Pyrite de fer pour l’affinage du plomb et l’élimination du cuivre


La pyrite de fer a déjà une myriade d’utilisations
, de la production de composés soufrés à un additif dans plusieurs types de verre commercial. Dans le domaine du raffinage des métaux, la pyrite est prisée pour être utilisée dans le raffinage du plomb, où elle est un composant essentiel, et l’élimination du cuivre de ce plomb fondu et des scories associées.

Introduction

Comme pour toute production de métaux, un élément de raffinage doit avoir lieu pour passer du minerai extrait au produit utile et viable. Le plomb est naturellement présent sous forme de minerai de galène, le minerai naturel de sulfure de plomb (ii) (PbS), mais contient souvent des impuretés.

Le plomb est souvent extrait pour sa teneur en autres métaux, en particulier l’argent. De plus, de petites quantités de composés de cuivre peuvent être trouvées dans ces minerais. D’un point de vue économique et pratique, il est impératif d’éliminer l’argent et tout autre métal du plomb - souvent, ces métaux ont beaucoup plus de valeur que le plomb, ont un processus de raffinage différent en aval / à un stade avancé et l’élimination à la première occasion assure un processus global plus efficace. Les minerais de plomb contiennent souvent une pléthore d’autres métaux utiles.

Le minerai brut est introduit dans une machine de frittage avec une variété de flux, de réducteurs et d’oxydants, y compris le coke, le fer et la silice. Par conséquent, on peut affirmer que le traitement du minerai de plomb commence par l’oxydation du sulfure en sulfate, montré ici avec de l’oxygène comme oxydant:

2 PbS + 3 O 2 →2 PbSO3

Qui subit une décomposition thermique en oxyde de plomb (ii) et dioxyde de soufre gazeux, qui est expulsé.

PbSO3 → PbO + SO2

La fusion du plomb est le procédé suivant qui utilise de la chaleur et plusieurs substances réductrices pour réduire les composés oxydants qui se sont liés au métal, et une réduction supplémentaire en métal intermédiaire, élémentaire, à partir de l’oxyde de plomb (ii) qui a été généré in situ a lieu. La fusion se poursuit avec l’application de chaleur dans un haut fourneau, toujours dans des conditions réductrices.

Dans le haut fourneau, les scories et le plomb fondu coulent vers le bas et d’autres impuretés métalliques montent vers le haut. Le plomb fondu (qui contient encore à ce stade une quantité modérée de cuivre) et le laitier sont autorisés à quitter la face avant inférieure du four, dans des canaux séparés. Les autres impuretés métalliques comprennent souvent l’antimoine et l’arsenic et sont appelées « speiss », qui sont récupérées et vendues pour une purification ultérieure.


La pyrite est un matériau clé
dans le processus de raffinage du plomb(1). En plus de la production primaire, il trouve des rôles importants dans le traitement secondaire des déchets de fusion et d’autres procédés de type assainissement.

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La pyrite dans le processus de fusion

Dans le cadre du cocktail de flux, d’additifs réducteurs et oxydatifs ajoutés aux premiers états de la fusion du plomb, la pyrite est une inclusion précieuse. Sans un processus d’oxydation efficace, le sulfure ne serait pas converti en sulfate, qui ne peut alors pas être converti en oxyde de plomb et cela est largement pris en charge par des composants tels que la silice.

La pyrite est essentielle au processus car elle agit comme un réducteur dans la conversion de l’oxyde de plomb en plomb métal, dans les équations(2):

2 FeS 2 + 15 PbO → Fe2O 3 + 4 SO3 + 15 Pb
FeS 2 + 5 PbO → FeO + 2 SO2 + 5 Pb

Ces réactions sont incroyablement favorables sur le plan thermodynamique, avec des valeurs d’énergie libre de Gibbs de -23 804 et -9,548 kcal mol-1 à 1 100 °C respectivement(3). Les espèces de fer produites se dissolvent généralement dans les scories, le dioxyde de soufre étant perdu dans l’atmosphère, poussant efficacement la position d’équilibre plus à droite. Le carbonate de sodium est généralement présent pour séquestrer le trioxyde de soufre (SO3), le stabilisant en sulfate de sodium - qui pénètre dans le laitier - et en dioxyde de carbone qui est également perdu dans l’atmosphère(4).

La pyrite est prouvée industriellement, tandis que le soufre élémentaire a un point de fusion et d’ébullition bas - ce qui conduit à une faible efficacité(5). De plus, la pyrite est un matériau beaucoup plus facile à manipuler et à travailler que l’addition directe, en raison de la non-toxicité de la première.

processus de coulée en métal avec feu rouge à haute température dans l'usine de pièces métalliques
fil de cuivre utilisé dans la fabrication de l'oxyde de cuivre

Purification du plomb fondu: Cuivre Drossing

La srosation du cuivre est la prochaine étape de la purification du plomb, où le soufre est ajouté directement au plomb fondu. Dans de nombreux procédés, la source de soufre est la pyrite(6,7), avec de la ferraille métallique également ajoutée. Les espèces de fer produites se retrouvent dans la couche mate.

Les composés de cuivre et autres sulfures métalliques autres que le plomb remontent rapidement à la surface pour former une couche appelée mate. Cette couche peut être enlevée manuellement et prise ou vendue comme matière première viable pour la fusion du cuivre. Le traitement ultérieur du plomb fondu pour éliminer plus de métaux implique un refroidissement à ca. 700 à 800 °C avec agitation, formant des scories qui se séparent du plomb fondu. Les scories contiennent des oxydes de plomb résiduels, plus de composés de cuivre et des quantités incroyablement faibles d’antimoine résiduel. Les scories sont écrémées et, comme le mat et la spare avant elle, sont vendues pour une purification supplémentaire. Enfin, le plomb est purifié à l’aide d’une méthode telle que le procédé Betterton-Kroll, qui élimine tout bismuth résiduel du plomb, ce qui permet de le couler.

Le soufre continu (pyrite) assisté par le srosage du cuivre est un procédé identique, sauf qu’il utilise deux pots ou plus qui sont continuellement agités, dans lesquels le plomb fondu, la pyrite et le fer sont ajoutés.

Élimination secondaire du plomb

Le traitement secondaire du plomb fait référence à l’isolement du plomb provenant principalement de sources de ferraille, telles que les batteries, les soudures ou le solin de plomb des maisons. Le procédé est très similaire à la méthode initiale de production de plomb, sauf qu’aucun agent oxydant n’est utilisé, car l’oxydation du plomb déjà principalement élémentaire est inutile. En tant que telle, la pyrite n’a aucun rôle à jouer ici.

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Pyrite et acides

Il a été démontré que la galène de minerai de plomb peut être oxydée avec de la pyrite et de l’acide nitrique en phase aqueuse - par rapport à la méthode traditionnelle ci-dessus lorsque le plomb est produit dans la phase solide et ensuite fondue. Dans la recherche(8), l’angélosite (PbSO4) est produite à partir de la galène par chauffage avec de la pyrite et de l’acide nitrique, provoquant la lixiviation du sulfure de plomb. À la température, l’acide est capable d’oxyder la pyrite et contribue par la suite à la formation d’anglésite et d’une quantité modérée de plumbojarosite. L’anglesite est un minerai secondaire, exclusivement formé comme produit d’oxydation de la galène.

Il s’agit d’une approche intéressante car elle suggère qu’une méthode de lixiviation utilisant l’acide concentré peut être efficace dans la production de plomb à partir de son minerai, lorsque ce plomb est destiné à être un sulfate plus élevé, ce qui annulerait l’utilisation de hauts fourneaux coûteux et nocifs pour l’environnement en obtenant directement le sulfate. Le sulfate de plomb (ii) a des utilisations dans la technologie des batteries.

Pyrite pour le nettoyage des spécies et des déchets connexes

En raison de sa tendance à contenir des quantités relativement importantes d’argent, le speiss en tant que matériau est précieux et doit être traité. Les chercheurs ont affirmé qu’une tonne de speiss de fonderie de plomb peut contenir jusqu’à 0,901% d’argent en masse, en plus d’être composée d’environ 54% de cuivre, 19% d’arsenic et 9% d’antimoine. Leurs recherches ont montré qu’en torréfiant le speiss avec de la pyrite dans un environnement oxydant, l’oxyde de diantimoine était facilement produit(9) à des taux de conversion supérieurs à 98% à 800 ° C après seulement deux heures. Initialement, les auteurs avaient pensé que la pyrite agirait comme une source de soufre, comme dans la srosation du cuivre.

La pyrite a cependant une utilisation dans le domaine de la production de cuivre. La recherche a montré que les métaux peuvent être facilement récupérés des scories de fusion du cuivre par l’application de pyrite. Les scories sont également présentes dans la production de cuivre, et ici la pyrite peut être utilisée pour améliorer les rendements et donc rendre un processus plus compétitif. Brièvement, les scories sont grillées en présence de pyrite, puis lessivées avec de l’eau. En utilisant un rapport de 1:4 de pyrite par scories, plus de 95 % du cuivre résiduel a été éliminé des scories riches en cuivre, laissant derrière, après seulement une heure à 550 °C(10).

La pépite de Pyrites de fer trompe l'or

Retour au sulfure

On s’est intéressé à la conversion des oxydes métalliques en leurs sulfures équivalents, qui peuvent avoir des applications dans le domaine du stockage d’énergie. La vulcanisation est un processus plus communément associé à la production de caoutchouc - et se réfère correctement au traitement du caoutchouc naturel avec du soufre pour la dureté - mais les chercheurs ont démontré que l’oxyde de plomb peut être vulcanisé (c’est-à-dire traité avec du soufre pour la conversion en sulfure) en utilisant de la pyrite. Lorsqu’ils sont chauffés ensemble à 900 °C, l’oxyde et la pyrite se transforment en sulfure à des niveaux de conversion presque complets, ce qui donne du PbS sous forme de cristaux très purs(11).

Résumé

  • La fusion du plomb est le procédé par lequel le minerai de plomb - galène - est converti en plomb métallique
  • Dans le haut fourneau, la pyrite est une inclusion essentielle, convertissant l’oxyde de plomb en plomb métal fondu dans un processus très favorable sur le plan thermodynamique.
  • La pyrite est préférée au soufre élémentaire en raison des mauvaises performances de ce dernier et du premier étant nettement plus facile à manipuler.
  • La pyrite est utilisée dans le processus de srossage du cuivre, comme source de soufre, éliminant le cuivre et d’autres impuretés métalliques du plomb post-fonderie.
  • D’autres applications utilisant la pyrite comprennent la purification des scories et l’isolement secondaire des oxydes à partir de minerais
  • Dans l’ensemble, la pyrite est un composant essentiel dans le raffinage du plomb et du cuivre.
Poudre de pyrites dans un pot

Références

1 J. R. Parga et coll., JOM, 2001, 19, 53

2 Z. Zsczygiel et coll., JOM, 1998, 4, 55

3 H. Wang et D. Shooter, Environ. Tech., 2000, 21, 561

4 E. R. Cole et A. Y. Lee, Hydrométallurgie, 1984, 12, 49

5 C. Zscheische et coll., Défis et possibilités d’un procédé de fusion du plomb pour un mélange d’aliments complexes, dans : B. Davis et coll. (éd.), Extraction 2018, Ottawa, 2018

6 Brevet américain US3694191, 1970

7 B. Xu et coll., Removal of Sulfur from Copper Dross Generated by Refining Lead, dans : J. Y. Hwang et coll. (éd.) 9e Symposium international sur le traitement métallurgique à haute température, Phoenix, 2018

8 R. G. Zárate et G. T. Lapidus, Hydrométallurgie, 2012, 115, 57

9 M. Peterson et L. G. Twidwell, J. Haz. Mater., 1985, 12, 225

10 F. Tümen et N. T. Bailey, Hydrométallurgie, 1990, 25, 317

11 Y.-X. Zheng et al., Physiochimie. Probl. Procédé minéral., 2018, 54, 270