Procédé pour la préparation d'émulsions aqueuses stables de substances bitumineuses. La présente invention se rapporte à un procédé pour la préparation d'émulsions aqueuses stables de substances bitumineuses, telles que goudrons de route, bitumes, etc.
Cette invention permet d'effectuer l'é- mulsionnement simplement par mélange et agitation, de manière à pouvoir se servir d'un appareillage relativement simple et bon marché.
Les prescriptions normales anglaises pour les émulsions bitumineuses stipulent que le pourcentage de l'agent émulsifiant dans l'é mulsion ne doit pas dépasser 2 % en poids (calculé pour les substances à l'état sec). Le procédé suivant l'invention permet la produc tion d'émulsions qui correspondent à ces pres criptions. On a trouvé que dans certains cas, il est possible à l'aide du procédé suivant l'in vention, de préparer des émulsions deman dant bien moins que cette quantité d'agent émulsifiant, ceci en dépendance de la nature du goudron et de l'agent émulsifiant et aussi du degré de stabilité exigé dans l'émulsion fi nale.
Le procédé suivant l'invention comprend deux étapes, la première concernant la prépa ration d'une émulsion du type dit "eau-dans- huile" à partir de la quantité totale de la sub stance bitumineuse à émulsionner et d'une quantité d'eau s'élevant à pas moins de 5 en poids de la quantité de la substance bi- tumineuse, conjointement avec.
un agent émulsifiant, cette émulsion étant ensuite ajou tée à une solution aqueuse concentrée d'une quantité additionnelle d'un agent émulsifiant et dispersée dans cette solution, de telle ma nière que l'émulsiôn du type dit "eau-dans- huile" est renversée en une émulsion du type dite "huile-dans-eau", ladite solution concen trée contenant le ou les agents émulsifiants (calculés à sec) en une proportion au moins égale à la huitième partie de son poids. Des solutions ayant un tel degré de concentra tion sont, dans le cas des agents émulsifiants mentionnés dans les exemples qui suivent,.
d'une nature visqueuse.
On comprend sans autre que, dans le cas présent, l'émulsion de type dit "eau-dans- huile" est une. émulsion dans laquelle la sub stance bitumineuse forme la phase continue et le liquide aqueux la phase disperse et que par émulsion du type dit "huile-dans-eau" il faut entendre une émulsion dans laquelle le liquide aqueux forme la phase continue et la substance bitumineuse la phase disperse, ce type d'émulsion étant celui que l'on désire obtenir finalement dans le procédé suivant l'invention.
On emploie de préférence des agents émulsifiants solubles dans l'eau. On utilise avec avantage pour la première étape (forma tion de l'émulsion du type dit "eau-dans- huile") soit un savon, une protéine soluble dans les alcalis, un sel alcalin d'un acide comparativement faible autre qu'un acide donnant un savon ou un mélange de deux ou plusieurs de ces substances, dans une quan- tité d'eau s'élevant à pas moins de 5 % en poids de la quantité de la substance bitu mineuse.
On emploie avantageusement pour la deuxième étape (formation de l'émulsion du type dit "huile-dans-eau") une solution alcaline contenant une protéine soluble en al cali et un savon, ou une protéine soluble en alcali et un sel alcalin d'un acide compa rativement faible autre qu'un acide donnant un savon (conjointement avec un savon si on le désire), ou une protéine soluble en alcali et une substance telle que l'alginate de soude.
Lorsqu'on emploie une protéine soluble en alcali, telle que, par exemple, la caséine, il est généralement nécessaire d'ajouter une pe tite quantité additionnelle d'alcali libre pour aider la formation de la solution de la pro téine.
Un appareil se prêtant avantageusement à la mise en oeuvre du procédé est le suivant: cet appareil comprend deux récipients d'une capacité convenable, disposés de façon que le contenu du premier récipient où est effectuée la première phase puisse être amené à couler dans le second récipient (récipient à émulsion renversée), en combinaison avec des moyens permettant de soutirer l'émulsion finie du second récipient.
Chacun des récipients est pourvu d'un dispositif agitateur à commande motrice, ces dispositifs agitateurs étant éta blis pour remuer de manière efficace les con tenus des deux récipients tout en étant ani més de mouvements de rotation relativement lents. Le premier récipient est pourvu de moyens de chauffage à vapeur pour maintenir son contenu à l'état fluide, et le récipient à émulsion renversée peut aussi être pourvu de moyens de chauffage à vapeur pour facili ter la préparation des agents émulsifiants employés dans ce récipient. Un appareillage du genre décrit ci-dessus s'emploie dans cha cun des exemples donnés ci-après, les dispo sitifs agitateurs étant amenés à tourner à une vitesse de 30 tours par minute.
On va décrire d'abord comment peuvent être préparés certains agents dispersifs ou émulsifiants pouvant être employés dans le présent procédé.
a) Savon de résine liquide à la soude.
Ce savon est préparé à. partir de résine li quide commerciale en y ajoutant une quan tité de soude caustique (par exemple en so lution de 20%) s'élevant jusqu'à 10%' de Na OH en poids de la résine liquide. La quan tité d'eau est réglée de façon que le mélange contienne 50 % de savon en poids.
Si ce sa von est dilué à 2 % de concentration avec de l'eau distillée, la valeur du pH de la solution devrait se trouver entre les limites 81/2 et 91/2, la phénolphthaléine pouvant, par exem ple, servir d'indicateur. En pratique, on a souvent jugé utile de diluer ce savon et les savons décrits ci-après avec de l'eau jusqu'à, par exemple, 25% de concentration en savon pour faciliter le pompage.
b) Mélange de savon de résine à la soude et de caséine sodique.
Suivant le poids de caséine à ajouter par livre de savon de résine à la soude à 50%, une addition ultérieure d'alcali peut être né cessaire pour effectuer la dissolution de la caséine. Cette quantité additionnelle d'alcali peut être ajoutée soit au savon pour former une matière en réserve, ou elle peut être ajoutée avec la caséine.
Par exemple, le savon sous a), donnant une solution à pH 81/ à 91/-, lorsqu'on l'essaie de la manière susindi- quée, dissoudra environ 15 livres de caséine par 100 livres de savon à 50\,r0/. 'Une telle pro portion de savon de résine et de. caséine à la soude convient à l'émulsionnement de cer tains goudrons (voir exemple 4), mis il est préférable d'employer une proportion se rap prochant d'une livre de caséine pour une livre de savon de résine à la soude à.
50 1'o, at tendu qu'un tel mélange est d'une application générale dans le procédé, et, pour obtenir ces proportions dans le mélange, une quantité additionnelle d'alcali devra être ajoutée, comme on l'a fait remarquer ci-dessus.
Un mélange convenable est obtenu en mé langeant des quantités égales en poids de ca séine pulvérisée soluble (par exemple celle vendue sur le marché sous le nom de ca séine "Laitzo") et de savon de résine à la soude à,<B>50%</B> établi comme indiqué ci-dessus sous a), conjointement avec la quantité addi tionnelle de solution d'alcali qui est néces saire pour réaliser la dissolution de la caséine. Des alcalis convenables sont la soude causti que, le phosphate de sodium tri-sodique, l'hy droxyde d'ammonium, la potasse caustique 0/a le borax. Des quantités convenables pour l'alcali sont indiquées -dans, un exemple sub séquent.
Le mélange de savon de résine à la soude et de caséine sodique est alors dilué avec de l'eau chaude jusqu'à une concentra tion correspondant à 15 à 25% d'extrait sec.
Lorsqu'une quantité additionnelle d'al cali est employée pour effectuer la dissolution de la caséine, il est nécessaire d'éviter un excès trop grand si un alcali fort tel que la soude caustique est employé, et le pH du mé lange résultant, mesuré comme indiqué ci- dessus sous forme diluée, devrait être entre 81/2 à 91/. Lorsque l'alcali additionnel est un alcali faible, tel que l'ammoniaque, une latitude plus grande est possible en ce qui concerne sa quantité, attendu que des quanti tés plus grandes n'ont pas un grand effet sur le pH du mélange. Ces considérations s'ap pliquent aux exemples subséquents dans les quels de l'ammoniaque est employé.
c) Savon de résine liquide à l'ammonium. Le savon est préparé en mélangeant 60 livres de résine liquide avec 60 livres d'eau et 8,8 livres d'ammoniaque (poids spécifique 0,880), et en ajoutant ensuite 110 livres d'eau, le mélange ainsi obtenu contenant approxi mativement 25 % en poids de savon de ré sine à l'ammonium.
r@) Mélange de savon de résine à l'ammo niaque et de caséine ammoniacale.
40 livres de savon de résine à l'ammonium à 25 %, tel qu'indiqué ci-dessus sous c), 20 livres de caséine pulvérisée soluble (telle que spécifiée ci-dessus sous b) et 60 livres d'eau chaude (par exemple de 85 C environ) sont mélangées ensemble et 1,9 livres :d'ammonia que (poids spécifique 0,880) sont ajoutées.
e) Savons d'acide oléique.
D'autres savons ou agents émulsifiants pouvant être employés, à la place des agents susindiqués, peuvent être préparés en rempla çant la résine liquide par de l'acide oléique, avec modification convenable des quantités d'alcali. La caséine est ensuite incorporée comme indiqué ci-dessus.
f) Alginate de sodium.
Celui-ci est employé sous sa. forme com munément commerciale, c'est-à-dire en con- centration de<B>10%</B> (par exemple vendu sous le nom de "Lissom") ou peut être obtenu par le traitement d'acide alginique avec de la soude caustique.
g,) Mélange d'alginate de soude et de ca séine ammoniacale.
25 livres d'alginate de sodium à<B>10%,</B> 25 livres de caséine soluble (les deux tels qu'indiqués ci-dessus) et 100 livres d'eau chaude (par exemple de 85 C) sont mélan gées. ensemble et 1,9 livres d'ammoniaque (poids spécifique 0,880) sont ajoutées.
h) D'autres savons qui peuvent être em ployés dans la présente invention à la place de ceux indiqués ci-dessus contiennent de l'huile pour rouge turc et de l'oléate et du stéarate de tri-éthanolamine. De la caséine y et dissoute à l'aide de quantités convenables d'alcali additionnel et d'eau comme indiqué plus haut.
Quand les mélanges à la caséine décrits ci-dessus ont été proprement préparés, ils prendront un état de "gel" lorsqu'on les laisse reposer et/ou qu'on les refroidit. Cet état de "gel" est avantageux, bien que non in dispensable, pour la préparation d'émulsions à l'aide du procédé suivant l'invention.
Dans tous les exemples précités, la pré paration des mélanges de savon et de caséine peut être effectuée dans le récipient même où le produit est utilisé pour la. formation de l'émulsion.
<I>Exemple 1:</I> La méthode d'émulsification décrite dans cet exemple a été appliquée au bitume et à une variété de goudrons différents tels que, par exemple, le goudron de cornue horizon tale, le goudron de cornue verticale à fonc tionnement continu, le goudron de chambre verticale à fonctionnement intermittent, le goudron de four à coke métallurgique et leurs mélanges. Les fluidités du goudron émulsi- fié varient à partir de goudron très fluide de route (ayant une viscosité - de 10 secondes mesurée à 30 C dans le viscomètre de l'As sociation Anglaise de Goudron de Route) jus qu'à la poix pour la mise en briquette.
Le plus souvent, des charges de 1500 livres de gou dron ont été traitées, les chiffres donnés dans les divers exemples étant basés sur cette quantité de goudron.
Préparation <I>de l'émulsion</I> primitive. Les moyens d'agitation dans les deux ré cipients sont mis en marche et dans le pre mier récipient sont introduites successivement 40 livres de savon de résine à l'ammonium à 25 % (préparé comme indiqué sous c) et 150 livres d'eau chaude (à une température d'en viron 85 C), ces ingrédients étant mélan gés. Puis<B>1500</B> livres de goudron choisi se trouvant à une température suffisamment éle vée (par exemple entre 50 et 100 C) pour être fluide-sont ajoutées au mélange dans le- dit récipient pendant une période d'environ 3 minutes.
La formation de l'émulsion du type "eau-danc--huile" est achevée sensible ment au- moment où le reste du goudron a été ajouté, -les moyens d'agitation pouvant néan moins être maintenus en mouvement pendant l'opération de décharge subséquente de l'é mulsion.
<I>Formation de</I> l'émulsion <I>renversée.</I> L'opération suivante a lieu dans le second récipient dont les moyens. d'agitation sont maintenant en fonction. Dans ce récipient sont introduites successivement 40 livres de savon de résine à l'ammonium à 25 %, 20 livres de caséine pulvérisée soluble, 60 li vres d'eau chaude d'environ 85 C et 1,9 livre d'ammoniaque (poids spécifique 0,880). Un mélange tel que décrit sous d) est ainsi obtenu.
Le contenu du premier récipient est alors ajouté de manière continue au mélange dans le récipient à émulsion renversée, cette opé ration d'addition étant effectuée relativement rapidement au cas où l'émulsion primitive est faite à partir d'un goudron de faible visco sité et moins rapidement au cas où cette émul sion est faite à partir de goudrons plus vis queux, le temps d'addition variant environ de 45 minutes à 31/2 heures à la vitesse em ployée des moyens d'agitation.
Lorsque le renversement de l'émulsion primitive se poursuit normalement, on peut apercevoir une traînée noirâtre de l'émulsion introduite qui s'étale à partir de l'ouverture d'admission (ouverture qui se trouve au- dessus du niveau le plus élevé du liquide dans le récipient à émulsion renversée) tout autour du récipient sur la surface du bain d'émulsion renversée, cette traînée dispa raissant toutefois -sensiblement avant que l'opération complète à effectuer à l'aide du récipient soit achevée.
De plus, dans les phases de début de l'opération. d'addition de l'émulsion primitive, on constate que le mé lange dans le récipient à émulsion renversée devient plus visqueux.
Lorsque la quantité totale d'émulsion primitive a été ajoutée et que la transfor- mation de la masse en une émulsion ,goudron- dans-eau" du type requis est achevée, on ajoute au bain<B>190</B> livres d'eau froide ou tiède tout en remuant de façon continue, pour réa liser un produit contenant 75 % en poids de goudron. L'émulsion peut ensuite être trans vasée dans un récipient d'emmagasinage pour le laisser refroidir dans celui-ci, après quoi elle peut être mise en tonneaux.
Si l'on désire réduire le pourcentage de goudron dans l'émulsion susindiquée (par exemple à 65<B>%),</B> une solution de bichromate de potasse dans de l'eau est ajoutée, l'émul sion pouvant encore être diluée avec une quantité ultérieure d'eau. Par exemple, une solution d'une livre de bichromate de po tasse dans 10 livres d'eau est ajoutée au mé lange savon de résine et caséine solubilisée avant que l'émulsion primitive y soit ajoutée. Dans ce cas, 485 livres d'eau sont requises pour la dilution, au lieu de 190 livres comme indiqué ci-dessus, pour produire une émul sion contenant 65 % en poids de goudron.
<I>Exemple 2:</I> Plusieurs goudrons ont été émulsifiés pour une production sur une vaste échelle en em ployant la manière d'opérer de cet exemple, tandis que divers autres goudrons ont été émulsifiés à titre d'essais, avec succès, au la boratoire.
<I>Préparation de</I> l'émulsion primitive.
Les moyens d'agitation dans les deux ré cipients sont mis en marche; on introduit alors dans le premier récipient 40 livres de savon de résine à la soude à 25 % préparé comme décrit ci-dessus sous a) et ayant un pH d'environ 9, 140 livres d'eau chaude (d'environ 85 C) et 1,25 livre de phosphate trisodique (cristaux contenant 12 molécules d'eau) dissous dans 10 livres d'eau, cette charge étant ensuite suivie de 1500 livres de goudron, ce dernier étant dans ce cas un gou dron de route de cornue verticale à fonction nement continu,
ayant une viscosité de 300 secondes à<B>30'</B> C mesurée au moyen d'un vis- comètre de l'Association Anglaise de Gou- dron de Poute. Ces ingrédients forment l'é mulsion primitive.
<I>Formation de l'émulsion renversée.</I>
On introduit dans le récipient à émulsion renversée 40 livres de savon de résine à la soude à<B>25%</B> préparé comme indiqué ci- dessus sousi ca), 20 livres, de caséine soluble, 130 livres d'eau chaude d'environ 85 C, 0,48 litre d'une solution de soude caustique 5 X normale et une livre de phosphate trisodi- que (cristaux contenant 12 molécules d'eau) dissous dans 10 livres d'eau. Ces ingrédients formaient le mélange de savon de résine à la soude et de caséine solubilisée.
Le renversement de l'émulsion est effec tué comme décrit dans l'exemple 1. L'émul sion "goudron-dans-eau" ainsi obtenue est di luée avec 415 livres d'eau froide ou tiède pour produire une émulsion de goudron aqueuse stable contenant 65 % en poids de goudron. <I>Exemple 3:</I> Divers goudrons ont aussi été émulsionnés au laboratoire suivant la manière d'opérer de cet exemple. Quant à la production sur vaste échelle, on a appliqué ce mode opératoire pour l'émulsionnement de deux types spécifi ques de goudron, à savoir, des goudrons de route de cornue verticale à fonctionnement continu, ayant des viscosités de 220 et 3000 secondes respectivement (mesurées comme indiqué plus haut).
Préparation <I>de</I> l'émulsion primitive. On introduit dans le premier récipient 20 livres d'alginate de soude de qualité com merciale (à une concentration de<B>10%),</B> 170 livres d'eau chaude (d'environ 85 C) et 1500 livres de goudron. Ces ingrédients forment l'émulsion primitive.
<I>Formation de</I> l'émulsion <I>renversée.</I>
On introduit dans le récipient à émulsion renversée 25 livres d'alginate de soude de qualité commerciale (à concentration de 10<B>%),</B> 25 livres de caséine soluble, 100 livres d'eau chaude (d'environ 85 C) et 1,9 livre d'ammoniaque (poids spécifique 0,880) pour former un mélange d'alginate à la soude et de caséine à l'ammoniaque comme décrit ci- dessus sous g). Le renversement se poursuit de manière normale, sauf que dans le cas du goudron à viscosité de 3000 secondes le mé lange a augmenté considérablement en visco sité quand un peu plus que la moitié de l'é mulsion primitive a été ajoutée.
Dans le cas de ce goudron particulier, l'addition de l'é mulsion primitive est par conséquent arrêtée et environ 40 livres d'eau tiède sont ajoutées pour des buts de dilution. L'admission de l'émulsion primitive est ensuite continuée.
Pour la dilution de l'émulsion "goudron- dans-eau" ainsi obtenue, 450 livres d'eau (ou 425 livres d'eau dans le cas du goudron à vis cosité de 3000 secondes) sont ajoutées pour produire une émulsion contenant 65 % en poids de goudron. Il est possible de diluer encore ces émulsions avec 190 livres d'eau pour former des émulsions stables contenant 60 % en poids de goudron.
Les exemples donnés ci-dessus représen tent les manières préférées de produire des émulsions suivant la présente invention, mais on a aussi trouvé que l'émulsion pri mitive peut être produite de bien des ma nières différentes et être renversée en em ployant un agent de renversement approprié tel que décrit ci-dessus.
Comme autres matières qui peuvent être employées pour la production des émulsions du type dit "eau-dans-huile" et qui ont donné de bons résultats pour divers genres de goudron, on peut citer les suivants, les quan tités étant exprimées en termes correspon dant à 1500 livres de goudron et la solution d'inversion consistant dans tous les cas de, 31/2 livres (ou autre quantité appropriée) du réactif dissoutes dans 170 livres d'eau: I. L'acétate, le formiate, le borate, le stéarate ou le phosphate tribasique de soude (c'est-à-dire le phosphate trisodique) ; II.
Le chromate, le bichromate ou l'o- léate de potasse; III. L'oléate ou le stéarate de tri- éthanolamine; IV. L'huile pour rouge turc; V. La colle, les apprêts ou l'amidon en quantités variant de 1 à 10 livres suivant les circonstances; VI.<B>0,35</B> livre de soude caustique. Finalement, un exemple peut être donné, dans lequel des matières similaires sont em ployées pour la préparation tant de l'émul sion primitive que de l'émulsion renversée.
Exemple <I>4:</I> Préparation <I>de</I> l'érraulsion primitive. 1500 livres de goudron de route, 88 li vres de mélange de savon de résine à la soude et de caséine sodique (contenant 31/2 % de caséine et 111/2 % de savon, calculés à l'état sec) et 175 livres d'eau chaude sont intro duitesi dans le premier récipient, le tout étant agité pour former l'émulsion primitive.
Préparation <I>de</I> l'é-îraqclsiora renversée. 220 livres de mélange de savon de résine li quide à la soude et de caséine sodique, tel qu'il est employé pour la préparation de l'é mulsion primitive, sont introduites dans le récipient à émulsion renversée et l'émulsion primitive y est ensuite ajoutée graduellement en agitant le tout. 325 livres d'eau sont en suite ajoutées, en agitant, pour des buts de dilution, donnant ainsi finalement une émul sion "goudron-dans-eau" contenant<B>65%</B> en poids de goudron. <I>Exemple 5:</I> On a trouvé que le mode opératoire donné dans cet exemple est très efficace pour la mise en aeuvre au laboratoire.
<I>Préparation de</I> l'émulsion <I>du type</I> <I>dit</I> "eau-daîzs-huile". 1 centimètre cube de 75 Tw d'une solu tion de silicate de soude (rapport silicate- soude = 3,2 : 1) dissous dans 18 centimètres cubes d'eau, sont ajoutés à 150 grammes d'un goudron de route chaud produit dans un cas au moyen d'un goudron de cornue verticale à fonctionnement continu, et dans un autre cas au moyen -d'un goudron de four à coke. Le mélange susmentionné est utilisé pour former l'émulsion du type dit "eau-dans-huile" par agitation.
Préparation <I>de</I> l'émzîclsion <I>finale dit type</I> <I>dit</I> "hziile-dans-eau".
On ajoute @à, un mélange contenant 1 gramme de caséine et 3 centimètres 'cubes d'une solution de silicate de soude de 75 Tiv 6 centimètres cubes d'eau chaude et 0,1 cen timètre cube d'ammoniaque de 0,880. On in troduit graduellement, dans l'agent émulsi fiant concentré ainsi produit, la susdite émul sion du type dit "eau-dans-huile". Le renver sement en une émulsion du type dit "huile- dans-eau" s'effectue normalement. Le pro duit est finalement dilué au moyen de 33,5 centimètres. cubes d'eau pour produire une émulsion contenant 70% en poids de gou dron.
Dans tous les exemples donnés ci-dessus, la. quantité d'eau incorporée dans l'émulsion primitive au cours de la. première étape du procédé n'est jamais moins de 5 % en poids (en général elle est de l'ordre de<B>10%)</B> de la quantité de la. substance bitumineuse, tandis que le corps de l'agent émulsifiant aqueux dans lequel est dispersée l'émulsion primitive au cours de la deuxième étape du procédé ne contient jamais moins de la huitième partie en poids de l'agent émulsifiant (en général, il est de l'ordre de 15 %), soit sous la forme d'une simple solution ou d'une solution col loïdale.
Il est aussi à remarquer que dans tous les exemples donnés, l'émulsion primitive formée au cours de la. première étape est au moins suffisamment stable pour conser ver son état de condition pendant la période de transvasement graduel du récipient dans lequel elle est produite au récipient dans le que s'effectuera la deuxième étape du pro cédé.
La présente invention permet de prépa rer des émulsions aqueuses de goudron, de bitume, etc., dans des appareils à agitateurs simples, sans avoir besoin d'employer un moulin colloïdal ou un homogénéisateur. Les émulsions ainsi préparées sont parfaitement stables en emmagasinage et se rompent suf fisamment rapidement lorsqu'elles sont appli quées à la surface d'une route.