CH646400A5 - Procede de preparation d'un silicoaluminate. - Google Patents
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Description
La présente invention concerne la préparation industrielle de silicoaluminate de sodium cristallisé du type zéolithe A, possédant une capacité d'échange élevée vis-à-vis des ions calcium, et constitué de particules ayant un diamètre moyen compris entre 2 et 4 n, 95% des particules se situant dans une plage comprise entre 1 et 8 |x.
Les principales applications des zéolithes sont basées sur leurs propriétés bien connues d'échangeuses de cations décrites, par exemple, dans «Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoreti-cal Chemistry» de J.W. Mellor, vol. VI, part. 2, Longman Editors 1925, pp. 575-579, et en particulier pour la séquestration des ions calcium.
Pour que les zéolithes puissent être utilisées comme substitut des phosphates dans les agents de lavage et de rinçage, elles doivent posséder une capacité d'échange aussi élevée que possible tout en restant en suspension dans les solutions aqueuses, afin d'éviter des dépôts sur le linge après lavage et rinçage. C'est pourquoi il est essentiel que la granulométrie soit aussi resserrée que possible, de préférence autour d'un diamètre moyen de 2 à 3 n.
Les conditions de synthèse de la zéolithe A de formule Na20, A1203, 2Si02, xH20, où x varie de 1 à 8 mais a généralement la valeur 4 ou 5, sont connues depuis de nombreuses années, en particulier par «Ion-Exchange» de Friedrich Helfferich, 1962, Me Graw-Hill, Book Company, chap. 2, pp. 10-16. Les conditions influençant la granulométrie de la zéolithe formée ont également été étudiées, par exemple dans «Kinetic studies on the formation of zeolithe A» de W. Meise et par F.E. Schwochow dans «Molecular Sieves», 121 (1973), pp. 169-178.
De nombreux brevets décrivent des conditions de préparation qui font varier la qualité des matières premières, la température de réaction, le mode d'addition des réactifs, etc.
La demande de brevet allemand N° 2517218 décrit en particulier l'utilisation de forces de cisaillement au cours de l'étape de cristallisation et de l'éventuelle étape de mûrissage qui y fait suite afin d'obtenir des zéolithes A de granulométrie moyenne pouvant aller jusqu'à 6,5 |i, mais d'un pouvir séquestrant non précisé.
Dans sa demande de brevet français N° 78.35344, la titulaire décrit un procédé de préparation en semi-continu de zéolithe A. 5 Celui-ci consiste à effectuer un mélange instantané et continu de solutions d'aluminate de sodium et de silicate de sodium dans un récipient, dans lequel le temps de séjour moyen est compris entre 30 s et 20 min, pour former un gel dont la cristallisation s'effectue ultérieurement en discontinu. Ce procédé permet d'obtenir une zéolithe A io dont le pouvoir séquestrant est compris entre 110 et 120 mg Ca++/g de produit anhydre, et dont la granulométrie est comprise entre 2,9 et 6 p., la courbe granulométrique indiquant que 90% des grains ont un diamètre inférieur à 11 jj..
Poursuivant ses recherches dans ce domaine, la titulaire a mis au 15 point un procédé permettant d'obtenir une zéolithe A ayant un pouvoir séquestrant supérieur à 120 mg Ca++/g de produit anhydre et une granulométrie particulièrement fine et resserrée, le diamètre moyen étant compris entre 2 et 4 p.. Ce produit se révèle donc particulièrement intéressant comme séquestrant des ions Ca++ pour les 20 lessives.
Le procédé consiste, après avoir réalisé un mélange continu et instantané des deux solutions, aluminate de sodium et silicate de sodium, à effectuer l'étape de cristallisation en discontinu sous une agitation suffisante pour maintenir en suspension le gel de zéolithe A 25 formé lors de la première étape.
Le mélange des solutions d'aluminate de sodium et de silicate de sodium est réalisé à une température comprise entre 70 et 105°C, sous une agitation aussi élevée que possible afin d'obtenir un gel parfaitement homogène. Ce gel séjourne dans le réacteur pendant une 30 durée moyenne suffisante pour assurer la formation complète du gel, soit entre 30 s et 20 min.
L'apport des deux solutions réactionnelles, dont les débits sont réglés, a lieu dans la zone de forte aspiration créée par une turbine dont la vitesse de rotation doit être supérieure à 2500 tr/min. 35 L'action de mélange et de cisaillement de cette turbine est encore augmentée si celle-ci est placée dans une soucoupe fixe ou tournant en même temps qu'elle.
Le gel de silicoaluminate de sodium ainsi préparé en continu est transvasé par débordement dans un second réacteur muni d'un 40 système permettant le maintien en suspension du produit obtenu, et maintenu à une température constante comprise entre 80 et 95°C afin de permettre la cristallisation de la zéolithe A. Cette cristallisation est ainsi effectuée en discontinu, le temps de séjour dans la cuve de cristallisation étant compris entre 1 et 15 h et étant de préférence 45 de4à7h.
Lorsque la mise et le maintien en suspension de la zéolithe sont assurés par un agitateur, celui-ci tourne à une vitesse telle que les vitesses tangentielles soient comprises entre 0,2 et 5 m/s. Le processus peut être également obtenu par l'utilisation d'ultrasons, par des cou-50 rants de convexion provoqués par un chauffage local ou par l'utilisation de jigs.
La cristallisation en discontinu pratiquée dans ces conditions permet de régler à volonté la granulométrie du produit final, tout en obtenant des pouvoirs séquestrants particulièrement élevés. Ce résul-55 tat est obtenu en agissant de façon coordonnée sur les paramètres suivants: température, temps de séjour, vitesse d'agitation et concentration des réactifs.
La préparation en continu du gel aboutit aux propriétés désirées, d'une part, lorsque les solutions d'aluminate de sodium sont caracté-60 risées par un rapport pondéral Al203/Na20 compris entre 0,5 et 1,5, avec une concentration aqueuse de Na20 comprise entre 30 et 200 g/1, lesdites solutions pouvant être soit obtenues par attaque d'alumine hydratée par une lessive de soude, soit prélevées dans un cycle Bayer de fabrication d'alumine et, d'autre part, lorsque les so-65 lutions de silicate de sodium sont caractérisées par un rapport pondéral Si02/Na20 compris entre 1,5 et 3,5, avec une concentration aqueuse en Na20 comprise entre 20 et 120 g/1, lesdites solutions pouvant être préparées à partir de matières premières silice et soude
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variables suivant les critères économiques, soit silicate de sodium en poudre industriel, soit lessives de silicate de sodium industrielles, soit silice contenue dans des sables et soude, soit soude et gel de silice récupéré d'acide fluosilicique, résidu d'un atelier de fabrication de fluorure d'aluminium ou d'acide fluorhydrique, ou du traitement des gaz dégagés lors du traitement des phosphates naturels, soit de silicate de sodium provenant d'un atelier de désilicatation des bauxites avant traitement dans les usines de fabrication d'alumine, soit de silice résiduaire obtenue, lors de la fabrication de sels d'aluminium, par attaque par voie humide de silicoaluminates naturels tels que le kaolin ou les argiles, soit de silice obtenue par voie thermique, par exemple lors des fabrications de magnésium, de silicium métal ou d'alliages de silicium.
Le mélange provenant de l'addition de ces solutions d'aluminate et de silicate de Na doit présenter un rapport molaire Al203/Si02 compris entre 0,5 et 1,2 (en rapport pondéral: de 0,85 à 2,04), et la teneur en Na20 doit en être ajustée pour que la concentration en soude de la liqueur dans laquelle, après précipitation, est réalisée cette cristallisation ne soit pas supérieure à 135 g/1 de NaOH, pour éviter la cristallisation des silicoaluminates du type feldspathoïde inactifs, mais ne soit pas inférieure à 26 g/1 de NaOH, afin que la vitesse de cristallisation de la zéolithe A soit compatible avec une réalisation industrielle.
Après un temps de mûrissement des cristaux compris entre 1 et 15 h, et étant de préférence de 4 à 7 h, on obtient une suspension de zéolithe A dans la liqueur précédemment décrite. Cette suspension est ensuite soumise à une séparation solide/liquide appropriée (par exemple filtration, décantation ou centrifugation).
Le solide ainsi séparé est lavé par de l'eau, puis séché. Les eaux de lavage sont récupérées et mélangées à la liqueur séparée du solide. L'ensemble de ces eaux résiduaires est recyclé, afin de préparer les solutions d'aluminate de sodium nécessaires à la fabrication.
Le séchage peut provoquer une agglomération des cristaux. Celle-ci étant préjudiciable au bon maintien en suspension de la zéolithe A dans la solution de lessive, il est alors nécessaire de procéder à une sélection ou à une désagglomération des particules, ou à une combinaison de ces deux opérations, par tout moyen approprié.
La zéolithe A produite par le procédé décrit ci-dessus possède les caractéristiques suivantes:
— répartition granulométrique resserrée, 95% des grains se situant dans une plage de 1 à 8 n
— une granulométrie moyenne très fine et très resserrée, comprise entre 2 et 4 n et ajustable en fonction de l'utilisation prévue;
— une capacité d'échange vis-à-vis des ions calcium supérieure à 120 mg Ca++ par gramme de produit anhydre;
—■ un pH de la zéolithe A en suspension aqueuse à 1 % compris entre 10 et 11.
Cette zéolithe A convient particulièrement à l'utilisation dans les lessives pour adoucir les eaux calcaires.
Les exemples suivants illustrent l'invention.
Exemple 1:
On prépare un silicoaluminate de sodium type zéolithe A en mélangeant en continu une solution A de silicate de sodium avec une solution B d'aluminate de sodium, dans un réacteur permettant un mélange instantané des deux solutions. Le gel obtenu est soumis à un mûrissement en discontinu dans un mûrisseur.
La solution A de silicate de sodium est obtenue par dissolution à 50° C de silicate de sodium cristallisé de qualité commerciale dans de l'eau déminéralisée. Elle a les caractéristiques suivantes:
— concentration en Si02 138 g/1
— concentration en Na20 41 g/1
— température = 50° C au moment de l'utilisation
La solution B d'aluminate de sodium est obtenue par dissolution à 104° C d'alumine hydratée dans de la soude concentrée, de façon à obtenir:
— concentration en A1203 56 g/1
— concentration en Na20 80 g/1
— température = 92° C au moment de l'utilisation
Les solutions A et B sont envoyées simultanément dans un réacteur muni d'une turbine tournant à 8000 tr/min. Les solutions A et B ont des débits tels que le temps de séjour dans le réacteur soit de 2 min, le rapport pondéral Al203/Si02 étant de 1,4.
Le gel ainsi obtenu est transvasé par débordement dans la cuve de mûrissement. Le silicoaluminate de sodium est maintenu en suspension à 80° C par utilisation d'un agitateur à pales tournant à 20 tr/min.
Au bout de 15 h de mûrissement, la zéolithe est séparée par filtration, puis lavée et séchée jusqu'à obtention d'un produit contenant 20 à 22% d'eau d'hydratation.
La zéolithe ainsi obtenue a les propriétés suivantes:
— un diagramme de diffraction aux rayons X indiquant que plus de 87% du produit est de la zéolithe A cristallisée;
— une granulométrie caractérisée par: un diamètre moyen des particules de 3,9 |i, 97% des particules ayant moins de 8 p, 1 % des particules ayant moins de 1 p, la taille des particules est déterminée par sédimentomètre à rayons X;
— un pouvoir séquestrant de 121 exprimé en milligrammes de Ca par gramme de produit anhydre; celui-ci est mesuré en faisant réagir une quantité connue de zéolithe avec une solution aqueuse à 200 mg de calcium par litre (50° de dureté et pH 10), sous agitation vigoureuse pendant 15 min à 22°C; une partie des ions calcium est fixée par la zéolithe; après filtration et rinçage de celle-ci, le calcium restant en solution est dosé dans ce filtrat par titrage potentiométrique à l'aide d'une solution étalonnée d'éthylènediaminetétraacétate.
Exemple 2:
On prépare suivant le mode opératoire de l'exemple 1 les solutions suivantes.
Solution A
concentration en Si02 119 g/1
concentration en NazO 36 g/1 température = 90° C au moment de l'utilisation
Solution B
concentration en A1203 97 g/1
concentration en Na20 99 g/1
température = 90° C au moment de l'utilisation
Les solutions A et B sont envoyées simultanément dans la zone de forte aspiration d'une turbine située dans un réacteur. Cette turbine tournant à 300 tr/min est placée dans une soucoupe tournant sur elle-même. Cette soucoupe est constituée par deux plateaux dont la concavité est dirigée vers la turbine. Ces deux plateaux déterminent un volume dans lequel sont injectées les deux solutions réac-tionnelles.
Les solutions A et B ont des débits tels que le temps de séjour dans le réacteur soit de 12 min, le rapport pondéral Al203/Si02 étant de 1,35.
Le gel ainsi obtenu est transvasé par débordement dans une cuve de mûrissement. Le silicoaluminate de sodium est maintenu en suspension à 90° C par utilisation d'un agitateur à pales tournant à 20 tr/min.
Au bout de 5 h de mûrissement, la zéolithe est séparée selon les mêmes procédés que ceux de l'exemple 1.
La zéolithe ainsi obtenue a les propriétés suivantes:
— plus de 93% du produit est de la zéolithe A cristallisée
— granulométrie caractérisée par:
diamètre moyen des particules 3,0 |x
99% des particules ayant moins de 8 n toutes ces particules étant supérieures à 1 p
— pouvoir séquestrant déterminé, selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 1:129 mg Ca/g de produit anhydre.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
646400
4
Exemple 3:
La préparation de silicoaluminate de sodium est effectuée avec les solutions et selon le mode opératoire décrits dans l'exemple 2.
Seule diffère la vitesse d'agitation dans le mûrisseur. Celle-ci est maintenue à 140 tr/min pendant 5 h.
Au bout de ce temps, la zéolithe est séparée selon les mêmes procédés que ceux de l'exemple 1.
La zéolithe ainsi obtenue a les propriétés suivantes:
— plus de 91 % du produit est de la zéolithe A cristallisée
— granulométrie caractérisée par:
diamètre moyen des particules 5,2 p
93% des particules ont moins de 8 jj.
aucune particule n'a moins de 1 jj.
— pouvoir séquestrant déterminé, selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 1:106 mg Ca/g de produit anhydre.
Cet exemple montre qu'une agitation trop forte conduit à de mauvais résultats.
Exemple 4:
La préparation de zéolithe est effectuée avec les solutions et selon le mode opératoire décrits dans l'exemple 2.
Seul diffère le mode d'agitation dans le mûrisseur. Celui-ci est obtenu en soumettant le liquide à des ultrasons.
Au bout de 5 h, la zéolithe est séparée selon les mêmes procédés que ceux de l'exemple 1.
La zéolithe ainsi obtenue a les propriétés suivantes:
— plus de 92% du produit est de la zéolithe A cristallisée
— granulométrie caractérisée par:
diamètre moyen des particules 2,4 p toutes les particules ont moins de 8 p.
4% des particules ont moins de 1 p
5 — pouvoir séquestrant, déterminé selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 1:130 mg Ca/g de produit anhydre.
Exemple 5:
La préparation de zéolithe est effectuée avec les solutions et selon io le mode opératoire décrits dans l'exemple 2.
Seul diffère le mode d'agitation dans le mûrisseur. Celui-ci est obtenu par convexion en soumettant le liquide à un chauffage très localisé en point bas de la cuve, l'excédent de calories fournies étant évacué par un serpentin d'eau froide situé dans la partie haute de la 15 cuve.
La température moyenne dans la suspension est maintenue à 90° C par régulation sur l'eau de refroidissement.
Après 5 h de mûrissement, la zéolithe est séparée selon les mêmes procédés que ceux de l'exemple 1.
20 La zéolithe ainsi obtenue a les propriétés suivantes :
— plus de 94% du produit est de la zéolithe A cristallisée
— granulométrie caractérisée par:
diamètre moyen des particules 3,2 p
98% des particules ont une dimension inférieure à 8 p
25 toutes ces particules ont plus de 1 p
— pouvoir séquestrant déterminé, selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 1:125 mg Ca/g de produit anhydre.
r
Claims (7)
- 6464002REVENDICATIONS1. Procédé de préparation en semi-continu d'un silicoaluiminate du type zéolithe A de qualité constante et homogène, consistant à mélanger en continu et sous forte agitation une solution d'aluminate de sodium et une solution de silicate de sodium dans un récipient, dans lequel le temps de séjour moyen est compris entre 30 s et20 min et la température comprise entre 70 et 105° C, pour former un gel dont le mûrissement est effectué ultérieurement en discontinu durant 4 à 7 h, à une température de 80 à 95° C, caractérisé par le fait que lors du mûrissement les particules précipitées sont maintenues en suspension sans qu'il soit exercé sur elles de forces de cisaillement, ou avec des forces de cisaillement juste nécessaires pour en assurer le maintien en suspension.
- 2. Procédé selon la revendication 1, où le maintien en suspension est assuré par l'utilisation d'ultrasons.
- 3. Procédé selon la revendication 1, où le maintien en suspension est assuré par l'utilisation d'impulseurs, type hélice marine ou héli-coïde à faible taux de cisaillement.
- 4. Procédé selon la revendication 1, où le maintien en suspension est assuré par l'utilisation de jigs.
- 3. Procédé selon la revendication 1, où le maintien en suspension est assuré par des rouleaux type bétonneuse.
- 6. Procédé selon la revendication 1, où le maintien en suspension est assuré par un chauffage local créant des courants de convexion.
- 7. Silicoaluminate de type zéolithe A, obtenu par le procédé selon la revendication 1, dont 95% des cristaux se situent dans une plage de 1 à 8 n, la moyenne étant comprise entre 2 et 4 |i, et ayant un pouvoir séquestrant supérieur à 120 mg de calcium par gramme de produit anhydre.
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