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T T PROCEDE DE FABRICATION DE SOUS-SILICATES ALCALINS,
La présente invention se rapporte à un nouveau procédé de fabrication de silicates alcalins solubles et plus particulièrement à un procédé économique pour la production de sous-silicates alcalins, avec une teneur en alcali non in- férieure à la teneur en silice, par la réaction directe d'alcali caustique tondu et de matière contenant de la silice.
L'invention a pour but d'obtenir un procédé par lequel des silicates alcalins solubles peuvent être fabri- qués facilement et économiquement sans avoir recours à l'instal- lation coûteuse et aux opérations difficiles exigées soit dans le procédé par digestion par voie humide, soit dans le procédé par fusion au four précédemment employés pour la production de ces composés.
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Un autre but de l'invention consiste à obtenir un procédé de fabrication de sous-silicates alcalins par la ré- action entre de l'alzali caustique solide et une matière réaction- nelle solide contenant de la silice, contrairement aux procédés antérieurement connus dans lesquels on effectuait les réactions soit en solution, soit par fusion dans un four.
L'invention a encore pour but d'obtenir un procédé par lequel on peut obtenir des silicates alcalins solubles en grains ou en poudre, en une seule opération, avec de faibles frais d'installation et une faible dépense de main-d'oeuvre.
Un autre but encore de l'invention consiste à ob- tenir un procédé pour la fabrication de silicates alcalins stable coulant librement, de haute qualité, à faible degré d'hydratation et avec des rapports variables entre Na2O et SiO2; par exemple, il est possible, par ce nouveau procédé, de fabriquer le sesquisi- licate avec un rapport de l'alcali à la silice (Na20 à SiO2) de 1,5 : 1 et d'accrottre ce rapport au delà du rapport de 2 : 1 correspondant à l'orthosilicate et jusqu'à 8,10 ou même 40 : 1 dans le cas de détergents nécessaires dans des cas spéciaux, par exemple pour le lavage de bouteilles ou lorsqu'un détergent éner- gique est nécessaire.
Les matières sensiblement anhydres, obtenues par le procédé suivant l'invention, se différencient des divers silicates qu'on peut actuellement se procurer sur le marché et qui contiennent de grandes proportions variables d'eau de cristalli- sation.
Les procédés employés jusqu'ici pour la production de silicatesalcalins, dont la teneur en alcali n'est pas inférieur re à la teneur en silice, silicates connus et désignés dans la présente description sous le nom de "sous-silicates alcalins", exi- geaient beaucoup de temps, de main-d'oeuvre et de dépense et néces- sitaient des installations relativement coûteuses.
Comme indiqué ci-dessus, les sous-silicates ont précédemment été fabriqués par des procédés par fusion, ou par des procédés par digestion par voie humide, ou par une combinaison de ces deux genres de procédés, Dans le procédé par fusion, on chauffe ensemble un carbonate alca- @
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lin et de la silice à une température élevée, seràblement au- dessus du point de fusion du système, et on dissout le produit fondu, après solidification, dans de l'eau et on corrige le rap- port alcali-silice de façon à l'amener à la valeur convenable.
Il est ensuite nécessaire de concentrer la solution, d'enlever les silicates de celle-ci par cristallisation, de diviser et de sécher les cristaux. Dans un tel procédé, l'usine et son ins- tallation sont coûteuses, les charges résultant des réparations sont élevées par suite'de l'effet de scorification sur les revê- tements des fours, et la consommation de combustible est élevée.
Dans le procédé par digestion par voie humide, on évapore une so- lution de verre soluble, ou de silice finement divisée, rendue soluble par digestion avec une solution concentrée d'alcali caus- tique, et on refroidit cette solution jusqu'à une température ap- propriée de cristallisation . On l'ensemence ensuite, on l'agite et on la refroidit pour en enlever la chaleur engendrée par la cristallisation. On enlève les cristaux, on les sèche et on les divise. Lorsqu'on emploie du verre soluble, on l'obtient en fon- dant de la silice avec un carbonate alcalin ou un sulfate alcalin et du carbone, et en effectuant ensuite une opération spéciale d'extraction pour rendre le silicate soluble.
Il est évident que dans ces procédés par digestion, les frais d'évaporation sont élevés, une usine de dimensions relativement grandes est nécessai- re, et l'installation des appareils de digestion nécessaires est coûteuse*
Le procédé suivant la présente invention s'écarte de façon marquée des procédés précédemment employés, car il n' exige ni bacs de cristallisation ni d'appareils de digestion.
Conformément à la présente invention, on réalise avantageusement la fabrication de ces sous-silicates alcalins en association avec la fabrication de soude caustique, ou de potasse caustique, et on peut charger l'alcali caustique fondu, provenant d'une marmite à alcali caustique, dans un dispositif mélangeur et on ajoute graduellement la matière réaotionnelle solide contenant
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de la silice, en agitant soigneusement. La durée de la réaction et le temps nécessaire pour obtenir te produit en grains dépen- dront évidemment de la température de la soude caustique employée pour la réaction. De préférence, on emploie de la soude causti- que d'une pureté de I00 %, à ou au-dessus de son point de fusion; dans ce cas, la réaction est violente et est pratiquement instan- tanée.
La réaction est achevée en une minute après l'addition de la dernière fraction de la matière contenant de la silice, et en quinze à vingt minutes, une matière solide en grains, coulant librement, est déchargée du mélangeur. Ainsi, en un procédé en une seule phase et avec de faibles frais d'installation, il est possible de produire un sous-silicate de soude d'excellente qualité et d'évacuer du mélangeur une matière qui va directement au client sans autre traitement. Cette matière est un sous-sili- cate sensiblement anhydre, bien qu'elle puisse contenir une frac- tion de 1 molécule d'eau de cristallisation.
On verra que le pro- cédé suivant l'invention supprime dans une grande mesure les difficultés résultant des frais des procédés par digestion par voie humide et par fusion au four précédemment employés pour la fabrication de sous-silicates alcalins. Le présent procédé évi- te les réglages multiples et répétés de composition, d'hydrata- tion et de concentration, ainsi que l'ensemencement, la cristal- lisation et la séparation des cristaux, et la dessiccation exi- gés dans un procédé par digestion par voie humide. En utilisant l'installation courante, le procédé supprime la nécessité de l'emploi de fours de fusion spéciaux, de construction compliquée, des récipients de réaction rotatifs à haute température, munis d'agitateurs mécaniques spéciaux, et de revêtements de fours spé- ciaux exigés dans le four pour le procédé par fusion.
Le procédé suivant la présente invention est par- ticulièrement applicable à la production de sesquisilicate al- calin ou d'orthosilicate alcalin ou de mélanges de ces matières, Si le rapport de Na2O à SiO2 est de 2 : 1 , il se forme directe- ment dans le mélangeur un silicate qui est sol@èle dans la pro- portion de 99% à 100 %. Le rapport des deux oxydes dans le oompo-
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sé correspond à l'orthosilioate et ce composé est techniquement anhydre. Lorsque le rapport de Na2O à SiO2 est de 1,5 : 1, il se forme dans le mélangeur un composé dans lequel le rapport de Na2O à SiO2 correspond au sesquisilicate. Si le rapport de Na2O à SiO2 est compris entre 2 : 1 et 1,5 : 1, on obtient des mélan- ges de l'orthosilioate et du sesquiilicate.
Si le rapport de Na2O à SiO2 est plus élevé, il se forme des silicates à rapport plus élevé ou des mélanges de soude caustique et de silicate de sodium, produits qui, comme précédemment mentionné, sont particulièrement propres à être employés comme détergents.
L'expression "matière réationnelle solide, conte- nant de la silice ', employée dans la présente description, com- prend la silice et les verres solubles solides dans lesquels le rapport de SiO2 à Na2O est supérieur à 1, par exemple les verres solubles dans lesquels le rapport de Na2O à Si2O est de 1 : 3,32 et 1 : 2. Il est toutefois bien entendu qu'on peut obtenir d'au- tres composés solides de Na2O et SiO2 dans lesquels la proportion de SiO2 dépasse celle de Na2O. La silice peut présenter tout degré désiré de pureté et être d'une finesse appropriée quelcon- que pour activer la réaction et peut être anhydre ou consister en anhydride de silicium hydraté.
La silice peut se trouver à l'é- tat amorphe, par exemple consister en opale ou en terre à diato- mées, ou bien on peut employer les formes cristallines naturelles de silice, telles que du cristal de roche, du sable, des cailloux de silex, du grès ou tout autre variété de quartz. Des sous- produits amorphes ou cristallins de silice, hydratée ou non, con- viennent également comme sources de silice. Comme en général on désire obtenir un produit de grande pureté, on emploiera de la silice relativement pure; mais si la pureté du silicate final n' est pas nécessaire, on peut employer de la silice impure à condi- tion que les impuretés y contenues ne réagissent pas à la tempé- rature et sous les conditions de la réaction de manière à former des silicates insolubles.
L'expression "soude caustique fondue" désigne la soude caustique qui, fondue à des températures élevées, est solide
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aux températures ordinaires. On peut employer de la soude caus- tique d'une pureté de 100 %, ainsi que de la soude caustique fon- due contenant de l'eau, par exemple jusqu'à environ 15% d'eau.
De préférence, comrne précédemment mentionné, la soude caustique fondue possédera une quantité de chaleur sensible suffisante, com- me c'est le cas lorsqu'on emploie de la soude caustique fondue à 100% à ou au dessus de son point de fusion, pour donner direc- tement un produit techniquement anhydre dans le mélangeur. La réaction entre la soude caustique et la matière solide contenant de la silice peut avoir lieu à une température quelconque compri- se entre le point de fusion de la soude caustique (318 C environ pour de la soude caustique à 100 %) et le point de fusion du pro- duit de la réaction. Lorsqu'on emploie de la soude caustique à moins de 100% de NaOH, la température et la concentration de la soude caustique détermineront la durée de réaction et de granula- tion, ainsi que le degré d'hydratation du produit obtenu dans le mélangeur.
Plus la température et la concentration de la soude caustique fondue sont élevées, plus le produit obtenu se rappro- chera étroitement du sous-silicate techniquement anhydre, car l'eau associée avec la soude caustique est expulsée, par l'effet com- biné de la chaleur sensible de la soude caustique et de la cha- leur dégagée par la réaction, avec l'eau chimiquement combinée déplacée de la soude caustique. Comme précédemment indiqué, on réalise avantageusement le procédé suivant l'invention en l'as- sociat avec la fabrication de soude caustique, car les pots ou marmites à soude caustique constituent la source la plus économi- que de soude caustique fondue.
Dans le mode de réalisation préféré du procédé, on mélange la soude caustique fondue et la matière réactionnelle solide, contenant de la silice, immédiatement après l'élimination de la proportion désirée d'eau de la soude caus- tique, moment auquel la température de la soude caustique est suffisamment élevée pour assurer une réaction immédiate. De pré- férence, on effectue la réaction à des températures comprises en- tre environ 3000 C et environ 5000 C.
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Dans un cas particulier, pour préparer du sesqui- silicate de soude, on ajoute graduellement 60 parties de silice dans un mélangeur rotatif qui contient 123 parties de soude caus- tique fondue à une température d'environ 4000 C; la réaction est aohevée en quatre minutes environ, la masse devient plastique après une nouvelle période de treize minutes et commence à se désagréger, et est évacuée après une nouvelle période de trois minutes sous forme d'une matière en grains, coulant librement, techniquement anhydre, prête à être mise sur le marché.
Pour pré- parer l'orthosilicate, on ajoute graduellement 60 parties de silice dans un mélangeur qui contient 165 parties de soude caus- tique fondue, dans des conditions semblables à celles données à l'exemple précédent; une minute après l'addition de la totalité de la silice, la réaction est achevée, et en moins :?un temps total de vingt minutes, une poudre coulant librement, sensiblement anhy- dre, est évacuée du mélangeur, la matière étant prête à être mise sur le marché. Pour préparer des détergents avec des rapports plus élevés de l'oxyde de sodium à la silice, il est donné ci-après quatre exemples.
Il est également parfois désirable, dans ce pro- cé, d'incorporer aux silicates d'autres,matières possédant des propriétés quelque peu semblables, par exemple du phosphate triso- dique, du phosphate disodique, du carbonate de sodium et du bicarbonate de sodium. On peut employer un mélange de ce genre, par exemple,.' lorsqu'on désire obtenir des/propriétés d'adoucisse- ment de l'eau.
(1) Rapport de l'oxyde de sodium à la silice 7 : 1(2) Rapport de l'oxyde de sodium à la silice 20: 1 (3) Rapport de l'oxyde de sodium à la silice 40: 1 (4) Rapport de l'oxyde de sodium à la silice 20: 1, avec addition de Na3PO4 I2H20.
Dans l'exemple (1), on emploie 82 parties en poids de soude caustique fondue et 8,6 parties en poids de silice ; dansl'exemple (2). on emploie 82 parties en poids de soude caustique fondue et 3 parties en poids de silice; dans l'exemple (3),82
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parties en poids de soude caustique fondue et 1,5 partie en poids de silice ; dans l'exemple (4), on mélange intimement 3 par- ties en poids de silice avec 8 parties en poids de Na3PO4 (la H2O) et on ajoute ce mélange à 82 parties en poids de soude causti- que fondue. On agite chacun de ces mélanges pendant quinze à vingt minutes et dans chaque cas on obtient un produit en grains de couleur excellente et à l'état sensiblement anhydre.
La tempéra- ture de la soude caustique fondue, employée dans ces exemples, varie de 335 à 3700 C.
Dans les exemplesprécédents, il a été employé de la silice comme matière réactionnelle solide, contenant de la silice, mais comme mentionné, on peut employer les verres solubles soli- des au lieu de silice pour former les mêmes détergents, et, dans ce cas, on tient compte du rapport de SiO2 à Na2O dans les verres solubles pour déterminer la quantité de soude caustique fondue à ajouter pour former le sous-silicate désiré.
Pour préparer le sesquisilicate en employant du verre soluble solide, on peut donner l'exemple suivant ; on ajou- te graduellement, en agitant, 100 parties de verre soluble, avec un rapport de Na2o à SiO2 de 1 : 3,32,à 120 parties de soude caustique fondue, la réaction étant achevée en deux minutes envi- ron. En six minutes, un produit coulant librement est déchargé du mélangeur sous forme de poudre, produit dont plus des 94 % sont solubles dans de l'eau.
Pour préparer l'orthosilicate à partir d'un verre soluble d'une qualité semblable et de soude caustique fondue, on ajoute graduellement, en agitant, 100 parties du verre soluble à 170 parties de soude caustique fondue; la réaction est achevée en moins de deux minutes, et en cinq minutes trois-quarts une ma- tière pulvérulente sèche est évacuée du mélangeur; plus des 98 % de cette matière sont solubles dans l'eau.
Pour préparer le sesquisilicate à partir de verre soluble d'un autre type, par exemple un verre soluble possédant un rapport Na20 à SiO2 de 1 : 2, on charge les matières suivan. tes dans le mélangeur : 91 parties de verre soluble et 84 1/4
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parties de soude caustique fondue. La réaction est achevée en moins d'une minute ; un produit excellent, coulant librement, est évacué du mélangeur en cinq minutes environ.
On prépare l'orthosilicate de soude à partir de ce second type de verre soluble en mélangeant 91 parties de verre soluble à 126 1/4 parties de soude caustique fondue; la réaction est achevée en moins d'une minute, et un produit en grains sous forme de poudre est obtenu en cinq minutes environ.
Il est bien entendu qu'on peut également obtenir des produits avec un rapport de Na2O à SiO2 supérieur à ceux donnés en employant des verres solubles solides,,Par un procédé comparable dans lequel on augmente le rapport de la manière dé- sirée. Dans ce cas également, on peut également incorporer dans le produit final d'autres matières telles que les phosphates et carbonates mentionnés.
Dans les exemples précédents, la soude caustique fondue employée était de la soude caustique à 100 % environ, et il est bien entendu que si l'on emploie de la soude caustique fondue contenant un peu d'eau, on augmentera de façon correspon- dante le poids de soude caustique ajouté.
On peut apporter des modifications considérables aux proportions de matière réactionnelle contenant de la silice et d'alcali caustique employées, et on peut également modifier la température de la soude caustique fondue sans s'écarter des principes de l'invention.
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