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L’ÉLECTRICITÉ a L’EXPOSITION

On a cherché, pour éviter la perte de mercure provenant du transvasement et de la manipulation, de faire toute l’opération dans le même appareil ; à cet effet, on emploie le mercure comme électrode bipolaire en utilisant le dispositif suivant :

Un récipient plat A [fig. 44) renferme une certaine quantité de mercure pouvant être remué par un agitateur B. L’anode, en platine ou charbon, est placée dans un récipient sans fond C, contenant une solution de chlorure de sodium, par exemple. Ce récipient est fermé par un bouchon à deux Irous permettant le passage de l'anode et d'un tube pour le dégagement du chlore. La cathode est formée d’une lame de fer ou de nickel plongeant dans l’eau rendue légèrement conductrice, au début, par une petite quantité de soude.

Dans le vase C, la couche de mercure sert de cathode et se charge de sodium; dans le vase A, elle agit comme anode; le sodium est oxydé et il se dégage sur la cathode de l’hydrogène provenant de la décomposition de l’eau.

C’est le principe du procédé Castner, représenté schématiquement figure 45.

Ce procédé présente un grave inconvénient.

Na OH Hf)

Na Cl

Km. 43. — Schéma du procédé Castner.

Dans ce que l’on peut appeler le compartiment anodique, il y a toujours une certaine électrolyse de l'eau, quelque insignifiante soit-elle ; d’autre part, une partie de 1 amalgame formé réagit dans ce compartiment sur l’eau pour donner de la soude et de l'hydrogène ; il y a donc, de ce fait, une certaine perte de sodium sur la quantité théorique; or la quantité d électricité passant pendant un temps donné par la surface cathodique du mercure sera la même que celle qui passe par la surface anodique ; comme il y a une perle de sodium, il y aura une quantité correspondante d’oxygène libre, vis-à-vis de laquelle le mercure agira comme anode soluble et donnera de l'oxyde. Cette quantité d'oxyde sera d’autant plus grande que le sodium met un certain temps pour aller de la surface cathodique à la surlace anodique et qu une partie du sodium reste à l'état d’amalgame.

Il y a donc de ce fait une perte considérable ; en outre, l’oxyde formé n est pas conducteur et, si l’appareil est au repos, l’arrêt du courant est presque instantané. Si l'agitateur fonctionne, le courant passe ; mais la différence de potentiel aux bornes est considérablement augmentée, et la quantité d’oxyde formée croît peu à peu. Cette attaque du mercure est considérable ; outre les frais supplémentaires dus à la dépense d’énergie, il faut donc considérer également, au point de vue industriel, la transformation de cet oxyde en métal et les frais de main-d œuvre, les pertes, etc., qui en résultent et qui sont très importants.

Nous avons vu que l’amalgamede sodium était difficilement attaqué par l’eau pureou alcaline. L'attaque se fait très bien en milieu acide, ce à quoi on ne peut songer. Mais on arrive très bien à produire cette attaque en milieu alcalin en mettant l'amalgame en contact avec une lame de fer ou de nickel ; il y a alors formation d'un couple ; le sodium se dissout en donnant de la soude, et l’hydrogène se dégage sur la lame métallique.

C’est ce principe que Kellner a appliqué ; à cet effet, il relie la cathode au mercure [fig- 46) ; dans ces conditions, la surface de celui-ci reste constamment propre ; il n y a plus de dégagement gazeux ni deformation d’oxyde à sa surface; l’hydrogène se dégage sur la cathode. Le mercure n’agit plus comme électrode bipolaire. Le principe du procédé Castner-Kellner est représenté

ÉLECTROCHIMIE

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schématiquement figure 47. Pratiquement, celle disposition peut être réalisée en employant une cuve métallique en fer, par exemple, communiquant avec le pôle négatif de la dynamo et dans laquelle se trouve le mercure-cathode.

Au sujet de l’énergie dépensée, il y a lieu de remarquer que la tension nécessaire pour produire l'électrolyse, toutes conditions égales, est plus faible si l’appareil donne de la soude que si l’on obtient de l’amalgame traité d’un autre côté ; en effet, l’attaque du sodium par l’eau donne lieu à une certaine force électromotrice qui, si les deux opérations se font dans le même appareil, vient en diminution de la tension nécessaire à l’électrolyse.

Les appareils à cathode de mercure sont utilisés dans le procédé Castner-Kellner t qui emploie une cuve à trois compartiments, deux anodiques et un cathodique au cenlre, communiquant entre eux par la partie inférieure ; au fond se trouve une légère couche de mercure qui se charge de sodium dans les compartiments anodiques et se trouve régénérée dans le compartiment cathodique. La circulation du mercure est faite au moyen d'un balancement de la cuve. Ce procédé, mis à l'essai par l’Aluminium Company, dans son usine d'Olbury, est exploité

Fig. 40. — Principe du procédé Castner-Kellner.

Fig. 47. — Schéma du procédé Castner-Kellner.

depuis 1896 à l'usine de Weston-Point, province de Runcorn (Angleterre), par la Castner- Kellner C°, qui dispose de 3 500 chevaux, et par le « Castner Alkali C° », qui dispose de 2 000 chevaux à Niagara-Falls, mais dont la puissance sera portée à 6 009 chevaux ; par le « Consortium für Elektrochemische Industrie », qui dispose de 4 oOO chevaux, à Gôlling, près Ilallein (Autriche).

La Société Solvay, qui emploie un appareil décrit plus loin, possède la licence des procédés Castner-Kellner pour le continent. Nous étudierons également l’appareil Rhodin, qui figurait à l'Exposition et qui emploie également une cathode en mercure.

Appaheil Solvay. — Le principe de cet appareil à marche continue est de faire simplement l’amalgame que l'on traite dans un autre pour régénérer le mercure et obtenir l'alcali. Il était intéressant d'avoir des appareils d’une très forte production continue et demandant aussi peu de main-d’œuvre que possible. Les systèmes employés précédemment, tels que le balancement des cuves, l’emploi de pistons plongeurs ou de pompes, l’écoulement sur des plans ou dans des rigoles inclinés, présentaient l’inconvénient de ne s’appliquer qu'à des appareils de petites dimensions ou d’occasionner des (roubles lorsque, le mouvement du mercure étant arrêté, l’appareil se dégarnissait de mercure par endroits, le courant continuant à passer.

Dans l’appareil Solvay, l’écoulement se fait à la faveur d'un trop-plein. Cet appareil [fi<j. 48 et 49) se compose d'une simple cuve rectangulaire A, pouvant avoir de grandes dimensions en longueur et en largeur, et dont la surface, aussi grande qu’on le désire, permet une forte production. Le fond reste toujours couvert de mercure, lequel arrive par le tube C, le trop-plein se trouvant à la partie opposée en D; le mercure qui s'échappe s'écoule par le tube F (inf. ). La saumure peut circuler en sens inverse du mercure et entrer, par exemple, en F (sup.), pour ressortir en G : le système anodique est formé d'un grand nombre de charbons disposés en quinconce. Le mercure régénéré est remonté au moyen d'un monte-jus M.

L’avantage de ce dispositif est le suivant : l'amalgame obtenu est très léger et reste à la surface du mercure où il a été formé ; il a peu de tendance, en verlu de sa légèreté, à se

mélanger avec le mercure de la partie inférieure, au point que l'on peut arriver à obtenir ainsi un amalgame solide ilottant à la surface du bain mercuriel. Sans arriver à ce point, on voit (pie, d'une façon générale, c'est la partie la plus légère et, par conséquent, la plus riche eu sodium qui s'écoule par le trop-plein ; on a donc ainsi une opération méthodique, (du règle le débit de la façon la plus avantageuse pour assurer le meilleur rendement au point de vue de l'utilisation du courant. L’obtention d’amalgame solide ou tout au moins pâteux n est même pas un obstacle, s il répond à une bonne utilisation.

Dans cet appareil, on perd l’énergie résultant de l’attaque du sodium par l’eau. Cette attaque se fait dans un appareil présentant un dispositif analogue à celui de l’éleclrolyseur et dans lequel on fait également circuler le mercure et la solution en sens inverse. On peut alors, par un dispositif spécial, récupérer l’énergie perdue dans l’électrolyseur proprement dit.

Plan.

El g. 4S et 41). — Appareil Solvay pour la fabrication électrolytique des alcalis.

La Société Solvay avait exposé dans la section belge des classes 24 (Electrochimie) et 87 i Produits chimiques) deux séries de bocaux renfermant de très jolis échantillons de soude caustique cristallisée à 77-78 U/0 NaO et de potasse caustique cristallisée, du chlorure de chaux à 410° cl les matières premières : chlorure de potassium et de sodium raffinés.

L'appareil Solvay est exploité dans les usines suivantes :

1° Jemeppe-sur-Sambre (Belgique). Celle usine, appartenant à la Société Solvay et C'°, est à proximité dubassin houiller de Cbarleroi; elle a été construite, en 1897-98, sur une superficie de 30 hectares. Elle dispose d’une puissance totale de 1500 chevaux et emploie 120 ouvriers. Elle fabrique 6 000 tonnes de produits, soude et chlorure de chaux. L’Exposition de la classe 24 (section belge) renfermait trois photographies de celle usine: une vue d'ensemble, une vue de la salle des machines et une vue de la salle des électrolyseurs (fiy. 50) ;

2° Nortlnvich (Angleterre) dépend delà Société Brunncr, Moud and C" ;

3° Oslernienburg (Anball) appartient à la «Deutsche Solvay Werke Gesellsehaft » ; elle fabrique de la potasse et de la soude caustiques et du chlorure de chaux. La production totale

Fig. 51. — Snlle d’électrolyse de l'usine d'Osternienbiinr (Anhalt) (Solvay et C1' .

de ces produits est de G 000 tonnes, pour une puissance de 1 500 chevaux. Les importantes mines de lignite de la Société se trouvent à côté de l’usine et lui assurent le combustible dans de bonnes conditions économiques; la production de ce lignite est de 400 000 tonnes par an. Cette usine se trouve à 25 km de la saline de Bernburg, appartenant à la même Société, ainsi que la mine de Roschwitz, situé à 21 km et dont on extrait du sel gemme, de la carnallite (chlorure double de potassium et de magnésium), de la sylvinite (chlorure de potassium) et de la kaïnite (chlorure de potassium et sulfate de magnésium). L’ensemble de l’extraction annuelle est de 250.000 tonnes. L'Exposition de la classe 24 (section belge) renfermait également trois photographies de cette usine : une vue d’ensemble, une de la salle des machines et une de la salle des électrolyseurs {fi y. 51) ;

4° Lissitchansk, usine du Donetz (Russie méridionale), de la Société par actions Lubimoff- Solvay et Cie. Cette usine en construction doit produire, au début, G 000 tonnes par an; elle est alimentée par la saline de Dekonofka, située à proximité, et par une houillère et une carrière de calcaire contiguës à l’usine; toutes ces exploitations appartiennent à la Société.

Appareil Rhodin. — Cet appareil figurait dans la section anglaise d’Électrochimie.

Coupe.

Plan.

Fig. 52 et .">3. — Schéma de l’appareil Rhodin pour la fabrication des alcalis et du chlore.

Il repose sur l’emploi d’une cathode de mercure et sert à fabriquer directement la soude. La cuve externe en fonte BB [fig. 52 et 53) reçoit directement le courant (pôle négatif) et renferme

K I.ECÏ HOC II I M I E

une certaine quantité de mercure II; à l'intérieur de ce récipient, se trouve une cloche en grès CC, dont les bords plongent dans le mercure ; celte cloche est munie d’une tubulure D reliée à un tube fixe E par un joint hydraulique, dette cloche peut être mise en mouvement autour de son axe par l'intermédiaire d'une roue G, engrenée avec une autre 1, animée d’un mouvement de rotation.

Le dessus de cette cloche est percé de six ouvertures .1, dans lesquelles sont emboîtées autant d’anodes A, formées de cylindres de charbons réunis dans une tète en plomb, protégée de l’attaque du chlore par une couche de ciment. Cet ensemble est soutenu par une poutre K ; au-dessous du collet de cette poutre se trouve une rigole, remplie de mercure, faisant corps avec le tube D, et dans laquelle plonge un anneau métallique relié aux anodes, auquel le courant est amené par une tige fixe et un second anneau intérieur au premier.

Dans le compartiment cathodique M, on fait circuler un courant d’eau et, dans le compartiment anodique N, une solution salée ; le chlore formé se dégage par les tubulures D et E et l’amalgame formé vient se décomposer au contact de la solution M. Le passage du mercure d'un compartiment dans l’autre est facilité par le mouvement de rotation de la cloche et l’action de rainures placées dans le fond de la cuve en fonte. L'hydrogène se dégage sur les parois de la cuve B.

Cet appareil repose, comme on le voit, sur le principe Castner-Kellner ; aussi un grand procès eut-il lieu entre la « Castner-Kellner Alkali C° » etla« Commercial Development Corporation », propriétaire des brevets Rhodin. L’appareil fut condamné en première instance comme contrefaçon du procédé Castner-Kellner; mais le jugement fut cassé en appel, et la « Commercial Development Corporation » gagna définitivement le procès devant la Chambre des Lords.

D'après la Compagnie propriétaire, on pourrait arriver à une concentration de .‘100 gr par litre, pour un rendement en quantité de 95 0/0, ce qui est tout à fait douteux.

Ce procédé n’est pas encore en exploitation en Angleterre ; les droits au brevet américain ont été payés une somme considérable par « l’ American Alcali C° », qui doit installer une usine à Sault-Sainte-Marie.

Il y a lieu de remarquer que, en dépit des promesses de la Société, cet appareil a du mal à fonctionner économiquement; il ne peut en effet être construit qu’avec des dimensions restreintes, et ne peut donc donner une forte production ; il est excessivement compliqué ; enfin la force motrice nécessaire pour l’agitation est relativement considérable. 11 semble douteux qu'il puisse lutter avec le procédé Castner-Kellner et surtout avec l'appareil Solvay.

Appareil Hargreaves-Bird. — Cet appareil repose sur l’emploi des cathodes-diaphragmes.

Les cathodes ne sont pas baignées par le liquide cathodique; les diaphragmes appliqués immédiatement contre les cathodes sont, de l’autre côté, en contact avec le liquide anodique. La partie cathodique du diaphragme-cathode est continuellement léchée par un courant de vapeur d’eau et d’acide carbonique ou de vapeur d’eau seule, et la solution en résultant s’écoule immédiatement; la soude ou le carbonate ainsi formés se trouvent donc immédiatement soustraits aux réactions secondaires.

La cathode-diaphragme, qui constitue la partie essentielle du procédé, possède la propriété d’être presque imperméable à la solution salée, tout en possédant une résistance électrique excèssivement faible. Voici comment est constituée une de ces cathodes-diaphragmes [fg. 54).

La partie diaphragme est composée de deux couches, une en matière relativement dure et dense, et l’autre en matière poreuse ou spongieuse. La première forme une couche aussi mince que possible, en raison de sa grande résistance au courant ; elle est en contact avec la cathode^ formée d’une toile métallique ou d’une lame perforée. On donne à la toile métallique une plus grande surface de contact en la laminant légèrement pour aplatir les aspérités au croisement des fils. Pour construire cet ensemble, on dispose la cathode sur un châssis convenable, en

Fie. î>4. — Cathode-diaphragme Hargreaves-Bird.

tendant la toile métallique, que l'on recouvre d’une substance poreuse, telle une feuille de papier A, ou, à défaut, une mince couche d’argile, de façon à empêcher la couche de ciment, que l’on mettra ensuite, d’empâter l'électrode. La couche de ciment Portland c est étalée d'une manière uniforme et recouverte d'une couche épaisse b d’un mélange d’amiante et de chaux que l'on imprègne d'une solution de silicate de sodium. Le diaphragme proprement dit est donc formé, à

Fin. :;;i. ;;r> et '17. — Appareil Margrea -es-Binl (modèle de l'usine de Ohauny).

l'extérieur, d'une couche non poreuse et doit, pour cette raison, être aussi mince que possible. La couche b ne doit pas subsister dans le diaphragme en fonctionnement; il y a alors entre la couche de ciment et la toile métallique un espace capillaire rempli de liquide.

L’éleclrolyse se fait dans des cellules fermées. L'appareil employé à (Ohauny est du type vertical; il est formé (fi g. 55, 56 et 57) d'un cadre en matière isolante et inattaquable au chlore et aux alcalis B, dans lequel sont fixées les anodes A; de chaque côté du cadre et fermant la cellule viennent s’appliquer des cathodes-diaphragmes serrées entre des plaques de fonte D, formant extérieurement aux cathodes un espace clos, dans lequel se fait l'injection d’acide carbonique et de vapeur d’eau par le tube E ; grâce à la forme spéciale de ces plaques de fonte, l’espace, très étroit, oblige le courant gazeux à lécher toute la surface de la cathode filtrante. Le carbonate de soude formé s’écoule en F. Le serrage des plaques de fonte se fait au moyen d'étriers G, dont les têtes des boulons se trouvent fixées dans les plaques extrêmes IL L'électrolyte circule dans la partie centrale; il entre par le bas en I et ressort par le haut en J. Le liquide épuisé passe dans un saturateur et rentre en circulation. Le chlore produit s’échappe avec cette solution et se sépare dans un appareil spécial, d’où il est dirigé soit dans les appareils d'absorption, soit dans les appareils de compression, en vue de la fabrication du chlore liquide.

Les électrodes employées seraient, paraît-il, en graphite (?). «The General Electrolytic

Fig. .78. — Anode composée pour le procédé Ilargreaves-Bird.