solutions the powder obtained with H2 has an average size of about 200 mesh and a density of 2.5 g / cc or more, while with CO a very coarse powder or coarse powder can be obtained. pills.
Excessive or prolonged agitation should be avoided for several reasons. For example, if the powder is allowed to form into too fine particles, i.e. particles less than about 400 mesh in total, the small particles tend to agglomerate and thus occlude or absorb impurities from the liquor. when subjected to excessive or prolonged agitation. Likewise when carbon oxide is used, excessive agitation during the period when the reduction rate is slow can result in the formation of large balls of copper containing inside the solution not. scaled down. This difficulty can be avoided to a large extent by changing the stirring speed.
However, it is better to add the solution to avoid encountering conditions that cause these poor results.
Precipitation of excessively fine powder can be avoided by carrying out the reduction under conditions ensuring a lower speed. This is possible by one or the other of two-variants. One is the addition of the salts described above, usually a salt of the complexing material, such as an ammonium salt of the same acid for basic conditions or of an acid forming a compatible anionic complex. acidic conditions. The other is to avoid an excessive concentration of hydrogen ions, i.e. to minimize the amount of free acid present during reduction.
The remarkable formation of balls during prolonged agitation when using CO to reduce carbonate liquors occurs only under conditions where plaque or sheet formation is possible. This can be avoided in part by using a metal seed powder; it can also be minimized by avoiding an excessive content of foreign salts and / or free ammonia and by operating closer to the optimum conditions set out above.
Reduction to metallic copper can be performed for any initial cupric / cupric ratio in solution. However, some control is necessary to obtain optimum results. For example, as noted in Table I, in treating ammoniacal solutions of copper carbonate containing more than the optimum of about 130 g / L total copper, some copper oxide. copper can precipitate on heating above 1770. It precipitates more copper as oxide when all copper is cuprous, its oxide being less soluble than cupric oxide. However, from solutions containing a little cupric copper the precipitate, although smaller, nevertheless contains a little CuO.
Although, as we have seen, a metal oxide precipitate can be reduced by H2, the metal powder formed is of poor quality and the reduction is slower. In addition, the oxygen content of the copper obtained
<Desc / Clms Page number 15>
is higher for concentrated solutions of cupric copper. Under comparable conditions, the obtained copper powder usually contains less oxygen if the cuprous / cupric ratio is greater than about 2 when the solution is heated before reduction. Under preferred conditions, the O 2 content in the precipitated powder can be lowered to 0.001% or less.
The cuprous to cupric ratio can be adjusted if necessary by contacting the solution with a material containing metallic copper. This product can be powdered copper or a metallic copper containing material obtained from another source. The treatment can be carried out by stirring the powder in the solution or by passing the solution through a bed of this powder or in any other suitable manner. In addition to the visible effect on reduction rate and product properties, oxide precipitation in carbonate solutions is undesirable for other reasons. Certain impurities in carbonate etchant precipitate rapidly on heating.
They are easily removed by filtration if the precipitate of copper oxides is not too great to cause excessive loss. On the other hand, a trace of oxide precipitate appears to promote reduction to metal. As noted above, an optimum carbonate solution should not give an oxide precipitate immediately upon heating. This allows impurities to be coagulated and filtered without appreciable loss of copper: An optimum solution, however, forms a slight precipitate of cuprous oxide after about 10 to 20 minutes at the reduction temperature.
When CO constitutes the reducing gas, the small precipitate of cuprous oxide may not appear on heating. When CO is used, there is usually some of it in the solution from previous operations. If so, some soluble cuprous carbon monoxide complex appears to be formed rather than precipitation of the carbon monoxide. 'oxide. This simplifies the heating problem. A further reduction of these solutions is easily initiated. As a result, there is a wider latitude in the composition of the solutions which can be effectively used when carrying out the reduction by carbon monoxide. The oxygen content of the final copper powder is also easily maintained well below 0.01%.
From the foregoing, it can be deduced in summary that an initial solution must contain approximately the contents in g / l indicated in the following Table VII and must be treated under the conditions indicated.
- TABLE VII.
Content of adjusted copper solutions (g / 1)
EMI15.1
<tb> Carbonates <SEP> Sulphates
<tb>
<tb>
<tb> intervalē¯¯¯¯¯optimum <SEP> intervalē¯¯¯optimum
<tb>
<tb>
<tb> Gas <SEP> reducer <SEP> H2 <SEP> CO <SEP> H2 <SEP> CO
<tb> used
<tb>
<tb>
<tb> Copper <SEP> total <SEP> 20-200 <SEP> 130 <SEP> 130 <SEP> 20-100 <SEP> 75 <SEP> 75
<tb>
<tb>
<tb> copper <SEP> 0-200 <SEP> (1) <SEP> (1) <SEP> 20-100 <SEP> (2) <SEP> (2)
<tb>
<tb>
<tb> copper <SEP> 0-150- <SEP> -:
<SEP> 20-100- <SEP> -
<tb>
<Desc / Clms Page number 16>
EMI16.1
<tb> NH3 <SEP> for <SEP> 10-220 <SEP> 165 <SEP> 165 <SEP> 0-220 <SEP> 75 <SEP> 65
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sys-
<tb>
<tb>
<tb> CO2 <SEP> temes <SEP> 15-150 <SEP> 110 <SEP> 110 <SEP> - <SEP> - <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb> basi-
<tb>
<tb>
<tb> his <SEP> 4 <SEP> ques (3) <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 40-220 <SEP> 130 <SEP> 130
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> H2SO4 <SEP> free
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> systems <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 0-170 <SEP> 0-20 <SEP> 0-20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> acids
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Temperature
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (C) <SEP> 121-260 <SEP> 177 <SEP> 149 <SEP> 121-288 <SEP> 204 <SEP> 190
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> H2 <SEP> close.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> part.
<SEP> (Atm.) <SEP> 3.5-70 <SEP> 21 <SEP> 21 <SEP> 0.7-70 <SEP> 21 <SEP> 21
<tb>
(1) the copper / copper ratio should be greater than about 2.
(2) The copper / cupric ratio has no influence on sulphates.
(3) For basic solutions containing ammonium sulfate.
Illustrative examples of the reduction of copper carbonate solutions are given below in Table VIII. In tests A and C the reducing gas is H2 supplied at an initial partial pressure of approximately 37.8 - 39.9 atm. respectively, the final partial pressures after cooling being 17.5 atm at 60 and 24.5 atm at 35 respectively.
In Test B the gas is CO at an initial partial pressure of about 36.4 atm and a final partial pressure of 0 to about 60 due to dissolution.
TABLE VIII.
Reduction of copper from solution by NE) and CO first part. Reduction conditions and composition of the solution.
Composition of the solution (g / 1)
EMI16.2
<tb> Es- <SEP> Echan- <SEP> Cu <SEP> Rendt
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sai <SEP> tillon <SEP> total <SEP> Cu + <SEP> NH3 <SEP> CO2 <SEP> Zn <SEP>% <SEP> Cu <SEP> Remarks
<tb>
<tb>
<tb> n
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> A <SEP> head <SEP> to <SEP> 114 <SEP> 55 <SEP> 165 <SEP> 125 <SEP> 37.5 <SEP> (Heating. <SEP> until
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (16 <SEP> minutes
<tb>
<tb>
<tb> 350 <SEP> 133 <SEP> 64 <SEP> 158 <SEP> 130 <SEP> -17 <SEP> (Residue <SEP> of <SEP> for
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (dre <SEP> of a <SEP> cycle
<tb>
<tb>
<tb> + <SEP> 30 <SEP> min. <SEP> 92 <SEP> 84 <SEP> 143 <SEP> 96 <SEP> 19 <SEP> (previous
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (in <SEP> auto-
<tb>
<tb>
<tb> + <SEP> 60 <SEP> min.
<SEP> 62 <SEP> 57 <SEP> 139 <SEP> 89 <SEP> 44 <SEP> (clave
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> + <SEP> 90 <SEP> mino <SEP> 46 <SEP> 48 <SEP> 137 <SEP> 89 <SEP> 60
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> B <SEP> head <SEP> to <SEP> 122 <SEP> 52 <SEP> 181 <SEP> 127 <SEP> 31 <SEP> (heat. <SEP> until
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (25 <SEP> minutes.
<tb>
<tb>
<tb>
350 <SEP> 118 <SEP> 88 <SEP> 147 <SEP> 107 <SEP> 3 <SEP> (Residue <SEP> of <SEP> for <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> mino <SEP> $ 14 <SEP> 113 <SEP> (dre <SEP> of a <SEP> cy--
<tb>
<tb>
<tb> + <SEP> 30 <SEP> min. <SEP> 98 <SEP> 75 <SEP> 148 <SEP> 113 <SEP> 20 <SEP> (key <SEP> previous
<tb>
<tb>
<tb> (in <SEP> auto-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> + <SEP> 60 <SEP> mine <SEP> 74 <SEP> 63 <SEP> 150 <SEP> 123 <SEP> 39 <SEP> (clave.
<tb>
<Desc / Clms Page number 17>
EMI17.1
<tb>
Is- <SEP> Echan- <SEP> Cu <SEP> Returns
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sai <SEP> tillon <SEP> total <SEP> Cu + <SEP> NH3 <SEP> CO2 <SEP> Zn <SEP>% <SEP> Or <SEP> Remarks
<tb>
<tb>
<tb> n
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> + <SEP> 90 <SEP> min. <SEP> 56 <SEP> 52 <SEP> 146 <SEP> 118 <SEP> 54
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> C <SEP> head <SEP> to <SEP> 128 <SEP> 83 <SEP> 186 <SEP> 127 <SEP> 23 <SEP> (heat. <SEP> 28 <SEP> min. <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
(H2 <SEP> under <SEP> 13.5
<tb>
<tb>
<tb> 350 <SEP> 142 <SEP> 93 <SEP> 168 <SEP> 124 <SEP> -it <SEP> (1 <SEP> min. <SEP> for
<tb>
<tb>
<tb> - (hold <SEP> 63
<tb>
<tb>
<tb> + <SEP> 58 <SEP> min. <SEP> 66 <SEP> 59 <SEP> 141 <SEP> 77 <SEP> 48 <SEP> (atm.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
+104 <SEP> min. <SEP> 37 <SEP> 34 <SEP> 141 <SEP> 64 <SEP> 71
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> +141 <SEP> min. <SEP> 20 <SEP> 14 <SEP> 113 <SEP> 54 <SEP> 84
<tb>
Part two Handling (1) and analysis of copper powder.
EMI17.2
<tb>
Test <SEP> No <SEP> Size <SEP> of <SEP> product <SEP> A <SEP> B <SEP> C
<tb>
<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> (size <SEP> of <SEP> sieve) <SEP>% <SEP> in <SEP> weight
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Densi- <SEP> 1.61 <SEP> 2.52 <SEP> 2.54
<tb>
<tb>
<tb> tee
<tb>
<tb>
<tb> g / cc
<tb>
<tb>
<tb> Flow
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Sec /
<tb>
<tb>
<tb> 50 <SEP> go <SEP> 30 <SEP> 34 <SEP> 35 <SEP> +60 <SEP> 0 <SEP> 5 <SEP> 29
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>% <SEP> Zn <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> - <SEP> -60 + 80 <SEP> 1 <SEP> 47 <SEP> 21
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>% <SEP> Pb <SEP> 0.002 <SEP> 0.001 <SEP> 0.003 <SEP> -80 + 100 <SEP> 10 <SEP> 28 <SEP> 15
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>% <SEP> Sn <SEP> 0.03 <SEP> 0.03 <SEP> 0.004 <SEP> -100 + 140 <SEP> 18 <SEP> 14 <SEP> 15
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>% <SEP> Fe <SEP> 0.014 <SEP> 0,
004 <SEP> - <SEP> -140 + 200 <SEP> 20 <SEP> 4 <SEP> 13
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>% <SEP> Neither <SEP> 0 <SEP> 0.002 <SEP> 0 <SEP> -200 + 230 <SEP> 8 <SEP> 1 <SEP> 4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>% <SEP> 02 <SEP> 0.03 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> -230 + 270 <SEP> 6 <SEP> tr <SEP> 2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>% <SEP> Cu <SEP> 99.90 <SEP> 99.92 <SEP> 99.93 <SEP> -270 + 325 <SEP> 10 <SEP> tr- <SEP> 1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> -325 <SEP> 27 <SEP> tr <SEP> tr
<tb>
(1) In each test the copper powder produced is clear and practically free of oxygen when filtered from the spent solution. Exposure to air during filtration oxidizes the powder to a dark red color.
It is then washed successively with a 0.5% NH3, H2SO4, 5.0% solution of 10% aguous acetic acid and water, then dried in a heated drum with the addition of a slight current of H2. After 20 minutes, the temperature is 1000 and the water has evaporated. Heating is continued for a further 10 minutes at a temperature of 260. Water is poured over the drum to cool it to 26, the H2 is turned off and the drum is opened. The resulting powder is analyzed.
Illustrative examples of reduction of solutions of copper sulphates obtained by attack of concentrates of sulphurous ores are given in Table IX.
<Desc / Clms Page number 18>
TABLE IX.
Copper powder from sulphate solutions.
EMI18.1
<tb>
Analysis <SEP>% <SEP> or <SEP> g / 1.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
Liters <SEP> g <SEP> Or <SEP> Fe <SEP> H2 <SEP> SO4 <SEP> S <SEP> O2 <SEP> Yield
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> free <SEP> total <SEP>%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Liquor
<tb>
<tb>
attack <tb> <SEP> 1.6 <SEP> 42 <SEP> 72 <SEP> 43 <SEP> 82
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Liquor
<tb>
<tb>
<tb> residual <SEP> 1.1 <SEP> 2.2 <SEP> 57 <SEP> 92 <SEP> 67
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Powder <SEP> of
<tb>
<tb>
<tb> Cu <SEP> 24 <SEP> 99.90% <SEP> 0.027% <SEP> - <SEP> 0.06% <SEP> 0.01% <SEP> 96.3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Liquor <SEP> #
<tb>
<tb>
attack <tb> <SEP> 0.65 <SEP> 92 <SEP> 17 <SEP> 89 <SEP> 91
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Liquor
<tb>
<tb>
<tb> residual <SEP> 1, <SEP> 04 <SEP> 0,
<SEP> 3 <SEP> 16 <SEP> 138 <SEP> 55
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Powder
<tb>
<tb>
<tb> from <SEP> Or <SEP> 40 <SEP> 99.91% <SEP> 0.015% <SEP> - <SEP> 0.005% <SEP> 0.03% <SEP> 99.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Liquor
<tb>
<tb>
<tb> attack ', <SEP> 1.1 <SEP> 76 <SEP> # 22 <SEP> 86 <SEP> 74 <SEP> + <SEP> log <SEP> 99.9% <SEP> Cu
<tb>
<tb>
<tb> powder <SEP> like
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> germs
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Liquor
<tb>
<tb>
<tb> residual-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> the <SEP> 1.18 <SEP> 0.2 <SEP> # 21 <SEP> 75 <SEP> 72
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Powder <SEP> of
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cu <SEP> 75 <SEP> 99.92% <SEP> 0.008% <SEP> - <SEP> 0.02% <SEP> 0.02% <SEP> 99.8
<tb>
Note: Etching liquors obtained by oxidative attack of chalcopyrite concentrates.
Reduction by H3 at 2040 and under 56 atm (total) for 30 minutes. The powders obtained are washed in water and dried in a hydrogen atmosphere before analysis. The volumes of residual liquor indicated include some wash water.
REDUCTION OF NICKEL.
Metallic nickel is normally obtained from sulphide, oxidized or silicate ores. The present invention can be put into practice on any of the attack solutions of these ores or their enrichment or pyrometallurgical concentrates. Nickel is usually found only in sulphated or carbonated solutions, the former usually containing, and the latter always, free ammonia.
As in the case of copper, other anions can be present in ammoniacal solutions, except those which form an undissociated complex with the metal or which react with the reducing gas. In acidic solution, fluosilicate, acetate or other anions can be used which give adequate solubility of nickel if they do not react with the reducing gas. Strong monoacids, such as nitric or hydrochloric acid, are also not industrially useful, although they can be made active in ammoniacal solutions.
<Desc / Clms Page number 19>
The practice of the present invention will be described for nickel solutions containing sulfates and / or carbonates with ammonia as the particular amine, both as complex ions with nickel and in the form of ammonia. ammonium ions. The first main phase is still the adjustment of the composition of the solution to approximately the optimum conditions.
EMI19.1
adjustment of the goM2osition of the solution.
Nickel is soluble in water as sulfates up to about 90-100 g / 1 Ni under ambient conditions. Its solubility is somewhat reduced by the presence of appreciable amounts of free sulfuric acid, but it increases with temperature. Nickel is soluble to approximately the same degree in carbonate solutions if sufficient free ammonia is present. The solution should therefore ordinarily contain less than about 100 g / l of nickel to avoid precipitation before reduction. Otherwise, it must be prepared and handled at increased temperature. Solutions containing less than about 10 g / l Ni, although technically usable, are usually not economical.
The concentrations of nickel in the solution do not appear to significantly affect the reduction rate under optimum conditions.
To illustrate this fact, a series of solutions containing varying amounts of nickel and about 2 mol are suspended. ammonia per mol of nickel with about 100 g / l of nickel seed powder and the suspension is reduced with hydrogen to about 177 under a total pressure of 35 atm. Particular results which show the time required to precipitate all of the metal from solutions containing various amounts of nickel are shown in Table X. It is seen that the time required is roughly proportional to the nickel initially present.
PAINTINGS.
Effect of nickel concentration on reduction time.
EMI19.2
<tb>
Nickel <SEP> (g / 1.) <SEP> 80 <SEP> 63 <SEP> 40 <SEP> 18 <SEP> 7
<tb>
<tb> Time <SEP> of <SEP> reduction <SEP> (min,) <SEP> 60 <SEP> 40 <SEP> 25 <SEP> 15 <SEP> 7
<tb>
An adjusted ammonia solution of nickel sulphate, containing ammonia-nickel complex ions, obtained either from an ammoniacal attack liquor, or from an acidic attack liquor neutralized with ammonia, or from a solution of sulphates ammonium-nickel in aqueous ammonia, must contain both free ammonia and ammonium sulphate for best results o Even if the solution does not initially contain ammonium sulphate. 'ammonium,
sulfuric acid and ammonia are released from the complex during reduction and form ammonium sulphate
Illustrative examples of the effect of varying ammonium sulfate and free ammonia concentrations on the reduction of nickel from these solutions are shown in Table XI.
<Desc / Clms Page number 20>
TABLE XI.
Effect of free NH3 and (NH4) 2SO4 on nickel reduction. from sulphate solutions.
EMI20.1
<tb>
Content <SEP> initial <SEP> of <SEP> Conditions <SEP> of <SEP> the <SEP> Neither <SEP> product
<tb>
<tb>
<tb> the <SEP> solution <SEP> reaction
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Neither <SEP> NH4 <SEP> NH3 <SEP> C <SEP> Atm. <SEP> Gas <SEP> Time <SEP> Yield
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 3 <SEP> total <SEP> (Min.) <SEP>%
<tb>
<tb>
<tb> free
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1.35 <SEP> 2.7 <SEP> 2.8 <SEP> 232 <SEP> 56 <SEP> H2 <SEP> 60 <SEP> 98.6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.89 <SEP> 1.8 <SEP> 4.65 <SEP> 232 <SEP> 56 <SEP> H2 <SEP> 60 <SEP> 76.3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.89 <SEP> 1.8 <SEP> (1) <SEP> 4.65 <SEP> 232 <SEP> 56 <SEP> H2 <SEP> 60 <SEP> 55.6
<tb>
EMI20.2
<tb> (2) <SEP> 1,2 <SEP> 0 <SEP> 1,2 <SEP> 204 <SEP> 49 <SEP> H2 <SEP> 60 <SEP> (3) <SEP> 60
<tb>
EMI20.3
<tb> 1.2 <SEP> 0 <SEP> 2,
4 <SEP> 204 <SEP> 50.4 <SEP> H2 <SEP> 10 <SEP> 100
<tb>
<tb> 1.2 <SEP> 0 <SEP> 3.6 <SEP> 204 <SEP> 525 <SEP> H2 <SEP> 15 <SEP> 100
<tb>
<tb> 1.2 <SEP> 0 <SEP> 4.8 <SEP> 204 <SEP> 56 <SEP> H2 <SEP> 30 <SEP> 100
<tb>
<tb> 1.35 <SEP> 0 <SEP> (4) <SEP> 2.8 <SEP> 232 <SEP> 56 <SEP> H2 <SEP> 60 <SEP> 98.3
<tb>
<tb> 1.35 <SEP> 2.7 <SEP> 2.8 <SEP> 232 <SEP> 56 <SEP> H2 <SEP> 60 <SEP> 98.6
<tb>
<tb> 1.35 <SEP> 4.5 <SEP> 2.8 <SEP> 232 <SEP> 56 <SEP> H2 <SEP> 60 <SEP> 92.6
<tb>
<tb> 1.35 <SEP> 6.3 <SEP> 2.8 <SEP> 232 <SEP> 56 <SEP> H2 <SEP> 60 <SEP> 84.5
<tb> 1.35 <SEP> 0 <SEP> 4.65 <SEP> 232 <SEP> 56 <SEP> H2 <SEP> 60 <SEP> 90.0
<tb>
<tb> 1.35 <SEP> 1.8 <SEP> 4.65 <SEP> 232 <SEP> 56 <SEP> H2 <SEP> 60 <SEP> 76.3
<tb>
<tb>
<tb> 1.35.
<SEP> 3.0 <SEP> 4.65 <SEP> 232 <SEP> 56 <SEP> H2 <SEP> 60 <SEP> 34.5
<tb> 1.35 <SEP> 4.0 <SEP> 4.65 <SEP> 232 <SEP> 56 <SEP> H2 <SEP> 60 <SEP> 0
<tb>
Note - (1) Plus 7 atm of partial pressure when cold = about 5 M / 1 (2) In tests 4-7, about 100 g / 1 of nickel powder are suspended in the solution as seeds.
(3) The final solution contains approximately 4% free H2SO4.
(4) Final free NH3 is only about 0.12 M / 1 or 0.2%.
From these and similar tests it can be assumed in principle: (a) that even with seeds, a NH3 / Ni ratio greater than 1 is necessary for good reduction speeds, but higher ratios at about 2.0 - 211 tend to decrease in speed;
(b) that a good NH3 / Ni ratio of about 1.8 - 2.0 increasing the (NH4) 2SO4 content has no detrimental effect on the speed until the NH4 + / Ni ratio reaches about 3, above which the speed decreases; and (c) that with higher NH3 / Ni ratios, i.e. above about 2.1, an NH4 + / Ni ratio as low as 2 can have an adverse effect on speed.
<Desc / Clms Page number 21>
Nickel tends to be deposited on walls and other damp parts when reduction is carried out on solutions too concentrated in NH3 or ammonium salts. However, the addition of nickel powder from a previous reduction;
as in tests 4 - 7 of Table XI. provides enough seeds to avoid this deposit This also shortens the reaction period o It seems that optimum speeds are obtained for free NH3 / Ni ratios of about 2, although ratios of about 1.4-4.0 can be used. In the test in which the NE / Ni molecular ratio is reduced to only 1, the reduction is interrupted when the solution reaches about 4% free acid although it contains: still 28 g / 1 of nickel . The adjusted solution should have a higher ratio to avoid reaching this acid content before more of the nickel has been reduced, or ammonia is added during the reduction.
Illustrative results obtained during the treatment of various solutions with insufficient ammonia content and containing ammonium sulphate with hydrogen at 204 - 2320 C and a total pressure of about 63 atm are summarized in the table. XII. The reduction is continued until the reduction of Ni becomes negligible, which is determined by the variation in acidity. In the table, the final acidity corresponds with the unreduced nickel.
TABLE XII.
Effect of final acidity on reduction of sulphate solutions.
EMI21.1
<tb>
Content <SEP> final <SEP> in <SEP> pH <SEP> Content <SEP> final <SEP> in
<tb> H + <SEP> (acid <SEP> free <SEP>%) <SEP> final <SEP> NI <SEP> (g / l)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.1 <SEP> 1.8 <SEP> 0.5
<tb>
<tb>
<tb> 0.33 <SEP> 1,2 <SEP> 0.25
<tb>
<tb>
<tb> 0.35 <SEP> 1,2 <SEP> 1.30
<tb>
<tb>
<tb> 0.5 <SEP> 1,2 <SEP> 0.70
<tb>
<tb>
<tb> 0.6 <SEP> 0.9 <SEP> 0.15
<tb>
<tb>
<tb> 0.9 <SEP> 0.30
<tb>
<tb>
<tb> 0.9 <SEP> 1.45
<tb>
<tb>
<tb> 1.0 <SEP> 4.0
<tb>
<tb>
<tb> 2.5 <SEP> 8.0
<tb>
<tb>
<tb> 3.5 <SEP> 11.7
<tb>
<tb>
<tb> 3.8 <SEP> 28.0
<tb>
Nickel cannot be reduced to an appreciable degree from an aqueous sulfate solution containing about 5% or more free sulfuric acid. -However, assuming that from a practical point of view a complete reduction is obtained when the Ni content is reduced to less than about 1 g / l.
complete reduction is not obtained when more than about 0.9% free acid is present. Reduction tests of a solution of nickel sulphate which does not contain free acid, free ammonia or ammonium sulphate give a reaction interrupted at pH 1.8-2 after formation of a trace of acid. By adding ammonium sulphate or even sulfuric acid, the reduction can be carried out in the absence of free ammonia. Table XIII shows the effect of
<Desc / Clms Page number 22>
EMI22.1
varying amounts of E2S0 and (NH4) 2SO4 All the tests are carried out for one hour at 204 under 70 atm of total pressure using hydrogen. 1 M / L nickel sulfate is present and 10 g / L of seed nickel is added.
TABLE XIII
EMI22.2
<tb> Head <SEP> Filtrate
<tb>
EMI22.3
H2S04 (xi) (NH4) 2S04 (M / 1) pH xzso4 (g / 1) H2SO4
EMI22.4
<tb> product <SEP> g / 1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 9.60 <SEP> - <SEP> 1.28 <SEP> 5.72 <SEP> -3.88 <SEP> witness
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7.53 <SEP> - <SEP> 1.50 <SEP> 7.22 <SEP> +3.57
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 14.5 <SEP> - <SEP> 1.23 <SEP> 13.2 <SEP> +2.6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 16.0 <SEP> - <SEP> 1.10 <SEP> 14.4 <SEP> +2.3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.57 <SEP> 0.2 <SEP> 1.08 <SEP> 15.4 <SEP> +18.7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.23 <SEP> 0.5 <SEP> 0.84 <SEP> 29.0 <SEP> +32.7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.23 <SEP> 1.0 <SEP> 0.70 <SEP> 37.6 <SEP> +41.3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5.85 <SEP> 0.2 <SEP> 1.20 <SEP> 16.6 <SEP> +14,
6
<tb>
The control test is carried out to determine the quantity of sulfuric acid consumed by corrosion of the autoclave. This amount of 3.88 g / L is added to the analysis of the filtrate in each run to determine the total amount of acid produced.
The results indicate that the sulfate ions added as ammonium sulfate or sulfuric acid allow reduction to continue to a high free acid content of the solution before it ceases. It is believed that an anionic nickel complex such as Ni (SO4) 2- forms and this allows the reduction to continue.
However, in acidic solution, the sulphate ions will change to bisulphate ions which apparently do not form a complex, and as a result the reaction stops. The acidity up to which the reaction occurs in the absence of free ammonia depends on the concentration of sulfate ions.
In ammoniacal solution, the presence of a little ammonium sulphate is also useful. In the absence of ammonium sulphate, on addition of NH3 to a solution of nickel sulphate, a small amount of hydroxide may precipitate. A further addition of ammonia redissolves this precipitate. For these solutions, the NH3 / Ni molecular ratio is reduced to about 2 when at least about 0.5 M / L ammonium sulfate is present. As noted above, however, an excessive amount should be avoided.
It has been noted that the optimum rate of reductions is obtained for solutions having an initial NE / Ni molecular ratio of about 2. The reduction of solutions having about this ratio also produces dense nickel powder. When the initial ratio exceeds about 4 or when the ammonium sulphate concentration exceeds about 2N, deposits sometimes occur even when germs are used. When
<Desc / Clms Page number 23>
The reduction in acidic solution is carried out especially with a minimum initial concentration of ammonium sulfate, and gradual addition of ammonia to prevent reaching a terminal acid content, the nickel powder produced must be very fine. It can form spongy agglomerates by prolonged agitation.
Under these conditions, the seed powder is not necessary and if it is present it has little advantageous effect.
When a solution initially containing 2 molecules of ammonia per mol of nickel is reduced by hydrogen, the following reaction represents the total result
EMI23.1
Ni (NH3) 2S04 + H2 ###) - (NE,) 25 4 + Ni Under these conditions, the ammonia liberated from the complex combines with the sulfuric acid formed by the reduction to give ammonium sulfate, theo - hardly without modification of the pH. However, good results can be obtained when the NH3 / Ni ratio is about 1.4 - 4. With higher ammonia contents, the vapor pressure is increased and for the same total pressure the partial pressure of the gas. reducer is decreased.
For this reason and because of the deleterious effect of the free ammonia, the reaction rate is consequently reduced. For ratios less than about 1.5 especially for concentrated solutions, reduction of nickel makes the solution too acidic for completion of the solution.
As noted, some ammonium sulfate should be present. However, when adjusting the solution, care must be taken to avoid low NH3 concentrations and low free acid concentrations as the ammonium sulfate concentration approaches saturation. On the other hand, the nickel-ammonium double salt can precipitate.
When working with carbonate solutions, the same initial levels of free ammonia and ammonium carbonate are desirable.
However, one should note a precaution. Carbon dioxide vapor pressure must be allowed. This is a further reason why it is undesirable to decrease the NH3 / Ni molecular ratio too much below about 2.
CONDITIONS OF REDUCTION.
In the reduction of nickel, the use of carbon monoxide as a reducing gas is limited. In ammoniacal solution at reduction temperatures, carbonyl nickel is formed. Opening the autoclave not only results in the loss of nickel, but the carbonyl compound is dangerous. Although in acidic solution difficulties in ventilation do not arise, carbonyl is not easily converted into a satisfactory powder and it is still preferable to use hydrogen.
In order to obtain the reduction economically, not only must the solution have the optimum composition, but also the conditions of temperature, partial pressure of the reducing gas and degree of agitation must be controlled. Each of these variables significantly affects the rate of reaction. The increase in the temperature and the pressure of reducing gas as well as the use of agitation decreases the reaction time but increases not only the direct operating expenses, but also the requirements of the strength of the apparatus.
The optimum conditions are therefore determined by an economic equilibrium.
This is possible by increasing the temperature and the degree of agitation until the savings obtained by the reduction in processing time and the volume of equipment required no longer exceed the increase in costs. operative.
<Desc / Clms Page number 24>
The function of agitation is to ensure a reasonable uniform dispersion in the solution of the reducing gas and the pulverized metallic nickel, both seed, if used, and produced when formed. To illustrate the effect of modifying the agitation, reduction of an optimum solution is achieved using 100 g / l of 1700 seeds using 24.5 atm of H2 in a 3.78 liter autoclave. equipped with an agitator. The time required for the reduction to 0.1 g / l of Ni is measured at different speeds of the stirrer. Specific results are shown in Table XIV.
TABLE XIV.
EMI24.1
<tb>
Speed <SEP> of <SEP> the agitator <SEP> Minutes <SEP> for <SEP> a <SEP> reduction
<tb> T / minute <SEP> complete
<tb>
<tb>
<tb> 550 <SEP> 80
<tb>
<tb> 730 <SEP> 40
<tb>
<tb> 900 <SEP> 35
<tb>
Although the degree of agitation is difficult to define, it can be seen, however, that the higher agitation speed does not correspond to a commensurate benefit. Under acidic conditions, agitator speed is more critical than in basic conditions in reducing nickel.
As noted above, excessive agitation tends to form agglomerates of fine, low density pulverized products.
The temperature and pressure conditions are not easily debatable independently. Moreover, they both depend on the composition of the solution. By way of illustration, an ammoniacal solution of nickel sulphate containing about 1.2 mol of Ni / 1 and 5 M free NH3 per mol of Ni is reduced with hydrogen, using about 100 g / 1 of powder of seeding nickel. The other conditions then being approximately constant it is found that at about 166-170 by increasing the total pressure by increasing the partial pressure of hydrogen, the yield obtained is increased in about 20 minutes from 0 to 35 atm if the partial pressure is negligible, at about 15-20% at about 42 atm, 80 - 85% at 49 atm, but only 90% at about 63 atm.
Economics indicate that the use of a higher total pressure increases expenses too rapidly to be profitable. However, when reducing a solution containing only 2M NH3 / Ni M to about 14 atm of H2 partial pressure, and about 149, the reduction proceeds at a low rate. At about 177 the speed is approximately tripled, but at about 204 it is only about four times faster. Thus, increasing the temperature above 149 and maintaining the NH3 / Ni ratio at about 2 is more important for the rate increase than increasing the partial pressure of H2, but under conditions. unfavorable conditions, increasing the partial pressure is helpful.
Tests on a nickel solution were carried out using the same procedure as in Table V, in which a partial pressure of 14 atm H2 was established and the reaction time of H2 recorded. The results are shown in Table XV below.
<Desc / Clms Page number 25>
TABLE XV.
EMI25.1
<tb>
Solution <SEP> M / 1 <SEP> Germs <SEP> Tempo <SEP> Time. <SEP> Pressures <SEP> RemarNiSO <SEP> NH3 <SEP> (NH4) 2SO4 <SEP> (g / 1) <SEP> (C) <SEP> (Min.) <SEP> residual- <SEP> ques
<tb> the
<tb>
<tb>
<tb> 0.72 <SEP> 1.4 <SEP> 0.36 <SEP> 0 <SEP> 190 <SEP> 230 <SEP> 1 <SEP> atm <SEP> (sulfate <SEP> basic <SEP> of <SEP> Ni)
<tb>
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 0.5 <SEP> 0 <SEP> 220 <SEP> 96 <SEP> " <SEP> 95% <SEP> Neither
<tb>
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 1.5 <SEP> 50 <SEP> 190 <SEP> 146 <SEP> " <SEP> 98.5% <SEP> Neither
<tb>
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 1.5 <SEP> 50 <SEP> 425 <SEP> 86 <SEP> " <SEP> 95 <SEP>% <SEP> Neither
<tb>
In the first test the reduction does not take place below 5.6 atm of partial pressure. In the second test, a more concentrated solution of the same composition is largely reduced to metal at a higher temperature.
In the second and the other tests, the metallic nickel is not free from oxide. The germs have a useful effect despite the increase in ammonium sulfate and the reaction is faster at the higher temperature. Although reduction at a reasonable rate is obtained at a partial pressure of less than 1.05 atm, to obtain an oxide free metal a higher partial pressure of at least 3.0 atm, and preferably 21. at 31 atm is desirable. Of course, if the reduction is carried out on solutions containing free acid, there is no danger of contamination by the oxide, even with partial pressures below 1 atm.
The reduction of ammoniacal sulphate and carbonate solutions is carried out under similar optimum conditions, except that ammoniacal solutions exert higher vapor pressures. Therefore, temperatures significantly above about 177 ° C should be avoided. It is also desirable to limit the initial nickel concentration in the carbonate to about 70 g / l if it is not intended to operate. a pressure greater than about 63 atm.
Also preferably, even when treating a solution of optimum composition, a seed powder should be suspended therein.
In general, 5 to 100 g / l should be used depending on the size and activity of the seed powder. The sprouts must have a low density, preferably less than 1.
Although the sulphate and carbonate solutions have been described by way of illustration, other anions may be present. As the corresponding acids may have different strengths from sulfuric acid, it is important to consider the final conditions not from the point of view of the percentage of free acid, but of free hydrogen ions, which is usually expressed by the pH. However, the free acid content can be so high that the pH value, logarithmic function, does not highlight the differences in conditions. In the present description, this factor has therefore been defined by the concentrations of hydrogen ions equivalent to those found in solutions with a given content of free sulfuric acid.
In summary, for optimum nickel reduction, certain initial conditions are desirable. However, for a reduction to less than 1 g / l the final conditions are critical. The initial conditions can be adjusted to produce the desired final conditions, as well as to allow initiation and reduction, and often is done. Or, other adjustments can be made during the reduction. We can summarize these limitations for illustrative cases in Table XVI
<Desc / Clms Page number 26>
below. The "optimum" columns indicate conditions giving residual nickel concentrations of g / l or less.
TABLE XVI.
Adjusted ammonia solutions Adjusted acid solutions.
EMI26.1
<tb>
Carbonate <SEP> Sulphate <SEP> Sulphate
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> inter- <SEP> optimum <SEP> inter- <SEP> optimum <SEP> inter- <SEP> optimum
<tb>
<tb>
<tb> valle <SEP> valle <SEP> valle
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Content <SEP> ini- <SEP> 10-100 <SEP> 65-70 <SEP> 10-135 <SEP> 80 <SEP> 10-100 <SEP> 70
<tb>
<tb>
<tb> tiale <SEP> in
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Neither <SEP> (g / 1)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Report <SEP> 1.5-8 <SEP> 1.8-2.2 <SEP> 1.5-8 <SEP> 1.8-2.2 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> molecular
<tb>
<tb>
<tb> initial
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> NH3 / Ni
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Content <SEP> ini- <SEP> 0.3 <SEP> 0.5-1 <SEP> 0.3 <SEP> 0.5-1 <SEP> 0.3 <SEP> 0.5-1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> tiale <SEP> in <SEP> salts
<tb>
<tb>
ammonium <tb>
<tb>
<tb>
<tb> (M / 1)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Content <SEP> fina- <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.5 <SEP> 0-0.5 <SEP> 0.5 <SEP> 0-0.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> the <SEP> in <SEP> H2SO4-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> free <SEP> (% <SEP> p / v)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Temperature <SEP> 121-260 <SEP> 177 <SEP> 149 <SEP> 204 <SEP> 149 <SEP> 177-232
<tb>
<tb>
<tb> re <SEP> initial
<tb>
<tb>
<tb> C
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Pressure <SEP> by- <SEP> 3.5 <SEP> - <SEP> 3.5 <SEP> - <SEP> 0.70 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb> tielle <SEP> minimum
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> from <SEP> gas <SEP> reducer
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (atm-H2)
<tb>
Two ammoniacal attack liquors are treated from a copper-nickel-cobalt ore to remove most of the copper and neutralize it to pH 5,
5 with sulfuric acid to precipitate nickel in the form of crystals of nickel-ammonium sulphates. The crystals of the first liquor which contain more copper and cobalt are washed thoroughly to remove the thionates. Samples were dissolved with 3 mol NH3 per mol nickel at 80 g / 1 Ni and reduced to 225 G under a pressure of 28 atm H2 for 30 minutes. The first sample is reduced in the presence of commercial nickel seed powder and successive samples of the powder from the previous run are used as the seed.
A sample of each metal obtained is taken and each sample is washed with alcohol, then with ether and dried in a water bath and analyzed.
The crystals of the second liquor are only subjected to a slight washing and consequently thionates are still present. When dissolved and reduced as described above, the metallic nickel produced contains sulfur. However, after heating to 4000 in a hydrogen atmosphere, the sulfur is removed.
<Desc / Clms Page number 27>
The powder analyzes of these tests are given in Table XVII.
TABLE XVII.
EMI27.1
<tb>
Product <SEP>% <SEP> germ <SEP>% <SEP> Neither <SEP>% <SEP> Or <SEP> + <SEP> Co <SEP>% Fe <SEP>% <SEP> S
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Germ <SEP> 100 <SEP> 99.59 <SEP> 0.62 <SEP> 0.33 <SEP> 0.022
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> First <SEP> test
<tb>
<tb> first <SEP> solu-
<tb>
<tb> tion <SEP> 55 <SEP> 98.84 <SEP> 0.85 <SEP> 0, <SEP> 009 <SEP> < <SEP> 0.01
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Second <SEP> test
<tb>
<tb> first <SEP> solu-
<tb>
<tb> tion <SEP> 40 <SEP> 98.84 <SEP> 0.72 <SEP> 0.008 <SEP> <0.01
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Third <SEP> test
<tb>
<tb> first <SEP> solu-
<tb>
<tb> tion <SEP> 32 <SEP> 99.38 <SEP> 0.71 <SEP> 0.008 <SEP> <0.01
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Second <SEP> solu- <SEP> x
<tb>
<tb> tion <SEP> 0 <SEP> 99.68 <SEP> 0.17 <SEP> 0.005 <SEP> 0,
14
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Second <SEP> solu-
<tb>
<tb>
<tb> tion <SEP> H2 <SEP> dried <SEP> 99.81 <SEP> 0.17 <SEP> 0.008 <SEP> < <SEP> 0.01
<tb>
* Seeding powder from previous cycles under identical conditions
Spectrographic examination shows that no impurities are present above 0.001-0.01%. Apart from other gas-reducible metals, the nickel produced contains less than 0.1% of total impurities. Even iron in germs is largely removed.
REDUCTION OF COBALT.
Co is normally obtained from sulphide, sulphurous-arsenide or oxidized ores. These can be attacked by various methods to dissolve the cobalt. An ammoniacal carbonate or sulfate solution or acidic sulfate solutions can be obtained. In ammoniacal solution, any other anion can be present except those which, like cyanide, form a practically non-reducible complex, or which, like permanganate, react with the reducing gas. Some, such as sulfates, are preferable to others, such as carbonates, due to their higher solubility. In addition, as will be seen below, the terminal acidity below which the cobalt salts can be reduced to metal is low.
An ammoniacal cobalt sulfate system will most commonly be encountered in industrial practice and hence will be taken as illustration for the present description.
Cobaltous sulfate is soluble in both acidic and ammoniacal solutions of suitable composition up to about 120 g / 1 Co at ambient conditions. Under neutral and slightly acidic conditions, when ammonium sulfate is present in sufficient quantity, the double salt can be precipitated. This is another reason for preferring basic conditions. In ammoniacal solutions containing free NH3, basic sulfate precipitates for NH3 / Co molecular ratios of less than 3, unless a sufficient amount of ammonium sulfate is present.
Although this is possible for economic reasons, it is seldom desirable to process liquors containing less than 4 g / 1 Co.
<Desc / Clms Page number 28>
COBALTIC REDUCTION.
Cobalt is more easily oxidized in the trivalent state than ni-
EMI28.1
ckel. In addition, the "amine" cobalt sulfate (Go (NH) 6) z (S0) 3, 2H20 is precipitated by strong oxidation of strongly ammoniacal solutions. This process can sometimes be used to separate cobalt either from other gas-reducible metals or from dilute solutions.
However, if it is suspended in water or in dilute ammoniacal solution, it is reduced by hydrogen to 149 - 232, cobalt and ammonium sulphate are obtained o Only a slight reduction or zero of these cobaltic amines below about 149, some reduction is obtained at 160 - 165 and a complete reduction can be obtained for about half an hour above about 188 - 190 if conditions are otherwise correct. Seeding with pulverized cobalt according to the aforementioned process is in this case highly desirable. If the "free" ammonia exceeds about 3M / L, sufficient hydrogen is needed to produce a total pressure greater than about 51 atm at 204.
Due to the high partial pressure of ammonia which increases with the reduction, the partial pressure of hydrogen can be reduced to less than 3.5 atm.
A minimum total pressure of 56 atm is best. Typical temperatures encountered are from about 160 to about 260, preferably using a partial pressure of H2 of 14-35 atm and a total pressure of about 51-63 atm. The resistance of equipment required to withstand more than about 70 atm is seldom cost effective for increasing reaction rates using these pressures. The content of free ammonia should be kept above that of the amino salt but below about 3 M / l. The ammonium sulfate minimum is that derived from the reaction of the amine salt, the maximum being maintained above about 4 and preferably below 0.8-1.0 M / L.
GOBALTHUSE REDUCTION.
Cobalt solutions with a high ammonia and ammonium sulfate content and similar in composition to cobalt amine suspensions may also be reduced. Illustrative results of reducing these solutions to about 232 using a hydrogen partial pressure of 28 atm. and no seeding are shown in Table XVIII.
TABLE XVIII.
Effect of high NH3 and (NH4) 2SO4 content
EMI28.2
<tb> Content <SEP> initial <SEP> (M / 1) <SEP> Time <SEP> Yield
<tb>
<tb>
EMI28.3
Go NH3 (NH4) + "(Min ..)% ---------
EMI28.4
<tb> 0.88 <SEP> 10.3 <SEP> 1.6 <SEP> 60 <SEP> 65
<tb>
<tb> 0.87 <SEP> 9, <SEP> 4 <SEP> 1.75 <SEP> 60 <SEP> 81
<tb>
<tb> 0.85 <SEP> 8.2 <SEP> 1.7 <SEP> 60 <SEP> 83
<tb>
<tb> 0.75 <SEP> 6.4 <SEP> 5.4 <SEP> 120 <SEP> 44
<tb>
<tb> 0.79 <SEP> 5.2 <SEP> 5.0 <SEP> 120 <SEP> 69
<tb>
<tb> 0.82 <SEP> 6.65 <SEP> 3.5 <SEP> 120 <SEP> 80
<tb>
<tb> 0.88 <SEP> 6.75 <SEP> 1.7 <SEP> 120 <SEP> 88
<tb>
<Desc / Clms Page number 29>
From these and similar tests it was found that the increase in ammonium sulfate content above 0.85 M (1.7 mol NH4 +)
affects yield as the increase of free ammonia above 7MB
Seeding with metallic cobalt powder allows faster speeds and / or lower temperatures and pressures to be used Reduction of solutions containing smaller amounts of ammonia and ammonium sulfate takes place rapidly to 204 and 56 atm of total pressure when sprouts are added. Particular results obtained under these conditions are illustrated below in Table XIX.
TABLE XIX Seeding in the reduction of intermediate solutions
EMI29.1
<tb> Content <SEP> initial <SEP> (M / 1) <SEP> Germs <SEP> Time <SEP> Yield
<tb>
EMI29.2
Co NH NH (9/1.) (Min.) (%) ------------- 2 ------ H ------------- -------------------------
EMI29.3
<tb> 0.12 <SEP> 0.48 <SEP> 0.48 <SEP> 665 <SEP> 30 <SEP> 100
<tb>
<tb> 0.12 <SEP> 0.48 <SEP> 0.48 <SEP> 200 <SEP> 20 <SEP> 100
<tb>
<tb> 0.6 <SEP> 2.4 <SEP> 1.44 <SEP> 665 <SEP> 30 <SEP> 99
<tb>
<tb> 0.69 <SEP> 2.8 <SEP> 2.8 <SEP> 200 <SEP> 20 <SEP> 86
<tb>
<tb> 0.95 <SEP> 3.8 <SEP> 3.8 <SEP> 665 <SEP> 30 <SEP> 89
<tb>
<tb> 1.2 <SEP> 9.5 <SEP> 2.4 <SEP> 100 <SEP> 20 <SEP> 82
<tb>
<tb> 1.2 <SEP> 9.2 <SEP> 4,
6 <SEP> 100 <SEP> 20 <SEP> 32
<tb>
It can be seen that in the first five tests, NH / Co and NH4 + / Co molecular ratios of about 4 are used with excellent results, but that the increases in the amounts of ammonia and / or ammonium sulphates decrease the amounts. returns.
Solutions containing even lower NH3 / Co ratios can also be rapidly reduced. The particular results obtained with hydrogen in about 1 hour at 220 and 59.5 atm of total pressure are shown in Table XX below.
TABLE XX.
EMI29.4
<tb>
Content <SEP> initial <SEP> (M / 1) <SEP> NH3 <SEP> adds <SEP> Solution <SEP> final
<tb>
EMI29.5
-------------------------------------------------- ----------------------
EMI29.6
<tb> Co <SEP> (NH4) <SEP> pH <SEP> (M / l) <SEP> pH <SEP> NH3 <SEP> free <SEP> (M / 1) <SEP> Reduction
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> * <SEP>%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.91 <SEP> 0.25 <SEP> 3.0 <SEP> 4.4 <SEP> 9.6 <SEP> 1.5 <SEP> 99.9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.85 <SEP> 0.64 <SEP> 3.7 <SEP> 3.4 <SEP> '9.05 <SEP> 0.75 <SEP> 100.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.95 <SEP> 1.19 <SEP> 3.0 <SEP> 2.4 <SEP> 10.9 <SEP> 0.5 <SEP> 99.5
<tb>
EMI29.7
0.4 0.77 6.0 1.2 8.4 0., 1 97.5
EMI29.8
<tb> 0.43 <SEP> 1.3 <SEP> 2.1 <SEP> 1.1 <SEP> 8.3 <SEP> 0.04 <SEP> 93,
5
<tb>
<Desc / Clms Page number 30>
EMI30.1
Co (NH,) pH (1-1 / 1) pH free NE3 (M / 1) Reduction m% -------------------------- ------------------------------------------------ 0, 14 li, 3 24 0.35 8.0 99.5
EMI30.2
<tb> 0.88 <SEP> 0.73 <SEP> 3.0 <SEP> 1.76 <SEP> 2.5 <SEP> 80.0
<tb>
* Note; The solutions used in these tests are obtained by acid attack and the attack liquors are treated with lime to precipitate the impurities. The pH after liming but before the addition of NH3 is indicated.
The last test shows that when the amount of ammonia added is less than an NH3 / Co molecular ratio of about 2, the solution soon becomes too acidic and the reduction stops at a pH of about 2.5 with up to about 10 g / l of cobalt still in solution.
The cobalt content of a neutral solution, i.e. one which does not contain free ammonia, can be reduced to some extent by applying sufficient pressure of hydrogen. However, a significant reduction can be obtained by adding ammonia gas in autoclaving during reduction. When the ammonia content is insufficient and some free acid is present, the reduction is incomplete. However, it can be made complete by maintaining a pH slightly above 7. When only small amounts of ammonia are added before reduction, for example one NH3 molecule per cobalt molecule, the reduction ceases when the solution becomes acidic. , but the product contains basic cobalt sulfate.
The reduction under these conditions of a cobalt solution containing about 0.5 M / L of cobalt and 1.0 M / L of NH + at 2320 is indicated by the four specific results in Table XXI. In the first cycle, no NH3 is added. In the second, one molecule is added per initial molecule of cobalt, in the third and fourth cycle, NH3 is periodically added during the cycle to return to basic conditions. and the fourth solution is kept basic until the end.
TABLE XXI.
Acid reduction of cobalt sulfate solution.
EMI30.3
<tb>
Solution <SEP> initial <SEP> (M / 1) <SEP> Solution <SEP> Time <SEP> Tempo <SEP> Pres- <SEP> Yield
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> final <SEP> sion <SEP> to- <SEP>%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> tale
<tb>
EMI30.4
Co (NH4) + pH Free H2S04 Min. (OC) ---------- ---- ----------------------% -
EMI30.5
<tb> 0.5 <SEP> 1.0 <SEP> 0.09 <SEP> 60 <SEP> 232 <SEP> 1370 <SEP> 16
<tb>
<tb> 0.5 <SEP> 1.0 <SEP> 0.04 <SEP> 60 <SEP> 232 <SEP> 900 <SEP> * <SEP> 55
<tb>
<tb> 0.5 <SEP> 1.0 <SEP> 0.012 <SEP> 90 <SEP> 232 <SEP> 1000 <SEP> 76
<tb>
<tb> 0.5 <SEP> 1.0 <SEP> 7.4 <SEP> 100 <SEP> 232 <SEP> 1000 <SEP> 93
<tb>
* Note: A yield of 55% metal is obtained.
It also precipitates some basic sulfate.
In summary, solutions containing cobalt can be successfully reduced from mildly acidic conditions to strongly ammonia.
<Desc / Clms Page number 31>
niacals and containing varying proportions of ammonia, ammonium sulphate and cobalt. There are, however, definite limits which must be observed for this process to be applicable, and even narrower conditions which must be observed in order to obtain optimum results.
Table XXII gives the analysis of a cobalt powder obtained by treating a sulfate solution from which the nickel has not previously been removed. The solution contains ammonia in a molecular ratio of 3 with Co and ammonium sulfate in a molecular ratio of 0.81 with Go. The reduction with hydrogen is carried out at 177 under a total pressure of 42 atm for 90 minutes. 80 g / l of seed powder of less than 325 mesh is used.
TABLE XXII.
Cobalt powder from sulphate solutions.
Analysis% or g / 1
EMI31.1
<tb> Co <SEP> Neither <SEP> Fe <SEP> Cu <SEP> Az <SEP> S
<tb>
EMI31.2
------------------------------------------------- - -
EMI31.3
<tb> Solution <SEP> initial <SEP> 49.0 <SEP> 3.38 <SEP> 0.05 <SEP> 0.0 <SEP> 0.0
<tb>
<tb> Liquor <SEP> of <SEP> tail <SEP> 0.16 <SEP> 0.03
<tb>
EMI31.4
Co powder 949 9 4p7% O, io% 000 ± 0.01% 0.039%
The reaction is facilitated if one operates with at least one, preferably at least two, but not more than about 7 molecules of ammonia per molecule of cobalt. Best results are obtained for NH3 / Co ratios of from about 2 to about 4. Preferably, there should be at least 0.5 or more molecules of ammonium sulfate per liter.
Upper limits range from NH4 / + / Co ratios of around 0.8 - 1.0 for high NH3 / Co ratios greater than around 4, up to around 3 - 4 for NH3 / Co ratios of 2 - 4 In the presence of ammonium sulfate some reduction may occur in solutions containing as much as 0.9% free sulfuric acid but for complete recovery, i.e. reduction to less than 1 g / 1, ammonia solutions more basic than pH 7.0 are required.
ADDITIONAL REDUCTIONS.
Other metals forming complexes.
In addition to the copper, nickel and cobalt discussed in the previous discussion, other metals such as silver, mercury, cadmium, zinc and manganese also form similar amino complexes. Among these illustrative examples, the first two are more easily reducible by hydrogen than copper; the last three are more difficult than cobalt.
Ag and Hg are even more easily reducible than copper, so that like copper they can be reduced directly by hydrogen in the presence of a lot of free acid. This can be illustrated in the following Table XXIII showing the results obtained under the conditions indicated.
<Desc / Clms Page number 32>
TABLE XXIII,
EMI32.1
<tb> Metal <SEP> M / 1 <SEP> Anion <SEP> Temp (C) <SEP> Pressure <SEP> Time <SEP> Yield
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> total <SEP> (Min.) <SEP> (%)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (atm)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Ag <SEP> 0.1 <SEP> S04 <SEP> 204 <SEP> 70 <SEP> 60 <SEP> 80+
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Hg <SEP> 0.5 <SEP> NO3 <SEP> 204 <SEP> 49 <SEP> 60 <SEP> 60+
<tb>
These and similar results are interesting for several reasons. The yields are quite good, so that a complete reduction can be obtained in a closed circuit. Although the yields can be improved by complexion, this is not industrially necessary. It is possible to use anions such as nitrate which for basic metal salts react with the residual gas.
Direct reduction from the acid obviates the need to handle the silver and mercury compounds which are hazardous in the dry state. Silver and mercury roughly represent the limit-metals from the point of view of the lower position (electro-negative) in the table of oxidation-reduction potentials.
Cobalt on the other hand is reducible from solutions containing only a low free acid content, even when the amine is complexed. Among the more active metals which form amino complex ions whose sulfates and / or carbonates are soluble in amino solutions with a suitable electrolyte, some can be usefully reduced by gas, others not.
This is likely to be illustrated by the reductions in ammoniacal sulphate solutions attempted by hydrogen at about 225 for 60 minutes at a total pressure of 84 atmospheres shown in the following Table XXIV:
TABLE XXIV.
Content of the solution.
EMI32.2
<tb>
Metal <SEP> M / 1 <SEP> Amine <SEP> $ / la <SEP> Electrolyte <SEP> M / 1. <SEP> Reduction
<tb> obtained
<tb>
<tb>
<tb>
EMI32.3
Cd 1.0 NFi3 4, 0 (I1H,) zSO 0, 5 yes Cd l, o C2H4 (NH2) Z 4.0 H2SO4 0.9 yes Zn 1, 0 NH3 z, 0 (NH4) 2S 04 0, 5 no
EMI32.4
<tb> Zn <SEP> 0.5 <SEP> CH3NH2 <SEP> 2.0 <SEP> - <SEP> - <SEP> no
<tb>
<tb> Zn (l) <SEP> 1.0 (2) <SEP> C2H4 (NH2) 2 <SEP> 5.0 <SEP> H2SO4 <SEP> 1.4 <SEP> no
<tb>
<tb> Zn (l) <SEP> 1.0 <SEP> C5H5N <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> H2S04 <SEP> 1.8 <SEP> no
<tb>
Notes: (1) total pressure 140 atm (2) 120 minutes
Cadmium is reduced to metal while zinc is not despite more vigorous treatment.
USE ADDITIONAL DIAMINES.
Much of the previous discussion has concerned NH3 com-
<Desc / Clms Page number 33>
amine me. It has been noted that other amines can be used if desired. Cobalt, nickel and copper are all reduced completely (to less than about 1 g / L in solution) from complexes with organic amines such as methyl and ethylamine, ethylene diamine, pyridine and the like. In solution of sulfates, the electrolyte can be a free acid in certain cases. In solution of sulfates and carbonates, it can be an ammonium salt or a salt of the amine used.
In the successive selective reduction of metals from amine solutions of salts of more than one metal, some of these amines allow a more selective separation than ammonia. However, their use as shown in Table XXIV does not achieve the reduction of zinc. The usable range appears to be that of non-ferrous metals which form complexes with ammonia and whose oxidation potentials include and are between those of silver or mercury and cadmium.
SOLUTION OTHER THAN WATER.
In the previous examples aqueous solutions were used. However, it is not necessary to use water. For example, hydrogen is more soluble in alcohols than in water. Other acids produced by reduction are considerably less ionized in non-aqueous solutions and therefore do not affect reduction. Cadmium, which is the most difficult metal to reduce in aqueous solution, is easily reduced in an alcoholic solution of its acetate as shown in Table XXV.
TABLE XXV.
EMI33.1
<tb>
Solvent <SEP> Salt <SEP> Time <SEP> Temp. <SEP> Pressure <SEP> Rende- <SEP> Purity
<tb>
<tb>
<tb> (Hrs) <SEP> (C) <SEP> partial- <SEP> lie
<tb>
<tb>
<tb> there <SEP> H2 <SEP> (%)
<tb>
<tb>
<tb> (atm)
<tb>
EMI33.2
Methanol, 5M Cd (OH3COO) 2 1 392 35 65 99%
EMI33.3
<tb> Cd
<tb>
<tb> Isopro-
<tb>
<tb> panol <SEP> " <SEP> 1 <SEP> 392 <SEP> 35 <SEP> 80 <SEP> 99 +%
<tb>
<tb> Cd
<tb>
ANIONS OTHER THAN SULPHATE AND CARBONATE.
* Anions other than SO4 and C03, in whole or in part, can be used in solutions in which Cu, Ni and Co are reduced, provided they allow adequate solubility, are stable in solution at temperatures reduction, that they do not react with the reducing gas or that they do not form non-reducible complexes.
In ammoniacal solution, there are few anions which do not give adequate solubility of the illustrative metals in the form complexed with ammonia. In acidic solution, the choice is more limited, for example the phosphate causes precipitation in acidic solution. In addition, a complex forming anion is highly desirable if there is no ammonia present, eg the chloride works, but poorly to keep up with it and is not usable for nickel. However, the complex should not be too strong, for example cyanide allows a considerable reduction of copper, but cannot be used with nickel. Other anions such as nitrate not only do not appear to form complexes with these metals but can react with reductant gas in acidic solution although they are stable in basic solution.
Other anions such as fluosilicate are suitable in acidic solution but in ammonia solution.
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niacale are decomposed at the reaction temperature (to NH4F and Si-02 gel). Examples of reduction of solutions of 2.5-1M metals at 204-2320 for 60 minutes at 63 atm by H2 are given in Table XXVI.
TABLE XXVI.
Content of the solution
EMI34.1
<tb> Metal <SEP> Anion <SEP> Amine <SEP> or <SEP> M / 1 <SEP> Electrolyte <SEP> M / 1 <SEP> Yield
<tb> acidity
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cu <SEP> Cl <SEP> pH <SEP> 2 <SEP> NH4Cl <SEP> 0.5 <SEP> bad
<tb>
<tb>
<tb> Cu <SEP> Cl <SEP> pH <SEP> 2 <SEP> NaCl <SEP> 1.0 <SEP> good
<tb>
EMI34.2
Cu PO4 NH3 4 (NH 4) 3 PO 4 0.2 bad
EMI34.3
<tb> Gu <SEP> SiF6 <SEP> NH3 <SEP> 4 <SEP> (NH4) 2SiF6 <SEP> 0.3 <SEP> high
<tb>
EMI34.4
Cu S04 - KCN t, 0 'good Ni Cl NE 3 4 NH4C' 0.5 high Ni CH3GOZ CH3 C02H 1 NH 4Ac 0.2 comp.
Ni P04 Ni 4 (NH4) 3PO4 0.2 3 ± good Ni SiF 6 NH3 4 (NH4) 2SiF6, 3 3 ± comp.
EMI34.5
<tb> Neither <SEP> SiF6 <SEP> pH <SEP> 2 <SEP> (NH4) 2SiF6 <SEP> 0.3 <SEP> high
<tb>
* Some non-metallic precipitate
In the test with nickel acetate the final solution contains 3M free acid and in the test with nickel fluosilicate the final acidity is 1 Mo.However, these acids are weaker than sulfuric and the concentration actual hydrogen ions is not higher than that of a sulphate solution containing 1% free acid.
In the foregoing discussion of the present invention the sources of the solutions described and illustrated are considered irrelevant as long as they consist essentially of a single reducing metal. When obtained by attacking ores or mineral concentrates and the like, these solutions are not chemically pure to the point of containing only compounds of the particular metal. It is very surprising that the results obtained by the present process on these "impure" solutions are generally very satisfactory.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.