WO2004012849A1 - Procede de preparation de suspensions aqueuses de charges minerales. suspensions aqueuses de charges minerales obtenues et leurs utilisations. - Google Patents

Procede de preparation de suspensions aqueuses de charges minerales. suspensions aqueuses de charges minerales obtenues et leurs utilisations. Download PDF

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Maurice Husson
Christian Jacquemet
Eugène VOROBIEV
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Omya SAS
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Omya Development AG
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    • C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
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    • C01P2006/22—Rheological behaviour as dispersion, e.g. viscosity, sedimentation stability

Definitions

  • PROCESS FOR THE PREPARATION OF AQUEOUS SUSPENSIONS OF MINERAL LOADS PROCESS FOR THE PREPARATION OF AQUEOUS SUSPENSIONS OF MINERAL LOADS.
  • the present invention relates to the technical sector of mineral fillers, such as in particular the papermaking field and in particular the coating of paper and the mass charge of paper, or else the fields of painting, of water treatment such as in particular the field of sludge. purification, detergency, ceramics, cements or hydraulic binders, public works, inks and varnishes, sizing of textiles or any type of industry requiring the use of pigment suspensions concentrated, and more particularly relates to the fields of paper, water treatment, paint and ceramics.
  • the invention relates to a process for the preparation of aqueous suspensions of mineral fillers or pigments having good rheology implemented in the various aforementioned fields.
  • suspensions must then be concentrated in order to offer them to the end user who uses said aqueous suspensions or to remove the solvents present when these fillers are used in the form of powder.
  • concentration of these suspensions by a filtration process, but these filtration has hitherto resulted in cakes so compact that it is necessary on the one hand to add dispersant after the filtration step and on the other hand to implement a strong mechanical energy to resuspend them or convey the concentrated suspensions.
  • patent application WO 00/39029 teaches those skilled in the art that a process for preparing an aqueous suspension of calcium carbonate consists in continuing the filtration step with a thermal concentration step and then with a setting step. using mechanical energy to resuspend the mineral particles, this with the addition of dispersant after the filtration step.
  • the Applicant then surprisingly found that, according to the invention, the process for the preparation of aqueous suspensions of mineral materials characterized by filtration in two distinct stages makes it possible to solve the problem and therefore to be able to obtain an aqueous suspension of mineral materials directly usable after the filtration stage, optionally followed by compression, without the obligation to carry out an additional stage such as the addition of dispersing agent after the concentration step or the use of mechanical energy for the resuspension of mineral materials.
  • JP 53-025646 It is also known (JP 53-025646) to introduce, into an aqueous suspension of calcium carbonate, half the amount of the dispersant before filtering said suspension and adding the other half after the filtration step to obtain a suspension highly concentrated in calcium carbonate.
  • a person skilled in the art also knows another document (GB 1 482 258) which discloses a process for the preparation of aqueous suspensions of precipitated calcium carbonate (PCC) using a dispersant before the concentration step by filtration in a single step, but this method has two major drawbacks.
  • the first consists in the necessity of using a pressure higher than 17 bars to be able to filter as well as in the obligation to use very specific dispersive devices to disperse the cake obtained.
  • the second drawback of the said method lies in the fact that large quantities of dispersant are found in the filtrate, thereby generating problems of the environment, ecology, treatment of discharges or even recirculation of the water used in the rest of the process as well. that generating cost problems in view of the large quantities of dispersant used.
  • patent GB 1,463,974 describes a one-step filtration method leading to the same drawbacks as those mentioned above.
  • One of the aims of the invention is therefore to propose a process for the preparation of aqueous suspensions of fillers and / or mineral pigments having good rheology, that is to say to propose a process for the preparation of aqueous suspensions of materials mineral fluids, pumpable and transportable by the end user immediately after the filtration step, possibly followed by compression, and this for small quantities of dispersant used and allowing control of the quantities of dispersant present in the filtrate in to obtain almost zero amounts of dispersant present in the filtrate.
  • This process for the preparation, according to the invention, of aqueous suspensions of fluid mineral materials, which can be pumped and transported by the end user immediately after the filtration step, with small quantities of dispersant used and allowing the quantities of dispersant present in the filtrate is characterized in that it comprises filtration in two distinct stages, possibly followed by compression.
  • these two distinct stages of filtration are composed of a first stage in which a pre-layer is formed using no dispersing agent followed by a second continuous stage at the first in the presence of one or more dispersing agents, and even more particularly followed by a second filtration step containing 0.01% to 10%, preferably from 0.1% to 2% by dry weight of dispersant relative to the dry weight of mineral material to be filtered .
  • the water of the pre-layer is replaced, during the second stage, by the water of the second stage containing one or more dispersing agents so that the dispersing agent (s) are distributed in a manner homogeneous throughout the filter cake.
  • the process according to the invention makes it possible to directly obtain aqueous suspensions of fluid mineral materials, which can be pumped and transported immediately after the filtration step, optionally followed by compression, with small amounts of dispersant used and almost zero amounts of dispersant present in the filtrate.
  • the dispersing agent (s) used are chosen either from dispersants commonly used in the field of the suspension of mineral fillers such as, for example, polyphosphates, polyacrylates functionalized or not, or any other functional polymer.
  • dispersant either from anionic, cationic, nonionic or zwitterionic surfactants.
  • the mineral material is chosen from natural calcium carbonate, synthetic calcium carbonate also called calcium carbonate precipitate, titanium di oxide in its anatase or rutile forms, kaolin, aluminum hydroxide, clays or their mixtures.
  • a further object of the invention is to develop an aqueous suspension of mineral matter which is fluid, pumpable and transportable by the end user immediately after the filtration step, optionally followed by compression.
  • This aqueous suspension of mineral material according to the invention is characterized in that it contains 0.01% to 10%, preferably 0.1% to 2% by dry weight of dispersant relative to the dry weight of mineral material to be filtered, and in that it is obtained by the method according to the invention.
  • the mineral material can be chosen from natural calcium carbonate including in particular the different chalks, calcites, marbles or also chosen from synthetic calcium carbonates such as calcium carbonates precipitated at different stages of crystallization or alternatively among mixed magnesium and calcium carbonates such as dolomites or alternatively among magnesium carbonate, zinc carbonate, lime, magnesia, barium sulphate such as barium, sulphate calcium, silica, silico-magnesians such as talc, wollastonite, clays and other silico-aluminous such as kaolins, mica, metal or alkaline earth metal oxides or hydroxides such as hydroxide magnesium, iron oxides, zinc oxide, titanium oxide, titanium dioxides in its anatase or rutile forms, and their mixtures such as in particular tal mixtures c and calcium carbonate.
  • natural calcium carbonate including in particular the different chalks, calcites, marbles or also chosen from synthetic calcium carbonates such as calcium carbonates precipitated at different stages of crystallization or alternatively among mixed magnesium and
  • Another object of the invention relates to the use of aqueous suspensions according to the invention in the fields of paper, painting, water treatment such as in particular the field of sewage sludge, detergency, ceramic, cements or hydraulic binders, public works, inks and varnishes, sizing of textiles or any other type of industry requiring the use of concentrated pigment suspensions, and more particularly concerns the use of aqueous suspensions according to the invention in the fields of paper, water treatment, paint and ceramics.
  • the scope and the interest of the invention will be better perceived thanks to the following examples which cannot be limiting.
  • Each of the filtration steps is carried out under a pressure of 5 bars.
  • the filter cake is then subjected to a low shear in order to obtain a suspension also called "slurry" fluid.
  • visco 2 When the suspension is homogeneous, we measure its viscosity (visco 2) using a Brookfield TM viscometer type RNT fitted with a suitable module.
  • the suspension thus obtained is fluid, pumpable and transportable by the end user immediately after the filtration step.
  • This example illustrates the invention and relates to the filtration of an aqueous suspension of natural calcium carbonate and more particularly of a marble with a median diameter equal to 0.75 micrometer.
  • the filtration step is stopped when the electrical conductivity of the filtrate measured using a HI 8820 ⁇ conductivity meter from Hanna Instruments (Portugal) increases, that is to say after collecting 114.5 grams of filtrate. The dispersant content in the filtrate is then almost zero.
  • the suspension thus obtained is fluid, pumpable and transportable by the end user immediately after the filtration step.
  • Example 2 156 grams of the aqueous suspension of PCC are used, the dry matter concentration of which is equal to 24% and of on the other hand 1.0% by dry weight, relative to the dry weight of PCC, of a sodium polyacrylate of molecular weight by weight equal to 10,000 g / mole, to directly obtain an aqueous suspension of PCC whose material concentration dry is equal to 65.9%, and whose Brookfield TM viscosity is equal to 4570 mPa.s measured at 10 rpm and equal to 930 mPa.s measured at 100 rpm.
  • This example illustrates the invention and relates to the filtration of an aqueous suspension of natural calcium carbonate and more particularly of a marble with a median diameter equal to 0.6 micrometer.
  • the suspension thus obtained is fluid, pumpable and transportable by the end user immediately after the filtration step.
  • the filtration step is stopped when the electrical conductivity of the filtrate measured using a HI 8820N conductivity meter from Hanna Instruments (Portugal) increases, that is to say after collecting 288.5 grams of filtrate. The dispersant content in the filtrate is then almost zero.
  • Example 2 To do this, with the same procedure and the same equipment as in Example 1, on the one hand, 229.1 grams of the aqueous kaolin suspension are used, the dry matter concentration of which is equal to 23.9 % and on the other hand 0.2% by dry weight, relative to the dry weight of kaolin, of a sodium polyacrylate of molecular weight by weight equal to 4500 g / mole, to directly obtain an aqueous suspension of kaolin of which the dry matter concentration is equal to 68.0%, and whose viscosity Brookfield TM is equal to 1,590 mPa.s measured at 10 rpm and equal to 655 mPa.s measured at 100 rpm.
  • the filtration step is stopped when the electrical conductivity of the filtrate measured using a HI 8820N conductivity meter from Hanna Instruments (Portugal) increases, that is to say after collecting 167.7 grams of filtrate. The dispersant content in the filtrate is then almost zero.
  • This example illustrates the invention and relates to the filtration of an aqueous suspension of aluminum hydroxide sold by the company Martinswerk under the name of OL 104.
  • Example 2 201.0 grams of the aqueous suspension of aluminum hydroxide, the dry matter concentration of which is equal, are used. at 25.3% and on the other hand 0.25% by dry weight, relative to the dry weight of aluminum hydroxide, of a copolymer of molecular weight by weight equal to 3500 g / mole and composed of acrylic acid and methoxy-polyethylene glycol methacrylate of molecular weight 2,000 totally neutralized with soda, to directly obtain an aqueous suspension of aluminum hydroxide, the dry matter concentration of which is equal to 71.8%, and the Brookfield TM viscosity is equal to 230 mPa.s measured at 10 rpm and equal to 230 mPa.s measured at 100 rpm.
  • the filtration step is stopped when the electrical conductivity of the filtrate measured using a HI 8820N conductivity meter from Hanna Instruments (Portugal) increases, ie after collecting 144.2 grams of filtrate. The dispersant content in the filtrate is then almost zero.
  • the suspension thus obtained is fluid, pumpable and transportable by the end user immediately after the filtration step.
  • This visible light scattering capacity is expressed by a light scattering coefficient S which is the Kubelka-Munk coefficient of light scattering, determined by the method well known to those skilled in the art described in the publications of Kubelka and Munk (Zeitschrift fur Technische Physik 12,539, (1931)), by Kubelka (J. Optical Soc. Am. 38 (5), 448, (1948) and J. Optical Soc. Am. 44 (4), 330, (1954)).
  • This light scattering coefficient S is plotted as a function of the layer weight and the value S for a layer weight equal to 20 g / m 2 is determined by interpolation.
  • the value S obtained is equal to 157 m 2 / g and is quite comparable to the values obtained for suspensions of calcium carbonate of the prior art obtained according to conventional means of thermal concentration.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de préparation de suspensions aqueuses de matières minérales fluides, pompables et transportables par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration, éventuellement suivie d'une compression, procédé comportant une filtration en deux étapes distinctes. L'invention concerne également les suspensions aqueuses de matières minérales obtenues et leurs utilisations.

Description

PROCEDE DE PREPARATION DE SUSPENSIONS AQUEUSES DE CHARGES MINERALES. SUSPENSIONS AQUEUSES DE CHARGES MINERALES OBTENUES ET LEURS UTILISATIONS.
La présente invention concerne le secteur technique des charges minérales, tels que notamment le domaine papetier et en particulier le couchage du papier et la charge de masse du papier, ou encore les domaines de la peinture, du traitement des eaux comme notamment le domaine des boues d'épuration, de la détergence, de la céramique, des ciments ou des liants hydrauliques, des travaux publics, des encres et des vernis, de l'encollage des textiles ou encore tout type d'industrie nécessitant la mise en œuvre de suspensions pigmentaires concentrées, et concerne plus particulièrement les domaines du papier, du traitement des eaux, de la peinture et de la céramique.
De manière plus particulière, l'invention concerne un procédé de préparation de suspensions aqueuses de charges ou pigments minéraux ayant une bonne rhéologie mises en œuvre dans les divers domaines précités.
Pour réaliser les applications industrielles dans les domaines ci-dessus, il est nécessaire de produire des suspensions de charges minérales, notamment des carbonates de calcium, présentant une excellente rhéologie c'est-à-dire disposant d'une viscosité faible pendant la durée de stockage pour en faciliter la manipulation et l'application, de même qu'une teneur en matière minérale la plus élevée possible, afin de diminuer la quantité d'eau manipulée.
Lors de la fabrication de ces suspensions aqueuses de charges minérales répondant aux critères précités, certains procédés aboutissent à des suspensions aqueuses faiblement concentrées en matières minérales ou organiques.
Il faut alors concentrer ces suspensions pour les proposer à l'utilisateur final qui utilise lesdites suspensions aqueuses ou pour éliminer les solvants présents lorsque ces charges sont mises en œuvre sous forme de poudre. Un des moyens connus à ce jour est la concentration de ces suspensions par un procédé de filtration, mais ces iïltrations aboutissaient jusqu'à ce jour à des gâteaux tellement compacts qu'il est nécessaire d'une part d'ajouter du dispersant après l'étape de filtration et d'autre part de mettre en œuvre une forte énergie mécanique pour les remettre en suspension ou véhiculer les suspensions concentrées.
Ainsi, la demande de brevet WO 00/39029 enseigne à l'homme du métier qu'un procédé pour préparer une suspension aqueuse de carbonate de calcium consiste à poursuivre l'étape de filtration par une étape de concentration thermique puis par une étape de mise en œuvre d'énergie mécanique pour remettre en suspension les particules minérales, ceci avec l'ajout de dispersant après l'étape de filtration.
Confrontée à ce problème d'utilisation supplémentaire d'agent dispersant ou de mise en œuvre d'une forte énergie mécanique, la Demanderesse a alors trouvé, de manière surprenante que, selon l'invention le procédé de préparation de suspensions aqueuses de matières minérales caractérisé par une filtration en deux étapes distinctes permet de résoudre le problème et donc de pouvoir obtenir une suspension aqueuse de matières minérales directement utilisable après l'étape de filtration, éventuellement suivie d'une compression, sans l'obligation de mettre en œuvre une étape supplémentaire telle que l'ajout d'agent dispersant après l'étape de concentration ou bien l'utilisation d'énergie mécanique pour la remise en suspension des matières minérales.
Ainsi, il est connu (Solid-liquid filtration and séparation technology, A. Rushton, A. S. Ward, R.G. Holdich, 1996 ; Filtration : Equipment sélection Modelling and process simulation, R.J. Wakeman, E.S. Tarleton, 1999 ; Pratique de la filtration, J.P. Duroudier, 1999) de filtrer des suspensions ne contenant pas de dispersant mais l'inconvénient est d'aboutir à des gâteaux difficilement redispersables.
II est également connu (JP 53-025646) d'introduire, dans une suspension aqueuse de carbonate de calcium, la moitié de la quantité du dispersant avant de filtrer ladite suspension et de rajouter l'autre moitié après l'étape de filtration pour obtenir une suspension hautement concentrée en carbonate de calcium. L'homme du métier connaît également un autre document (GB 1 482 258) qui révèle un procédé de préparation de suspensions aqueuses de carbonate de calcium précipité (PCC) mettant en œuvre un dispersant avant l'étape de concentration par une filtration en une seule étape, mais ce procédé présente deux inconvénients majeurs.
Le premier consiste en la nécessité de l'utilisation d'une pression supérieure à 17 bars pour pouvoir filtrer ainsi qu'en l'obligation de mettre en œuvre des appareillages dispersifs bien particuliers pour disperser le gâteau obtenu.
Le deuxième inconvénient de ladite méthode réside dans le fait que de grandes quantités de dispersant se retrouvent dans le filtrat générant alors des problèmes d'environnement, d'écologie, de traitement des rejets ou encore de recirculation des eaux utilisées dans le reste du procédé ainsi que générant des problèmes de coût au vu des grandes quantités de dispersant mis en œuvre.
De même le brevet GB 1 463 974, décrit une méthode de filtration à une seule étape aboutissant aux mêmes inconvénients que ceux précités.
Ainsi les techniques connus de l'homme du métier le conduisent à utiliser l'agent dispersant soit totalement après la filtration soit la moitié avant l'étape de filtration et l'autre moitié après l'étape de filtration ou alors à utiliser l'agent dispersant avant l'étape de filtration mais avec la nécessité de mettre en œuvre d'une part une quantité importante d'agent dispersant générant les inconvénients précités et d'autre part un appareillage dispersif bien particulier.
De manière générale, toutes ces techniques connues jusqu'à ce jour ont l'inconvénient d'aboutir à une grande difficulté de remise en suspension du gâteau si l'on veut obtenir des suspensions fortement concentrées en matière sèche et disposant d'une bonne rhéologie.
Ainsi un des buts de l'invention est de proposer un procédé de préparation de suspensions aqueuses de charges et/ou pigments minéraux ayant une bonne rhéologie, c'est-à-dire de proposer un procédé de préparation de suspensions aqueuses de matières minérales fluides, pompables et transportables par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration, éventuellement suivie d'une compression, et ceci pour de faibles quantités de dispersant mis en œuvre et permettant le contrôle des quantités de dispersant présent dans le filtrat en vue d'obtenir des quantités quasi-nulles de dispersant présent dans le filtrat.
Par quantités quasi-nulles de dispersant présent dans le filtrat on entend que la fin de la deuxième étape correspond à l'apparition de dispersant dans le filtrat. Cette apparition de dispersant dans le filtrat est quantifiée par une mesure de conductivité électrique.
Ce procédé de préparation, selon l'invention, de suspensions aqueuses de matières minérales fluides, pompables et transportables par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration, avec de faibles quantités de dispersant mis en œuvre et permettant le contrôle des quantités de dispersant présent dans le filtrat se caractérise en ce qu'il comporte une filtration en deux étapes distinctes, éventuellement suivie d'une compression.
De manière plus particulière, ces deux étapes distinctes de filtration sont composées d'une première étape où il se forme une pré-couche ne mettant en œuvre aucun agent dispersant suivie d'une deuxième étape continue à la première en présence d'un ou plusieurs agents dispersants, et de manière encore plus particulière suivie d'une deuxième étape de filtration contenant 0,01 % à 10 %, préférentiellement de 0,1 % à 2 % en poids sec de dispersant par rapport au poids sec de matière minérale à filtrer.
Cette pré-couche formée, l'eau de la pré-couche est remplacée, lors de la deuxième étape, par l'eau de la deuxième étape contenant un ou plusieurs agents dispersants de manière à ce que le ou les dispersants soient répartis de manière homogène dans tout le gâteau de filtration.
II est à noter que pendant toute la durée de la filtration, la pression mise en œuvre a une valeur de l'ordre de celle couramment utilisée dans les procédés de filtration classique. De manière encore plus particulière, ce procédé selon l'invention, se caractérise en ce que la quantité d'agent dispersant présent dans le filtrat est contrôlée et limitée par une mesure en continu de la conductivité électrique du filtrat et en ce que l'étape de filtration est stoppée dès l'instant où la conductivité électrique du filtrat augmente. Cet arrêt de la filtration au moment où la conductivité électrique augmente correspond à une quantité quasi-nulle de dispersant présent dans le filtrat.
Ainsi, le procédé selon l'invention permet d'obtenir directement des suspensions aqueuses de matières minérales fluides, pompables et transportables immédiatement après l'étape de filtration, éventuellement suivie d'une compression, avec de faibles quantités de dispersant mis en œuvre et des quantités quasi-nulles de dispersant présent dans le filtrat.
Pour ce faire, le ou les agents dispersants mis en œuvre sont choisis soit parmi les dispersants couramment utilisés dans le domaine de la mise en suspension des charges minérales tels que par exemple les polyphosphates, les polyacrylates fonctionnalisés ou non, ou tout autre polymère à fonction dispersante, soit parmi les tensio-actifs anioniques, cationiques, non ioniques ou encore zwitterioniques.
Le procédé de préparation de suspensions aqueuses de matières minérales selon l'invention se caractérise, en ce que la matière minérale peut être choisie parmi le carbonate de calcium naturel dont notamment les différentes craies, calcites, marbres ou encore choisie parmi les carbonates de calcium synthétiques tels que les carbonates de calcium précipités à différents stades de cristallisation ou bien encore parmi les carbonates mixtes de magnésium et de calcium tels que les dolomies ou encore parmi le carbonate de magnésium, le carbonate de zinc, la "chaux, la magnésie, le sulfate de baryum tel que la baryte, le sulfate de calcium, la silice, les silico-magnésiens tels que le talc, la wollastonite, les argiles et autres silico-alummeux tels que les kaolins, le mica, les oxydes ou hydroxydes de métaux ou d'alcalino-terreux tels que l'hydroxyde de magnésium, les oxydes de fer, l'oxyde de zinc, l'oxyde de titane, les dioxydes de titane sous ses formes anatase ou rutile, et leurs mélanges comme notamment les mélanges de talc et de carbonate de calcium.
De manière préférentielle, la matière minérale est choisie parmi le carbonate de calcium naturel, le carbonate de calcium synthétique encore appelé carbonate de calcium précipité, le di oxyde de titane sous ses formes anatase ou rutile, le kaolin, l'hydroxyde d'aluminium, les argiles ou leurs mélanges.
Un but supplémentaire de l'invention est de mettre au point une suspension aqueuse de matière minérale qui soit fluide, pompable et transportable par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration, éventuellement suivie d'une compression.
Cette suspension aqueuse de matière minérale selon l'invention se caractérise en ce qu'elle contient 0,01 % à 10 %, préférentiellement 0,1 % à 2 % en poids sec de dispersant par rapport au poids sec de matière minérale à filtrer, et en ce qu'elle est obtenue par le procédé selon l'invention.
De manière plus particulière, elle se caractérise en ce que la matière minérale peut être choisie parmi le carbonate de calcium naturel dont notamment les différentes craies, calcites, marbres ou encore choisie parmi les carbonates de calcium synthétiques tels que les carbonates de calcium précipités à différents stades de cristallisation ou bien encore parmi les carbonates mixtes de magnésium et de calcium tels que les dolomies ou encore parmi le carbonate de magnésium, le carbonate de zinc, la chaux, la magnésie, le sulfate de baryum tel que la baryte, le sulfate de calcium, la silice, les silico-magnésiens tels que le talc, la wollastonite, les argiles et autres silico-alumineux tels que les kaolins, le mica, les oxydes ou hydroxydes de métaux ou d'alcalino-terreux tels que l'hydroxyde de magnésium, les oxydes de fer, l'oxyde de zinc, l'oxyde de titane, les dioxydes de titane sous ses formes anatase ou rutile, et leurs mélanges comme notamment les mélanges de talc et de carbonate de calcium.
Enfin, un autre but de l'invention concerne l'utilisation des suspensions aqueuses selon l'invention dans les domaines du papier, de la peinture, du traitement des eaux comme notamment le domaine des boues d'épuration, de la détergence, de la céramique, des ciments ou des liants hydrauliques, des travaux publics, des encres et des vernis, de l'encollage des textiles ou encore tout type d'industrie nécessitant la mise en œuvre de suspensions pigmentaires concentrées, et concerne plus particulièrement l'utilisation des suspensions aqueuses selon l'invention dans les domaines du papier, du traitement des eaux, de la peinture et de la céramique. La portée et l'intérêt de l'invention seront mieux perçus grâce aux exemples suivants qui ne sauraient être limitatifs.
EXEMPLE 1
Cet exemple illustre l'invention et concerne la filtration d'une suspension aqueuse de carbonate de calcium naturel et plus particulièrement d'une craie de Champagne de diamètre médian égal à 2 micromètres.
Pour ce faire, on met en œuvre 286,8 grammes de la suspension de craie ayant une concentration en matière sèche égale à 20,3 % et comme appareil de filtration, un équipement de laboratoire de la société CHOQUENET constitué :
- d'un cadre en polypropylène comportant une chambre de 2,2 cm de largeur et
25 cm2 de section,
de deux plateaux en acier dont l'un fixe, présentant des cannelures sur la face interne, par lesquelles le filtrat est recueilli,
de deux joints qui assurent l'étanchéité entre les plateaux et le cadre,
de deux membranes filtrantes en polypropylène de la société SEFAR FYLTIS (réf. : F 0149 AN)
La chambre de filtration (CF) peut être alimentée successivement par un réservoir RI contenant la suspension du pigment à concentrer puis par un second réservoir R2 contenant la même suspension que précédemment à laquelle sera ajoutée une quantité de dispersant Co nécessaire à l'obtention d'un gâteau concentré (ES2) et facilement débatissable, c'est-à-dire un gâteau ayant une consistance suffisante pour être sorti de la chambre de filtration en un seul élément. Une autre alternative consiste en ce que R2 ne contient qu'une solution de dispersant. Le procédé de filtration proprement dit se déroule en deux étapes distinctes (voir schéma 1) :
1/ lors d'une première étape, une pré-couche à partir de la suspension 1 est formée sur les membranes filtrantes,
2/ suivie d'une deuxième étape où la filtration est effectuée à partir de la suspension 2 contenant le dispersant.
Lors de la deuxième étape, l'eau contenue dans la pré-couche est remplacée par l'eau chargée en dispersant contenue dans la suspension 2 si bien qu'à la fin de l'étape de filtration, le dispersant est réparti de façon homogène dans tout le gâteau de filtration.
Chacune des étapes de filtration est réalisée sous une pression de 5 bars.
L'étape de filtration est suivie par une étape de compression sous une pression de 15 bars et permet d'obtenir un gâteau de filtration de siccité ES2.
Le gâteau de filtration est alors soumis à un faible cisaillement afin d'obtenir une suspension encore appelé « slurry » fluide.
Cette étape est réalisée à l'aide d'un agitateur mécanique standard de laboratoire de type RAYNERI muni d'une pâle adaptée.
Lorsque la suspension est homogène, nous procédons à la mesure de sa viscosité (visco 2) à l'aide d'un viscosimètre Brookfield™ type RNT muni d'un module adapté.
La suspension selon l'invention, obtenue par le procédé selon l'invention décrit ci- dessus et mettant en œuvre 0,2 % en poids sec, par rapport au poids sec de craie sèche, d'un polyacrylate d'ammonium de poids moléculaire en poids égal à 4 500 g/mole, est alors une suspension aqueuse de craie ayant une concentration en matière sèche égale à
76,8 % et une viscosité Brookfield™ égale à 2 900 mPa.s mesurée à 10 tours/minute et égale à 518 mPa.s mesurée à 100 tours/minute. L'étape de filtration est stoppée lorsque la conductivité électrique du filtrat mesurée à l'aide d'un conductimètre HI 8820N de Hanna Instruments (Portugal) augmente, c'est- à-dire après avoir recueilli 170,6 grammes de filtrat. La teneur en dispersant dans le filtrat est alors quasi-nulle.
La suspension ainsi obtenue est fluide, pompable et transportable par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration.
Après un stockage de 8 jours de la suspension selon l'invention, une nouvelle mesure de viscosité Brookfield™ est effectuée après agitation du flacon contenant ladite suspension. On obtient alors une viscosité Brookfield™ égale à 3 770 mPa.s mesurée à 10 tours/minute et égale à 645 Pa.s mesurée à 100 tours/minute montrant que la suspension obtenue est fluide, pompable et transportable, même après huit jours de stockage.
EXEMPLE 2
Cet exemple illustre l'invention et concerne la filtration d'une suspension aqueuse de carbonate de calcium naturel et plus particulièrement d'un marbre de diamètre médian égal à 0,75 micromètre.
Pour ce faire, avec le même mode opératoire et le même matériel que dans l'exemple 1, on met en œuvre d'une part 173,2 grammes de la suspension aqueuse de marbre dont la concentration en matière sèche est égale à 27,6 % et d'autre part 0,5 % en poids sec, par rapport au poids sec de marbre, d'un polyacrylate de sodium dénommé Coatex DN
834, pour obtenir directement une suspension aqueuse de marbre dont la concentration en matière sèche est égale à 72,1 %, et dont la viscosité Brookfield™ est égale à 635 mPa.s mesurée à 10 tours/minute et égale à 240 mPa.s mesurée à 100 tours/minute.
L'étape de filtration est stoppée lorsque la conductivité électrique du filtrat mesurée à l'aide d'un conductimètre HI 8820Ν de Hanna Instruments (Portugal) augmente, c'est- à-dire après avoir recueilli 114,5 grammes de filtrat. La teneur en dispersant dans le filtrat est alors quasi-nulle. La suspension ainsi obtenue est fluide, pompable et transportable par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration.
Après un stockage de 8 jours de la suspension selon l'invention, une nouvelle mesure de viscosité Brookfield™ est effectuée après agitation du flacon contenant ladite suspension. On obtient alors une viscosité Brookfield™ égale à 1 930 mPa.s mesurée à 10 tours/minute et égale à 550 mPa.s mesurée à 100 tours/minute montrant que la suspension obtenue est fluide, pompable et transportable, même après huit jours de stockage.
EXEMPLE 3
Cet exemple illustre l'invention et concerne la filtration d'une suspension aqueuse de carbonate de calcium précipité (PCC) de diamètre médian égal à 0,9 micromètre.
Pour ce faire, avec le même mode opératoire et le même matériel que dans l'exemple 1, on met en œuvre d'une part 156 grammes de la suspension aqueuse de PCC dont la concentration en matière sèche est égale à 24 % et d'autre part 1,0 % en poids sec, par rapport au poids sec de PCC, d'un polyacrylate de sodium de poids moléculaire en poids égal à 10 000 g/mole, pour obtenir directement une suspension aqueuse de PCC dont la concentration en matière sèche est égale à 65,9 %, et dont la viscosité Brookfield™ est égale à 4570 mPa.s mesurée à 10 tours/minute et égale à 930 mPa.s mesurée à 100 tours/minute.
L'étape de filtration est stoppée lorsque la conductivité électrique du filtrat mesurée à l'aide d'un conductimètre HI 8820N de Hanna Instruments (Portugal) augmente, c'est- à-dire après avoir recueilli 123,7 grammes de filtrat. La teneur en dispersant dans le filtrat est alors quasi-nulle.
La suspension ainsi obtenue est fluide, pompable et transportable par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration. EXEMPLE 4
Cet exemple illustre l'invention et concerne la filtration d'une suspension aqueuse de carbonate de calcium naturel et plus particulièrement d'un marbre de diamètre médian égal à 0,6 micromètre.
Pour ce faire, avec le même mode opératoire et le même matériel que dans l'exemple 1, on met en œuvre d'une part 226,4 grammes de la suspension aqueuse de marbre dont la concentration en matière sèche est égale à 20,9 % et d'autre part 1,0 % en poids sec, par rapport au poids sec de marbre, d'un polyacrylate de sodium dénommé Coatex DN 834, pour obtenir directement une suspension aqueuse de marbre dont la concentration en matière sèche est égale à 70,0 %, et dont la viscosité Brookfield™ est égale à 1 500 mPa.s mesurée à 10 tours/minute et égale à 670 mPa.s mesurée à 100 tours/minute.
L'étape de filtration est stoppée lorsque la conductivité électrique du filtrat mesurée à l'aide d'un conductimètre HI 8820Ν de Hanna Instruments (Portugal) augmente, c'est- à-dire après avoir recueilli 177,7 grammes de filtrat. La teneur en dispersant dans le filtrat est alors quasi-nulle.
La suspension ainsi obtenue est fluide, pompable et transportable par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration.
Après un stockage de 8 jours de la suspension selon l'invention, une nouvelle mesure de viscosité Brookfield™ est effectuée après agitation du flacon contenant ladite suspension. On obtient alors une viscosité Brookfield™ égale à 1 840 mPa.s mesurée à 10 tours/minute et égale à 750 mPa.s mesurée à 100 tours/minute montrant que la suspension obtenue est fluide, pompable et transportable, même après huit jours de stockage. EXEMPLE 5
Cet exemple illustre l'invention et concerne la filtration d'une suspension aqueuse de dioxyde de titane commercialisé par la société Elementis sous le nom de RHD2. Pour ce faire, avec le même mode opératoire et le même matériel que dans l'exemple 1, on met en œuvre d'une part 390,9 grammes de la suspension aqueuse de dioxyde de titane dont la concentration en matière sèche est égale à 24,2 % et d'autre part 0,3 % en poids sec, par rapport au poids sec de dioxyde de titane, d'un copolymère commercialisé par la société Coatex sous le nom Coatex BR3, pour obtenir directement une suspension aqueuse de dioxyde de titane dont la concentration en matière sèche est égale à 74,2 %, et dont la viscosité Brookfield™ est égale à 1 100 mPa.s mesurée à 10 tours/minute et égale à 460 mPa.s mesurée à 100 tours/minute.
L'étape de filtration est stoppée lorsque la conductivité électrique du filtrat mesurée à l'aide d'un conductimètre HI 8820N de Hanna Instruments (Portugal) augmente, c'est- à-dire après avoir recueilli 288,5 grammes de filtrat. La teneur en dispersant dans le filtrat est alors quasi-nulle.
La suspension ainsi obtenue est fluide, pompable, transportable par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration.
Elle est également avantageusement utilisée dans le domaine de la peinture.
EXEMPLE 6
Cet exemple illustre l'invention et concerne la filtration d'une suspension aqueuse de kaolin commercialisé par la société Imerys sous le nom de SPS.
Pour ce faire, avec le même mode opératoire et le même matériel que dans l'exemple 1, on met en œuvre d'une part 229,1 grammes de la suspension aqueuse de kaolin dont la concentration en matière sèche est égale à 23,9 % et d'autre part 0,2 % en poids sec, par rapport au poids sec de kaolin, d'un polyacrylate de sodium de poids moléculaire en poids égal à 4 500 g/mole, pour obtenir directement une suspension aqueuse de kaolin dont la concentration en matière sèche est égale à 68,0 %, et dont la viscosité Brookfield™ est égale à 1 590 mPa.s mesurée à 10 tours/minute et égale à 655 mPa.s mesurée à 100 tours/minute.
L'étape de filtration est stoppée lorsque la conductivité électrique du filtrat mesurée à l'aide d'un conductimètre HI 8820N de Hanna Instruments (Portugal) augmente, c'est- à-dire après avoir recueilli 167,7 grammes de filtrat. La teneur en dispersant dans le filtrat est alors quasi-nulle.
La suspension ainsi obtenue est fluide, pompable et transportable par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration.
EXEMPLE 7
Cet exemple illustre l'invention et concerne la filtration d'une suspension aqueuse d'hydroxyde d'aluminium commercialisé par la société Martinswerk sous le nom de OL 104.
Pour ce faire, avec le même mode opératoire et le même matériel que dans l'exemple 1, on met en œuvre d'une part 201,0 grammes de la suspension aqueuse d' hydroxyde d'aluminium dont la concentration en matière sèche est égale à 25,3 % et d'autre part 0,25 % en poids sec, par rapport au poids sec d'hydroxyde d'aluminium, d'un copolymère de poids moléculaire en poids égal à 3 500 g/mole et composé d'acide acrylique et de méthacrylate de méthoxy-polyéthylène glycol de poids moléculaire 2 000 totalement neutralisé à la soude, pour obtenir directement une suspension aqueuse d'hydroxyde d'aluminium dont la concentration en matière sèche est égale à 71,8 %, et dont la viscosité Brookfield™ est égale à 230 mPa.s mesurée à 10 tours/minute et égale à 230 mPa.s mesurée à 100 tours/minute.
L'étape de filtration est stoppée lorsque la conductivité électrique du filtrat mesurée à l'aide d'un conductimètre HI 8820N de Hanna Instruments (Portugal) augmente, c'est- à-dire après avoir recueilli 144,2 grammes de filtrat. La teneur en dispersant dans le filtrat est alors quasi-nulle.
La suspension ainsi obtenue est fluide, pompable et transportable par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration.
EXEMPLE 8
Cet exemple concerne l'utilisation d'une suspension aqueuse de charge minérale selon l'invention dans le domaine papetier, et plus particulièrement concerne la mesure des propriétés optiques de la suspension de l'exemple 4 obtenue selon l'invention et plus particulièrement la détermination de la valeur de la capacité de diffusion de la lumière visible de la suspension aqueuse de l'exemple 4 ainsi que des valeurs de brillance intrinsèque du pigment obtenu par filtration.
Cette capacité de diffusion de la lumière visible est exprimée par un coefficient de diffusion de la lumière S qui est le coefficient de Kubelka-Munk de diffusion de la lumière, déterminé par la méthode bien connue de l'homme du métier décrite dans les publications de Kubelka et Munk (Zeitschrift fur Technische Physik 12,539, (1931)), de Kubelka (J. Optical Soc. Am. 38(5),448, (1948) et J. Optical Soc. Am. 44(4),330,(1954)).
Pour ce faire, on dispose alors d'une feuille de papier synthétique vendu par la société Arjo Wiggins Teape sous le nom Synteape.
Avant d'être couchée à l'aide d'une coucheuse de type Hand Coater modèle K.C202, cette feuille de papier de dimension 26 cm x 18 cm et d'un poids spécifique de 60 à 65 g/m2 est pesée puis soumise à un rayonnement lumineux de longueur d'onde égale à 457 nm sur une plaque noire au moyen d'un spectrophotomètre Elrepho™ 3000 de
Datacolor (Suisse) pour déterminer le facteur de réflectance RD du papier non couché sur fond noir. La suspension à tester, formulée avec un liant (12 parts de liant styrène-acrylique (Acronal™ S360D) pour 100 g sec de charge minérale à tester) est alors appliquée sur cette feuille de papier pré-pesée à l'aide d'une coucheuse de type Hand Coater modèle KC202.
La feuille de papier ainsi couchée à différents poids de couche compris entre 5 et 50 g/m2 est alors soumise à un rayonnement lumineux de longueur d'onde égale à 457 nm au moyen d'un spectrophotomètre Elrepho™ 3000 de Datacolor (Suisse) sur plaque noire pour déterminer le facteur de réflectance du papier sur fond noir Ro et sur une pile d'au moins 10 feuilles de papier non couchée pour déterminer le facteur de réflectance des papiers couchés sur fond blanc Ri, r étant le facteur de réflectance de la pile de feuilles de papier non couché.
On détermine alors le facteur de réflectance Rsc de la couche seule, sur fond noir, par la formule :
Rι.Rb-Ro.r
Rsc = (1)
Figure imgf000017_0001
ainsi que la transmission Tsc de la couche
Figure imgf000017_0002
T J- sc l = (2)
Rb
De ces deux quantités, il est possible de calculer une valeur théorique de réflectance » pour une couche d'épaisseur infinie donnée par la formule :
l-Tsc 2-+L.Rr.So 2 11+j R>
= (3)
Figure imgf000017_0003
Ainsi, de cette formule le coefficient de diffusion de la lumière S du pigment étudié peut être calculé pour chaque poids de couche sachant que, pour un poids de couche P,
1 (1-a Rse)
S.P. ≈ — coth "1 b b Rsc
où a = 0,5 ( !_ + R.) R.
et b = 0,5 ( 1 - RJ
Figure imgf000018_0001
Ce coefficient de diffusion de la lumière S est tracé en fonction du poids de couche et la valeur S pour un poids de couche égal à 20 g/m2 est déterminée par interpolation.
Dans le cas présent la valeur S obtenue est égale à 157 m2/g et est tout à fait comparable aux valeurs obtenues pour des suspensions de carbonate de calcium de l'art antérieur obtenues selon les moyens classiques de concentration thermique.
De plus, on détermine la brillance 75 °C TAPPI de la feuille de papier précédemment couchée avant calandrage par passage du papier couché dans le brillancemètre de laboratoire Lehmann™. On obtient alors pour le papier couché à l'aide de la sauce de couchage contenant la suspension aqueuse de carbonate de calcium de l'exemple 4 une brillance 75°C TAPPI égale à 63,5.
Le papier couché est également calandre à l'aide d'une supercalandreuse à 9 zones de contact entre les deux rouleaux, commercialisée par Kleinewefers.
La brillance 75 °C TAPPI est alors égale à 69,3.

Claims

REVENDICATIONS
- Procédé de préparation de suspensions aqueuses de matières minérales fluides, pompables et transportables par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration, éventuellement suivie d'une compression, avec de faibles quantités de dispersant mis en œuvre et permettant le contrôle des quantités de dispersant présent dans le filtrat caractérisé en ce qu'il comporte une filtration en deux étapes distinctes éventuellement suivie d'une compression.
- Procédé de préparation de suspensions aqueuses de matières minérales selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux étapes distinctes de la filtration sont constituées d'une première étape où il se forme une pré-couche ne mettant en œuvre aucun agent dispersant suivie d'une deuxième étape continue à la première en présence d'un ou plusieurs agents dispersants, au cours de laquelle l'eau de la pré-couche est remplacée par l'eau de la deuxième étape de filtration contenant un ou plusieurs agents dispersants.
- Procédé de préparation de suspensions aqueuses de matières minérales selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la quantité d'agent dispersant utilisé dans la deuxième étape est comprise entre 0,01 % et 10 %, préférentiellement entre 0,1 % et 2 % en poids sec de dispersant par rapport au poids sec de matière minérale à filtrer.
- Procédé de préparation de suspensions aqueuses de matières minérales selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la quantité d'agent dispersant présent dans le filtrat est contrôlée et limitée par une mesure en continu de la conductivité électrique du filtrat et en ce que l'étape de filtration est stoppée dès l'instant où la conductivité électrique du filtrat augmente.
Procédé de préparation de suspensions aqueuses de matières minérales selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la matière minérale est choisie parmi le carbonate de calcium naturel telles que les différentes craies, calcites, marbres ou encore choisie parmi les carbonates de calcium synthétiques tels que les carbonates de calcium précipités à différents stades de cristallisation ou bien encore parmi les carbonates mixtes de magnésium et de calcium tels que les dolomies ou encore parmi le carbonate de magnésium, le carbonate de zinc, la chaux, la magnésie, le sulfate de baryum tel que la baryte, le sulfate de calcium, la silice, les silico-magnésiens tels que le talc, la wollastonite, les argiles et les silico- alumineux tels que les kaolins, le mica, les oxydes ou hydroxydes de métaux ou d'alcalino-terreux tels que l'hydroxyde de magnésium, les oxydes de fer, l'oxyde de zinc, l'oxyde de titane, les dioxydes de titane sous ses formes anatase ou rutile, et leurs mélanges, et préférentiellement choisie parmi le carbonate de calcium naturel, le carbonate de calcium synthétique encore appelé carbonate de calcium précipité, le dioxyde de titane sous ses formes anatase ou rutile, le kaolin, l'hydroxyde d'aluminium, les argiles ou leurs mélanges.
- Suspension aqueuse de matières minérales fluide, pompable et transportable par l'utilisateur final immédiatement après l'étape de filtration, éventuellement suivie d'une compression, caractérisée en ce qu'elle contient 0,01 % à 10 %, préférentiellement 0,1 % à 2 % en poids sec de dispersant par rapport au poids sec de matière minérale à filtrer, et en ce qu'elle est obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
- Suspension aqueuse de matières minérales selon la revendication 6, caractérisée en ce que la matière minérale est choisie parmi le carbonate de calcium naturel telles que les différentes craies, calcites, marbres ou encore choisie parmi les carbonates de calcium synthétiques tels que les carbonates de calcium précipités à différents stades de cristallisation ou bien encore parmi les carbonates mixtes de magnésium et de calcium tels que les dolomies ou encore parmi le carbonate de magnésium, le carbonate de zinc, la chaux, la magnésie, le sulfate de baryum tel que la baryte, le sulfate de calcium, la silice, les silico-magnésiens tels que le talc, la wollastonite, les argiles et autres silico-alumineux tels que les kaolins, le mica, les oxydes ou hydroxydes de métaux ou d'alcalino-terreux tels que l'hydroxyde de magnésium, les oxydes de fer, l'oxyde de zinc, l'oxyde de titane, les dioxydes de titane sous ses formes anatase ou rutile, et leurs mélanges comme les mélanges de talc et de carbonate de calcium. - Utilisation de la suspension aqueuse selon l'une des revendications 6 ou 7 dans les domaines du papier, de la peinture, du traitement des eaux comme le domaine des boues d'épuration, de la détergence, de la céramique, des ciments ou des liants hydrauliques, des travaux publics, des encres et des vernis, de l'encollage des textiles et plus particulièrement dans le domaine du papier, de la céramique, de la peinture et du traitement des eaux.
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