Les piles sont des dispositifs capables de convertir l'énergie chimique en énergie électrique. Une pile comporte une cathode et une anode séparées par un électrolyte permettant le passage des ions entre les électrodes. Le choix du matériau des électrodes et de l'électrolyte est fonction du voltage et du courant que la pile sera amenée à fournir. Les composantes actives des piles sont logées dans une enveloppe qui les met à l'abri de l'air, empêche les fuites et procure une structure à l'ensemble.

On distingue les piles primaires des piles secondaires. Les piles primaires sont des piles destinées à être utilisées jusqu'à leur épuisement pour être ensuite jetées. Les piles secondaires par contre, aussi appelées accumulateurs, sont conçues pour permettre un rechargement et une réutilisation ultérieure.

Parmi les piles primaires les plus répandues figurent les piles fonctionnant sur la base du couple dioxyde de manganèse et zinc. Les piles appelées « salines » comprennent comme anode un godet en alliage à base de zinc comprenant du plomb et quelques additifs dont jusqu'il y a peu le mercure et le cadmium. L'électrolyte est constitué d'une solution de chlorure d'ammonium et/ou de chlorure de zinc. La cathode comprend une pâte à base de dioxyde de manganèse et de noir de carbone.

Une autre pile primaire courante à base de dioxyde de manganèse et de zinc est la pile alcaline qui se distingue de la précédente notamment par des matériaux d'électrode plus purs et par le fait que l'électrolyte est constitué d'hydroxyde de potassium.

La nature potentiellement dangereuse de ses composants, notamment les métaux lourds, rend la collecte et le traitement des piles usagées incontournable. La revalorisation des produits de ce traitement constitue alors un atout considérable pour rendre le recyclage de piles usagées industriellement et économiquement viable.

Pour les piles décrites sont valorisables notamment leurs constituants principaux, à savoir le manganèse et le zinc. Ces derniers offrent un débouché

économique intéressant notamment comme matières premières dans la fabrication de ferrites doux.

On connaît des procédés de traitement de piles primaires avec récupération du manganèse et du zinc.

Les piles collectées sont en général d'abord triées afin d'éliminer par exemple les piles boutons et les accumulateurs nickel-cadmium. Les piles primaires, ainsi séparées, sont ensuite broyées afin de disloquer les enveloppes métalliques et d'en libérer leur contenu. De cette préparation sont ensuite séparés les métaux ferreux par voie magnétique. On élimine le plus souvent également les parties inertes telles que le plastique et le papier.

La boue minérale obtenue, appelée masse noire ( « black mass » en anglais), constitue un produit intermédiaire important intervenant dans les procédés de recyclage des piles.

Plusieurs procédés de traitement de la masse noire ont été proposés. La plupart prévoient une étape de calcination conduisant à l'obtention d'oxydes.

Ainsi, EP 0761621 décrit un procédé de préparation de ferrites à partir de la black mass comprenant une étape de calcination à une température comprise entre 700 et 950°C.

EP-A-409792 décrit la préparation simultanée de dioxyde de manganèse et de zinc par électrolyse après calcination à 550°C sous atmosphère inerte.

De même, JP-60096734 décrit un procédé de traitement pour la récupération d'éléments valorisables à partir de piles usagées, dans lequel les piles sont d'abord broyées, puis chauffées à 500°C et ensuite soumises à un traitement chloro- ammoniacal, puis calcinées.

Ces procédés présentent comme inconvénient le fait que le traitement thermique génère des effluents gazeux toxiques (Hg, Cd). En outre, la calcination requiert une énergie considérable et rend les opérations longues et coûteuses.

Enfin, le produit issu de ces procédés présente peu de valeur commerciale étant donné la quantité élevée d'impuretés qu'il contient.

Les procédés hydrométallurgiques, utilisant des réactions en solution aqueuse à basse température (-100°C), sont plus adaptés au traitement sans transfert de pollution et à une meilleure valorisation des matériaux contenus dans les piles.

Un tel procédé est décrit dans EP 0 620 607. Ce document enseigne une mise en solution de la masse noire dans l'acide sulfurique (lixiviation) suivie d'une précipitation du mercure à un pH entre 2,5 et 4. Le zinc est ensuite séparé du manganèse par électrolyse. L'électrolyse requiert toutefois également une énergie considérable et un équipement coûteux. Par ailleurs, aucun des procédés permet l'élimination efficace et simple du nickel. Aussi, le tri initial des piles doit être rigoureux pour éviter la présence d'accumulateurs contenant des matériaux d'électrode à base nickel.

La présente invention a donc pour objet un procédé de préparation d'oxydes mixtes de manganèse et de zinc de mise en oeuvre simple et peu onéreux.

Le procédé selon l'invention permet l'obtention d'oxydes mixtes zinc- manganèse de composition stoechiométrique très large, du type ZnxMn3-x04+y (0 < x < 1.5 et-0.35 zig y zig 0.35). La préparation de l'oxyde mixte ZnMn204 est particulièrement intéressante car celui-ci peut être utilisé comme matière première pour la préparation de ferrites doux.

Selon l'invention, le procédé de préparation d'un oxyde mixte de zinc et de manganèse à partir d'une solution de sulfates de manganèse et de zinc, comprend les étapes de : - cémentation par addition de zinc en milieu acide à partir de la température ambiante ; - séparation du cément formé ; - addition de carbonate ammonique ; - séparation du carbonate mixte précipité ; et - transformation du carbonate mixte en oxyde mixte.

Le procédé peut s'appliquer à diverses solutions contenant du manganèse et du zinc sous forme de sulfates, et notamment à des solutions de sulfates de zinc et de manganèse issues du traitement de piles usées. Ces solutions présentent l'inconvénient de contenir un certain nombre d'impuretés, dont des éléments alcalins et alcalino-terreux, de la silice et des métaux lourds.

Par ailleurs, le traitement chimique de la boue minérale habituellement réalisé par une lixiviation avec H2S04 conduit à une pollution de l'oxyde mixte par l'anion sulfate. Or afin de valoriser les oxydes mixtes obtenus dans des applications telles

que les ferrites doux, il est nécessaire d'atteindre un profil déterminé de valeurs requises. Pour l'application ferrites, ce profil est typiquement le suivant.

Na2O, K20 < 300 ppm, Cu, Co, Cr, Pb < 50 ppm CaO, MgO < 1000 ppm Ni < 300 ppm ; Stota] < 0. 1 % Si02 < 100 ppm Le ratio stoechiométrique entre le zinc et le manganèse est déterminant pour la composition de l'oxyde mixte que l'on obtiendra. Ainsi, afin d'obtenir l'oxyde mixte ZnMn204, on ajuste la teneur en manganèse et en zinc de la solution de sulfates obtenue à un ratio stoechiométrique de 2 avant l'addition du carbonate.

De préférence, l'étape de cémentation comprend deux étapes : une première cémentation par addition de zinc en excès molaire supérieur à 4 par rapport à la quantité de métaux à cémenter et - une deuxième cémentation par addition de zinc en excès molaire inférieur à 4 par rapport à la quantité de métaux à cémenter.

Selon un mode de réalisation, l'excès molaire en zinc pendant la première cémentation est supérieur à 6 et de préférence à 7 et l'excès molaire en zinc pendant la deuxième cémentation est inférieure à 3 et de préférence à 2,5.

Avantageusement, la cémentation est réalisée à un pH inférieur à 5, de préférence compris entre 3.0 et 4,5.

De préférence, la première cémentation est réalisée à une température supérieure à 70°C, et de préférence entre 85 et 100°C.

La deuxième cémentation est réalisée à une température comprise entre 20 et 65°C, de préférence entre 45 et 65°C.

L'étape de précipitation est réalisée de préférence par addition de carbonate ammonique de manière à éviter la pollution du précipité par des éléments tels que, par exemple : Na, K, Ca, Mg. Selon un autre aspect de l'invention, le procédé comprend après séparation du carbonate mixte l'étape de précipitation du zinc et du manganèse résiduel contenu dans les eaux-mères par addition d'acide phosphorique puis d'acide sulfurique.

De préférence, l'étape de transformation du carbonate mixte zinc-manganèse en oxyde mixte est alors réalisée par calcination oxydante à une température comprise entre 400 et 900°C.

Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend en outre l'étape de lavage à l'eau de l'oxyde mixte zinc-manganèse obtenu.

Avantageusement, la solution de sulfates de manganèse et de zinc est obtenue par les étapes de : - broyage des piles primaires ; - séparation de la fraction magnétique ; - séparation des matières plastiques et du papier et - lixiviation de la masse noire obtenue à l'étape précédente à l'acide sulfurique.

Selon un mode de réalisation, la masse noire brute obtenue après séparation des matières plastiques et du papier est soumise, avant lixiviation, à un lavage alcalin suivi d'un lavage à l'eau.

Ce lavage a l'avantage de permettre l'élimination d'une grande partie des sels qui constituent l'électrolyte.

De préférence, la lixiviation est réalisée en présence d'un agent réducteur tel que l'eau oxygénée (H202), le dioxyde de soufre (S02) ou un mélange de gaz nitreux (noix).

Selon un mode de réalisation, la solution de sulfates obtenue après lixiviation est ensuite soumise à une étape visant à séparer le fer et la silice.

De préférence, cette étape comprend l'ajustement du pH à une valeur comprise entre 4 et 5 à une température comprise entre l'ambiante et 95°C, de préférence entre 60 et 80°C, et le cas échéant en présence d'un agent floculant.

Selon un autre mode de réalisation, le procédé de préparation de l'oxyde mixte ZnMn204 est réalisé après ajustement du rapport molaire Mn/Zn = 2 de la solution de sulfates de manganèse et de zinc.

Un autre objet de l'invention concerne l'utilisation d'un oxyde mixte de zinc et de manganèse susceptible d'être obtenu selon l'une des revendications précédentes pour la préparation de ferrites doux.

Une application particulièrement avantageuse du procédé selon l'invention constitue le traitement et la valorisation de la masse noire obtenue lors du traitement de piles primaires. Dans ce qui suit, le procédé est expliqué plus en détail dans ce contexte. Il n'en reste pas moins que le procédé peut s'appliquer à des compositions similaires rencontrées dans des domaines différents.

Après séparation des métaux ferreux et des composantes inertes (papier, plastique), une masse noire contient typiquement environ 60 % en poids de manganèse, zinc et carbone ainsi qu'en quantité moindre des métaux non ferreux tels que par exemple : Hg, Cd, Cu et Ni, des métaux alcalins (Na, K) et alcalino-terreux (Ca, Mg), de la silice (Si02) et des sels solubles constituant l'électrolyte (NH4Cl, ZnCl2, KOH).

Un lavage de la masse noire au moyen d'une solution alcaline suivie d'un rinçage à l'eau permet d'extraire une grande partie des sels constituant l'électrolyte.

Après filtration, le manganèse et le zinc sont mis en solution par lixiviation.

Pour cela, on ajoute à la composition de l'acide sulfurique, de préférence en présence d'un agent réducteur tel H202. Des gaz tels S02 ou NOX peuvent aussi être utilisés à cette fin. Le carbone est alors séparé par filtration de la solution contenant les sulfates de manganèse, zinc et les autres métaux en association avec d'autres impuretés.

C'est une telle solution de sulfates que se propose de traiter en particulier le procédé selon l'invention.

Il s'agit alors d'éliminer de la solution les impuretés telles que le fer résiduel, le mercure, le nickel, le cuivre, le cadmium, les alcalins et alcalino-terreux et la silice.

La première étape originale du procédé selon l'invention sert à séparer les métaux moins électropositifs que le zinc, à savoir le cuivre, le cadmium, le mercure et le nickel par cémentation à la poudre de zinc.

Une autre étape originale du procédé consiste à séparer les 2 principaux éléments valorisables, le Zn et le Mn, en les précipitant sous forme d'un carbonate mixte. Le solide est séparé, puis transformé en oxyde mixte. Après lavage, on obtient un oxyde mixte de manganèse et de zinc de formule ZnMn204 suffisamment pur pour être vendu comme matière première pour la production de ferrites doux.

L'invention sera décrite plus en détail au moyen des exemples suivants.

On décrit tout d'abord les conditions d'obtention d'une solution de sulfate à partir de masse noire provenant du traitement de piles primaires usagées.

La masse noire est essentiellement constituée de bioxyde de manganèse plus ou moins réduit et de zinc. Sa composition dépend de la proportion piles salineslpiles alcalines du lot à traiter ; généralement, on a avant lavage : Mn= 24-28% K= 0. 6-4. 0% MnOa = 20-25 % Ni = environ 1000 ppm Carbone = 10 % Cl = 1. 5-3. 0 % Cu = environ 300 ppm Fe = 0.2-0. 6 % Hg = 500-1000 ppm Le lavage est une étape optionnelle qui permet d'éliminer les sels solubles, c'est-à-dire une grande partie des chlorures de potassium, de sodium et d'ammonium.

La lixiviation sulfurique est réalisée sur une pulpe aqueuse de masse noire agitée. En partant de la température ambiante, on ajoute lentement du H2SO4 à 96 % pour atteindre un pH d'environ 1. La réaction est exothermique en raison de la réaction du zinc avec H2SO4.

La lixiviation en milieu sulfurique ne permet cependant pas de récupérer l'intégralité du manganèse. En effet, la masse noire contient en général du manganèse tétravalent, insoluble dans ce milieu. Afin de mettre en solution la totalité du manganèse, on peut terminer la lixiviation en présence d'un agent réducteur tel que le dioxyde de soufre (SO2), le fer ferreux (Fe2+), l'eau oxygénée (H202), pour récupérer dans ce cas une solution de sulfate mixte Zinc-Manganèse.

La lixiviation peut aussi être ainsi conduite en milieu HN03 en présence de gaz nitreux (NOX) comme agent réducteur. Dans ce cas, une solution de nitrate mixte de zinc et de manganèse est obtenue.

Exemple 1 : Lixiviation de masse noire non lavée 400 kg de masse noire non lavée (cf. tableau 2) sont agités dans 850 litres d'eau à température ambiante et on ajoute H2SO4 pour atteindre un pH de 1.

L'évolution du pH, de la température du milieu réactionnel et de la teneur en chlorures, manganèse et zinc en solution est reprise dans le tableau 1 ci-après :

Tableau 1 Durée pH T [°C] Cl lg/l] Mn [g/1] Zn [g/1] 0 9. 0 21 n. d. 0.0 0.0 1 h 4.2 30 n. d. 2. 8 24.1 1 h 30 3.5 41 n. d. 7.1 40. 3 2 h 3.0 53 n. d. 12.7 60.8 2 h 30 2.6 64 n. d. 19.8 68. 0 3 h 30 2.0 75 9.7 31.7 82.6 4 h 30 1.4 82 n. d. 43.0 94. 0 5 h 1.0 82 n. d. n. d. n. d. 5 h 30 1.0 80 n. d. 47.3 94. 8 6 h 1.0 78 8.7 48.0 95.3 7 h 0.8 74 8.4 48.0 95.0 8 h 0.6 73 8. 4 49.0 94. 1 n. d. : non dosé L'attaque du zinc est rapide à des pH supérieurs à 3 ; toutefois, du manganèse se dissout également, rendant impossible une lixiviation fractionnée.

On constate qu'un séjour prolongé de la pulpe entre pH = 0.8 et 0.6 n'augmente pas les concentrations en Zn et en Mn de manière significative.

Le tableau 2 ci-dessous reprend les compositions des eaux mères (EM) et des résidus (Mn02 + carbone) après un séjour d'une heure aux pH 1,0. 8 et 0.6. On peut constater que la teneur en zinc résiduel reste supérieure à 1 % dans le résidu MnO2/C, même après un séjour d'une heure à pH = 0,6 et plus de 70°C. Par contre, la teneur en chlorure baisse considérablement lorsqu'on passe de pH = 0.8 à 0.6, ce qui est probablement dû à la réaction entre le Mn02 et les chlorures en milieu acide. La teneur en mercure ne semble pas dépendre du pH, elle est d'environ 800 ppm dans le résidu et d'environ 200 mg/1 dans la solution de sulfate mixte Mn-Zn. Cette même solution contient beaucoup de potassium et de chlorures si on lixivie une masse noire non lavée.

Tableau 2 EM EM EM Résidu Résidu Résidu ""pHl PH0. 8 pH 0. 6 pH 1 pH 0. 8 pH 0. 6 [g/l] [g/l] [g/l] [%] [% Mn 24.70 48.0 48.0 49 41.7 39.7 39.00 ci 1.98 8.65 8.36 8.36 0.18 0.17 0.04 Ctot. 9.95 s. o. s. o. s. o. 26.5 24.0 28.1 Fe 0.25 0.97 1.19 1. 37 1.84 1.82 1.56 Zn 18. 75 95.3 95.0 94.1 3.20 1.95 1.30 K 3.75 10.00 8.70 13.80 0.320 0.74 1.37 Ni 0.14 0.86 0.84 0.85 0.01 0.07 0.04 Cu 0.022 0.220 0.230 0.240 0.010 0.012 0.010 Co 0.004 0.002 0.002 0.002 0.003 0.029 0.024 Pb 0.090 0.001 0.001 0.001 0. 081 0.073 0.069 Cr n. d. n. d. n. d. n. d. 0.002 0.0013 0.0011 Hg 0.075 0.197 0.200 0.220 0. 075 0.085 0.090 n. d. = non dosé s. o. = sans objet Exemple 2 : Lixiviation de masse noire lavée Une masse noire brute contenant : Mn=28.2% MnO2=25.9% Zn=21.2% K=3.40% Cl'=2. 75% Fe=0. 53% Cd=0. 12% Ni=675ppm Hg = 675 ppm Cu = 225 ppm Pb = 150 ppm Co = 50 ppm est soumise à un lavage en milieu légèrement alcalin comme indiqué ci-après : On ajoute 1 kg de masse noire brute dans 3 litres d'eau contenant 12 g/l de soude. L'opération dure 2 h et se déroule à 95°C. Après filtration et lavage avec 2 litres d'eau, on récupère 916,7 grammes de masse noire lavée contenant : Mn=31.3% Zn=24.5% K=0.37% Cl-=885 ppm Fe=600 ppm Cd=550ppm Ni =150ppm Hg = 525 ppm Cu = 275 ppm Co = 25 ppm A une pulpe aqueuse contenant 850 g de masse noire lavée dans 1. 275 1 d'eau, on ajoute lentement une solution contenant 914 g de H2S04 à 95 % dilué dans 850 ml d'eau. On chauffe la pulpe jusqu'à 85°C. Lorsque le pH du milieu réactionnel chute à 1,5, on filtre la pulpe résultante et on lave le gâteau trois fois avec 500 ml d'eau. On obtient 2,225 1 d'eau mère et 380 g de résidu dont la composition est reprise dans le Tableau 3.

Tableau 3 EM EL 1 EL 2 EL 3 Résidu [g/l] [g/l] [g/l] [g/l] [%] Mn 47.0 8.1 1.0 0. 1 40.0 Zn 86.6 14.0 1.8 0.2 0.4 Cl-0. 022 0.012 0.007 0.004 0.004 K 1.000 0.162 0.105 0.041 0.176 Fe 1.13 0.041 0.004 <0. 001 0.87 Cu 0.160 0.030 0.004 <0.001 <0.001 Co 0.103 0.002 <0.001 n. d. n. d. Hg 0.196 0.040 0.048 0.014 0.045 Pb 0.0003 0.0001 n. d. n. d. 0.099 Cd 0.500 0.075 0.009 0. 001 0.004 EM = eau mère EL = eau de lavage Les résultats d'analyse de l'eau mère (EM), des eaux de lavage (EL) ainsi que du résidu sont consignés dans le tableau 3 ci-dessus. On peut constater à partir du bilan matière (tableau 4) que la réalisation de trois lavages permet de récupérer la quasi intégralité du Mn et du Zn solubles. La combinaison des eaux de lavage avec les eaux-mères fournit une solution de sulfate mixte Zn-Mn contenant 29. 5 g/1 en Mn et 54.22 g/1 en zinc.

Tableau 4 Mis en oeuvre EM + EL (1+2+3) Résidu Total Mn 266. 1 g 109. 2 g 152. 0 g 261. 2 g (98 %) Zn 208. 2 g 200. 6 g 1. 4 g 202. 0 g (97 %) Exemple 3 : lixiviation en présence de H ? 02 Afin d'éviter un résidu à forte teneur en manganèse, on opérera comme pour les exemples 1 et 2 au départ mais en terminant la lixiviation en présence d'H202.

En effet, dans ces conditions, l'eau oxygénée est réductrice vis-à-vis du manganèse tétravalent et permet de récupérer l'intégralité du manganèse contenu dans la masse noire sous forme de sulfate de manganèse.

On utilisera de préférence une solution de H202 à 30 % (soit 358 g/1) et la réduction sera suivie par mesure du potentiel redox. Ce potentiel s'élève à 600 mV

dans une pulpe MnS04-MnO2-H2SO4 en présence de traces d'H202 et à plus de 1000 mV en absence de H202.

Lors de la lixiviation d'une masse noire contenant 27. 8 % de Mn, 19.5 % de Mn02 et 26.3 % de zinc, on utilise un excès d'H202 de 17 % par rapport à la teneur en Mn02 pour extraire plus de 90 % (93.3 %) du manganèse total. Le résidu contient alors seulement 10.3 % de Mn et 0.5 % de zinc.

En augmentant l'excès d'H202 jusque 57 %, la lixiviation permet de mettre en solution plus de 99 % du Mn et le résidu contient 5 % de Mn et 0.25 % de zinc.

Toutefois, on observe avec le H202 la formation d'une importante couche de mousse. Aussi, est-il préférable d'ajouter le réactif lentement et à température ambiante et/ou d'utiliser un agent anti-mousse. La durée totale de la lixiviation peut alors être limitée à moins de 10 heures.

Exemple 4 : Lixiviation avec du dioxyde de soufre (SOX L'utilisation de dioxyde de soufre comme agent réducteur évite la formation de mousses et diminue considérablement la durée de la lixiviation.

Une masse noire contenant : Mn = 27. 8 % Mn02 = 19. 5 % Zn = 26. 32% Cl=1.53% <BR> <BR> <BR> <BR> K=0. 6% Fe=0. 58% Ca=1837ppm Ni=868ppm<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Na = 779 ppm Hg = 555 ppm Cu = 272 ppm Mg =150 ppm Pb = 85 ppm Co = 74 ppm est soumise à une lixiviation dans les conditions décrites dans les exemples précédents. On lixivie 200 g de masse noire dans 300 ml d'eau jusque pH = 1 avec une solution de H2SO4 (215 g à 94 % dans 200 ml d'H20). La température du milieu réactionnel atteint 70°C et on fait ensuite passer du S02 à travers la suspension pendant deux heures, puis on chauffe à 95°C. On laisse ensuite refroidir à la température ambiante, puis on filtre. On récupère 1311 g de solution de sulfate mixte zinc-manganèse de densité 1,024 glom3 et 16.2 g de résidu dont les analyses sont reprises dans le tableau 5 ci-dessous. Le bilan matière (cf. tableau 6) fait apparaître que la quasi-totalité du manganèse est récupérée dans la solution.

Tableau 5 EM+EL Résidu tg/il-- [% 1 Mn 54.53 0. 21 Zn 49. 86 0.10 Cl 1.96 0.022 K 1.19 0.04 Fe 2.86 0.05 Hg 0. 054 0.086 Tableau 6 Mis en oeuvre EM + EL Résidu Somme Mn 55. 6 g 55. 6 g ~ 0 g 55. 6 g (100%) Zn 52. 6 g 50. 8 g-0 g 50. 8 g (96.5%) Exemple 5 : lixiviation avec un mélange de gaz nitreux (NO+NOß Au lieu du dioxyde de soufre, il s'avère parfaitement possible d'utiliser un mélange de gaz nitreux en milieu HN03 comme agent réducteur vis-à-vis du résidu (MnO2 + Carbone).

On utilise une masse noire non lavée contenant 31.6 % en manganèse total, 20.0 % en Mn02 et 28.3 % en zinc.

200 g de masse noire sont mises en suspension dans un litre d'eau ; on chauffe vers 50°C et on injecte lentement du gaz nitreux pendant 10 h, jusqu'à ce que le pH retombe à 2.6. On amène ensuite à pH 1 avec quelques gouttes d'HNO3 à 65%.

On récupère un résidu contenant 0.8 % de manganèse, 0. 3 % de zinc et 2694 ppm de Hg. La solution de nitrate mixte contient 37.6 g/1 en manganèse, 31.5 g/1 en zinc et 42 mg/1 de Hg.

Exemple 6 : Elimination du fer et de la silice La solution issue de la lixiviation acide peut être débarrassée du fer par addition de NH40H jusqu'à un pH faiblement acide comme indiqué ci-après.

On neutralise 8 litres de solution de sulfate mixte de Zn et de Mn (contenant par ailleurs 1.37 g/1 de Fer) en ajoutant 375 ml NH40H à 25 % ; le pH final s'élève à environ 5.0 et on chauffe à 70°C pour floculer l'oxyde de fer en présence d'un agent

floculant (Magnafloc 333 disponible auprès de Allied Colloid, solution à 0.1 %).

Après filtration, la solution contient moins de 1 mg/1 de fer et moins de 20 mg/1 en silice.

La solution peut alors être cémentée à la poudre de zinc pour éliminer Cd, Cu, Pb, Ni et également Hg selon la procédure décrite dans les exemples 7 et 8.

Exemple 7 : Cémentation Soit une solution de sulfate mixte Zn-Mn contenant les impuretés suivantes : Cu= 0. 095 g/1 Cd=1. 164g/l Hg= 0. 023 g/1 Co= 0. 084 g/1 Ni=2. 5g/l.

A un litre de solution, on ajoute 5.39 g de poudre de Zn, soit quatre fois la stoechiométrie par rapport aux éléments Cu, Cd, Hg, Co et Ni. On agite une heure à la température ambiante en maintenant le pH entre 3.9 et 4.3 avec 5 ml d'H2SO4 à 40 %. Après filtration, la solution cémentée contient : Cu = 0. 002 g/1 Cd = <0. 001 g/1 Hg = 0.001 g/1 Co = 0.085 g/1 Ni = 2. 164 g/1.

On constate que les impuretés sont facilement éliminées par cémentation sauf le nickel. Il est cependant possible de l'éliminer en travaillant en deux étapes et à température plus élevée comme décrit dans l'exemple suivant.

Exemple 8 : Cémentation en deux étapes La solution selon l'exemple 7 est portée et maintenue à 95°C puis on ajoute en continu et pendant une heure la poudre de Zn à raison de sept fois la stoechiométrie par rapport aux éléments à éliminer (Ni, Cd, Cu, Hg, Co). Le pH est réglé entre 4.2 et 4.4 avec une solution de H2SO4 (solution à 40 %) Ceci constitue la première étape de la cémentation.

Afin de réduire encore d'avantage la teneur en nickel, on peut ajouter une deuxième étape de cémentation. On refroidit alors la solution à 65°C en lh30 et on ajoute alors en continu de la poudre de Zn pendant 30 minutes à raison de 2.5 fois la stoechiométrie par rapport aux éléments à éliminer. Le pH est toujours maintenu entre 4.2 et 4. 4 avec H2SO4.

On obtient alors les solutions épurées suivantes : Etape 1 : Ni = 0.050 g/1 Cd < 0.001 g/1 Co = 0.031 g/1 Etape 2 : Ni = 0.015 g/1 Cd = non détectable Co = 0.023 g/1

L'utilisation de ces conditions expérimentales permettent d'éliminer totalement les métaux tels que Cu, Hg, Cd et au minimum 70 % du nickel.

Exemple 9 : Préparation du carbonate mixte Zn/Mn à l'échelle laboratoire La solution de sulfate mixte de zinc et manganèse ainsi purifiée peut être traitée par une solution de carbonate ammonique pour récupérer un carbonate mixte. a) Soit une solution de sulfate mixte contenant 30 g/1 de manganèse et 60 g/1 de zinc. Dans un bêcher contenant 500 ml d'eau, on ajoute simultanément 1 litre d'une solution (NH4) 2CO3 à 170 g/1 et 950 ml de la solution de sulfate mixte tout en maintenant le pH du milieu réactionnel autour de 7.4-7. 5. En fin d'ajout, le pH chute à 7 et remonte ensuite à 7.9 après 2h30. On filtre et récupère 168 g de carbonate mixte contenant : Mn=16.7% Zn=35.3% CO2= 31. 84 % Les eaux-mères ne contiennent que 4 mg/1 de manganèse et 16 mg/1 de zinc.

Tableau 7 : Bilan matière Mis en Carbonate (EM+EL) Somme (%) oeuvre mixte Mn 28. 50g 28.60g* #0 28.60 g (100. 4 %) Zn 57.00g 59. 30 g* ~ 0 59.30 g (104 %) * Valeur déterminée par analyse b) On procède de la même façon en partant de 4. 8 litres d'une solution de sulfate mixte contenant 320 g de Zn et 536 g de Mn et 5 litres d'une solution contenant 310 g/1 de (NH4) CO3. On récupère 1727 g de carbonate mixte contenant : Mn = 29. 5 % Zn= 20. 1 % CO2 = 34. 65 % SO4= 0. 827 % Les eaux-mères ne contiennent plus que 4 mg/1 de zinc et 46 mg/1 de manganèse.

Exemple 10 : Préparation du carbonate mixte Zn/Mn à l'échelle industrielle La solution de sulfate mixte Zn-Mn est amenée vers pH = 5.0. Cela permet non seulement l'élimination du fer, mais aussi d'abaisser le teneur en silice à moins de 20 mg/1.

La première colonne du tableau 8 ci-dessous donne la composition moyenne de la solution de sulfate mixte Zn-Mn initiale, obtenue par lixiviation d'une masse noire à l'acide sulfurique et cémentations selon les étapes suivantes : - Ajustement du pH de la solution à 4.2 avec H2SO4 à 60 % ; - Première cémentation à 95°C à la poudre de zinc, à pH maintenu inférieur à 5 ; - Refroidissement de 95°C à 65°C en 1 heure ; - Deuxième cémentation à 65°C à la poudre de zinc, à pH maintenu inférieur à 5 ; et - Filtration de la solution cémentée.

Les deuxième et troisième colonnes du tableau 8 rassemblent les données analytiques de la solution de sulfate mixte après chaque étape de cémentation. Pour le traitement subséquent de la solution, la solution de sulfate mixte Zn-Mn ainsi purifiée est enrichie en manganèse pour aboutir à un rapport molaire Mn/Zn de 2. La composition de cette solution appelée « Réajustée » figure aussi dans le tableau 8.

Tableau 8 Initial Cémentation 1 Cémentation 2 Réajustée Mn [g/l] 56.0 58. 2 60.4 70. 3 Zn [g/l] 49.7 52.8 50.0 41.7 Dté [g/c m 33 1.27 1. 28 1. 28 1.28 K [g/11 0. 07 n. d. n. d. n. d. Na [g/1] 0.40 n. d. n. d. n. d. Mg [g/l] 0.20 n. d. n. d. n. d. Ca [g/1] 0.58 n. d. n. d. n. d. Fe [g/l] 0.001 n. d. n. d. n. d. Al [g/l] 0.002 n. d. n. d. n. d. Ni [g/l] 0.140 0.050 0.050 0.040 Cd [g/1] 0.120 0.001 0.001 0.001 Cu (g/1) 0.020 0. 001 0.001 0.001 Co g/1) 0.010 n. d. n. d. n. d. Hg (g/1) 0.040 0.001 0.001 0.001 Si02 (g/l) 0.020 n. d. n. d. n. d. As (g/1) 0.001 n. d. n. d. n. d. Sb (g/l) 0.001 n. d. n. d. n. d. n. d. : non dosé On alimente ensuite en continu un réacteur (40 m3) avec la solution de sulfate mixte épurée et une solution de carbonate ammonique ; les débits utilisés sont de 4.8 m3/h pour le sulfate mixte et de 4.5 m3/h pour le carbonate ammonique.

La précipitation se déroule à la température ambiante et le ratio sulfate mixte- carbonate ammonique peut être ajusté de façon à maintenir un excès d'ammoniac libre d'environ 5 g/1 dans les eaux mères.

Le tableau 9 ci-dessous donne les caractéristiques physico-chimiques de quatre échantillons de carbonate mixte prélevés durant la précipitation : Tableau 9 Echantillon 1 Echantillon 2 Echantillon 3 Echantillon 4 Mn (%) 29. 5 29. 8 30.0 29.6 Zn (%) 17. 5 17.5 17.4 17.5 C02 (%) 33. 6 34.4 34.1 34.1 NH3 (%) 1.1 1.0 0.9 1.0 S (%) 0.59 0.60 0. 58 0.60 K20 (ppm) 45 50 55 45 Na20 (ppm) 1085 1135 1150 1140 Mg0 (ppm) 170 175 175 155 CaO (ppm) 2530 2645 2745 2635 BaO (ppm) <5 <5 <5 <5 SrO (ppm) <15 <15 <15 <15 Ni (ppm) 75 65 66 69 Cu (ppm) 1 1 1 1 Co (ppm) 33 33 33 32 Fe (ppm) 13 11 11 27 Pb (ppm) 1 1 1 1 Cd (ppm) 28 28 29 28 Hg (ppm) 1 1 1 1 As (ppm) 1 1 1 1 Sb (ppm) 1 1 1 1 SiO2 (ppm) 57 54 51 54 H2O 120°C (%) 2.16 1.91 1.74 2.12 DT (g/cm) 1.820 1.942 1.910 1.850 DNT (g/cm3) 1.470 1.540 1.490 1.520 SSA (m2/g) 51.4 27.6 15. 8 27.2 Porosité (cm3/g) 0. 06 0.06 0.06 0.05 d50(µm) 49. 6 44 42. 1 48. 2 DT = densité tassée S. S. A. = Surface Spécifique H20 120°C : eau libre à 120°C.

DNT = densité non tassée d50 = diamètre moyen des particules.

Après filtration du carbonate mixte, les eaux mères contiennent principalement du sulfate ammonique (NH4) 2SO4 ainsi qu'environ 400 mg/1 de Zn et 200 mg/1 de Mn résiduels.

Ces éléments peuvent être éliminés sous forme de phosphates insolubles en procédant comme suit. On ajoute de l'acide phosphorique à raison de deux fois la quantité stoechiométrique pour former les phosphates ZnNH4PO4 et MnNH4P04 insolubles, puis de l'acide sulfurique jusque pH 7 ; après environ 30 minutes, les eaux mères ne contiennent plus que 5 à 10 mg/1 en Zn et en Mn.

Après filtration, la solution résultante peut être concentrée pour fournir du (NH4) 2SO4 sous forme cristalline. Ce composé est valorisable par exemple comme fertilisant en agrochimie.

Exemple 11 : Préparation de l'oxyde mixte ZnMn = à échelle industrielle Le carbonate mixte filtré tel qu'obtenu selon l'exemple 10 est soumis à un grillage dans un four rotatif en vue de le convertir en manganite de zinc, ZnMn204.

Cette opération est réalisée à une température « produit » d'au moins 400°C et sous courant d'air avec un débit d'alimentation de carbonate mixte de l'ordre de 700 kg/h.

Un lavage aqueux du ZnMn204 obtenu, à raison de 25 litres par kg d'oxyde, permet d'abaisser considérablement la teneur en éléments alcalins et alcalino-terreux, des impuretés nuisibles en particulier dans le cas d'une application dans le domaine des ferrites doux Le ZnMn204 lavé est séché par séchage flash.

Le tableau 10 ci-dessous reprend les caractéristiques physico-chimiques du ZnMn204 lavé et non lavé. La comparaison des analyses montre clairement l'effet bénéfique du traitement thermique suivi du lavage, particulièrement en ce qui concerne la réduction des impuretés faisant partie du groupe des métaux alcalins et alcalino-terreux.

Ainsi, le procédé décrit permet la purification de solutions de sulfates de zinc et de manganèse contenant des impuretés, notamment du nickel et des métaux lourds.

Il permet également la préparation à partir de ces solutions d'oxydes mixtes de zinc et de manganèse. Ce procédé est particulièrement avantageux lorsqu'il est appliqué au traitement de piles primaires usagées. L'oxyde mixte de manganèse et de zinc obtenu est suffisamment pur pour être valorisé, par exemple dans l'industrie des ferrites doux. Le procédé de traitement des piles primaires usagées est en outre moins

sensible à la présence de piles Ni-Cd ou de piles boutons. Il permet par ailleurs une récupération quasi totale du manganèse et du zinc contenu dans la masse noire.

Cependant, ce procédé saura également trouver application dans d'autres domaines industriels dès lors qu'il s'agit de purifier des solutions de sulfates de manganèse et de zinc contenant notamment des métaux lourds et/ou de valoriser le manganèse et de zinc contenus notamment sous la forme de leur oxyde mixte.

Tableau 10 ZnMn204 non lavé ZnMn204 lavé Mn (%) 44.9 46. 4 Mn02 (%) 35. 6 36. 0 O/Mn 1. 50 1. 49 Zn (%) 27.6 26.9 K2O (ppm) 75 45 Na2O (ppm) 1685 75 MgO (ppm) 255 130 CaO (ppm) 4235 90 BaO (ppm) <5 <5 SrO (ppm) 25 <5 Ni (ppm) 102 118 Cu (ppm) 1 1 Co (ppm) 52 55 Pb (ppm) 1 Cd (ppm) 44 29 Hg (ppm) 1 1 As (ppm) 1 Sb (ppm) 1 SiO2 (ppm) 85 83 CO2 (%) 0.031 0.058 NH3 (ppm) 3 9 S total (%) 0. 622 0. 004 DNT (g/cm3) 1. 29 1. 24 DT (g/cm3) 1.82 1.70 H2O 600°C (%) 0.20 0.19 d50 (µm) 34.2 29.0 SSA (m2/g) 3. 7 4. 0 Porosité (cm3/g) 0.01 0.01 DT : densité tassée S. S. A. : Surface spécifique O/Mn = rapport oxygène/manganèse DNT : densité non tassée d5o : diamètre moyen des particules H2O 600°C = eau totale à 600°C