Brevet FR2287487A1 — publié le 19760507

La présente invention concerne un procédé de préparation de colorants de zirconium par réaction de suspensions aqueuses de silicozirconates de sodium, contenant éventuellement les additifs et/ou minéralisateurs usuels dans la préparation de colorants, avec des acides minéraux, ce qui donne un colorant brut qu'on traite ensuite dans un four à calciner. La réaction du silicozirconate de sodium avec des acides minéraux, par exemple l'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique, conduit à un mélange de sel de sodium, d'oxyde de zirconium ou de sel de zirconium et de silice collotdale, à partirduquelon peut isoler l'oxyde de zirconium ou le sel de zirconium (deuxième fascicule publié de la demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne n" 1.209.932). On peut exploiter cette réaction pour la préparation de colorants de zirconium, comme décrit dans les brevets allemands nO 1.242.500 et nO 1.571.427.Les colorants de zirconium sont utilisés en quantités importantes pour la coloration de glaçures et de masses céramiques et consistent en silicate de zirconium cristallin contenant dans son réseau des additifs chromogènes. Ainsi, par exemple, un composé contenant comme additif chromogène du vanadium constitue un bleu de zirconium, un composé contenant du praséodyme un jaune de zirconium un composé contenant du fer un rose de zirconium et des composés contenant du cobalt, du nickel, du cuivre ou du chrome constituent des gris de zirconium. Dans les procédés mentionnés ci-dessus pour la préparation des colorants de zirconium, on doit faire réagir la suspension de silicozirconate de sodium, à laquelle on a éventuellemeùt ajouté des additifs chromogènes et/ou des minéralisateurs, avec un acide minéral, dans un récipient de réaction ; cette réaction donne un colorant brut qu'on calcine de manière connue en soi à des températures de 700 à 1.200"C dans un four approprié. Dans ces procédés, le mode d'introduction de l'acide dans la suspension aqueuse de silicozirconate de sodium pose des problèmes. Dans les brevets précités, on indique que l'addition d'acide doit etre effectuée aussi rapidement que possible. On recommande l'introduction immergée dans un récipient de mélange aussi petit que possible, sous forte turbulence. Mais le récipient de mélange subit de fortes corrosions et de fortes érosions qui rendent la production sensible à des incidents. La teneur miniale en eau nécessaire pour permettre les manipulations des suspensions de silico zirconite de sodium, teneur minimale qui est relativement forte, provoque également une diminution de qualité. La présente invention vise à remédier aux inconvénients des procédés connus3 à simplifier dans la plus grande mesure possible, en évitant tout inci-cnt, la préparation du colorant brut nécessaire à la préparation du colorant fini. L'invention concerne un procédé de préparation de colorants de zirconium par réaction de suspensions aqueuses de silicozirconate de sodium, contenant éventuellement des additifs chromogènes et/ou des minéralisateurs, avec des acides minéraux, réaction qui donne un colorant brut qu'on calcine ensuite en colorant de zirconium; le procédé se caractérisant en ce que, avant la calcination, on mélange la suspension aqueuse de silicozirconate de sodium et l'acide minéral dans un espace libre et on fait réagir avec formation du colorant brut en chute libre. L'invention concerne également un appareillage pour la préparation des colorants de zirconium, appareillage qui se caractérise en ce qu'il comprend une tuyère de mélange mobile placée à une distance de 10 à 100 cm au-dessus de la plaque de foyer d'un four à anneau rotatif, pour l'alimentation séparée d'une suspension aqueuse de matières solides et d'un acide minéral par des orifices en forme de fentes de largeur 051 a 5 mm, ces orifices étant disposés mutuellement de manière que les liquides qui en sortent, contenant éventuellement des matières solides, se Fénbtrent mutuellement à une distance minimale de 5 mm des orifices. Le procédé selon l'invention se distingue en ce que la suspension contenant le silicozirconate de sodium et éventuellement des additifs chromogènes et/ou des minéralisateurs se mélange avec l'acide minéral dans des conditions telles que le mélange, en cours de réaction et de conversion en colorant brut, n'entre en contact avec aucune paroi de séparation (mélange dans un espace libre). De préférence, on envoie la suspension aqueuse de silicozirconate de sodium avec les additifs correspondants et l'acide minéral par deux conduits séparés dans la zone de calcination d'un four. Dans cette zone, ces deux courants sortent par deux ouvertures en forme de fentes, sous forme de pellicules minces de liquide d'environ 0,1 à 6 mm d'épaisseur.Les orifices de sortie doivent être disposés de manière que les pellicules de liquide se pénètrent à une distance d'environ 5 mm et de préférence de 15 mm des orifices en forme de fentes et réagissent en une durée d'environ 0,1 à 5 secondes, pendant leur chute libre en direction par exemple de la plaque de foyer ;'un four à calciner, avec formation d'un colorant brut consistant en sel de sodium, silice et oxyde de zirconium, comme représenté ci-après, en référence à la réaction de silicozirconate de sodium avec l'acide sulfurique par l'équation I Les proportions relatives en poids entre le silicozirconate de sodium et l'eau peuvent varier d'environ 1:0,7 à 1:10 ; elles sont de préférence de 1:1.Les additifs chromogènes peuvent être ajoutés en proportions de 0,01 à 20Z du poids des matières solides de la suspension. Les additifs contenant du vanadium sont de préférence ajoutés en quantités de 0,1 à 32, les additifs contenant du praséodyme en quantités de 2 à 7%, les additifs contenant du fer en quantités de 2 à 15% et les additifs contenant du cuivre, du nickel, du chrome en quantités de 2 à 109. du poids de la suspension. Si les additifs chromogènes sont solubles dans l'acide minéral utilisé pour la réaction, on peut également les dissoudre dans l'acide. La quantité de minéralisateurs éventuellement ajoutée à la suspension peut varier de I à 5Z du poids du colorant.Parsi les minéralisateurs qui conviennent, on citera les sels minéraux connus à cet effet et de preférence le fluorure de sodium, l'hexafluorosilicate de sodium et le fluorure de calcium. Les acides minéraux qui conviennent sont par exemple l'acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide phosphorique, de préférence l'état concentré. Le plus apprécié est l'acide sulfurique concentré. Le rapport molaire entre l'acide minéral et le silicozirconate de sodium a la préparation du colorant brut peut aller de 1,5:1 a 1:1 ; on utilise de préférence les quantités équi oléculaires. Les additifs sont les substances chromogènes connues pour la préparation des colorants de zirconium et par exemple NH4V03, Pr6011, Feu04.7 H20, Fe203, CoO, N iO, CuO, Cr203 Dans un mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention, le colorant brut est préparé dans la zone de calcination d'un four a anneau rotatif. On décrira ci-après la conception et le mode d'action d'un four i anneau rotatif approprié. Le mélange de substances a calciner est déposé sur la surface chauffée d'un anneau plan horizontal tournant autour de son centre pendant une rotation de l'anneau, la matière est chauffée b la température de formation du produit de calcination recherché, elle est calcinée et évacuée de la surface de l'anneau avant la fin d'une rotation complète de ce dernier. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description donnée ci-apres en référence aux figures des dessins annexés dans lequels - la figure 1 représente en plan un anneau de four, et - les figures 2, 3 et 4 représentent en élévation et en coupe respectivement le long des lignes A-A, B-B et C-C de la figure 1, le four à calciner à anneau rotatif convenant à la mise en oeuvre du procéda selon l'invention. Dans toutes les figures, les numéros de référence représen tent les éléments ci-après 1 est l'anneau rotatif, 2 est la surface de l'anneau, 3 est un régulateur de la vitesse de rotation, 4 représente les brûleurs, 5 représente les parois latérales réfractaires, 6 représente des joints en U remplis de sable, 7 représente un espace intermédiaire de forme annulaire, 8 représente des orifices dans l'espace intermédiaire de forme annulaire, 9 représente des orifices d'évacuation des vapeurs et gaz résiduaires, 10 représente le dispositif d'alimentation des matières premibres, 1l représente un ventilateur ou un tirage de cheminée, 12 représente l'installation d'épuration des gaz résiduaires, 13 représente des orifices pour introduction de gaz, 14 représente un racleur qui sert à évacuer le produit calciné. Plus en détail, la figure 1 représente un anneau horizontal 1 qui peut tourner autour de son centre. La surface supérieure 2 de l'anneau est plane et consiste avantageusement en une matière céramique rçfractaire, de plusieurs centimètres d'épaisseur, isolée thermiquement vers le bas. Le diamètre et la largeur de l'anneau peuvent être choisis à volonté. La vitesse de rotation est réglable par le variateur de vitesse 3. Le chauffage de la surface de l'anneau est réalisé de préférence par le haut, à l'aide d'une série de brûleurs en position fixe 4, par exemple des brûleurs à gaz ou à mazout, ou à l'aide de radiateurs à infrarouge ou à ondes courtes.On peut egalement envisager un chauffage électrique ou à moufle. I1 est recommandé de prolonger la zone fixe des brtleurs par des parois latérales réfractaires 5 vers le bas jusqu'à l'anneau rotatif auquel elles sont reliées par deux joints en U remplis de sable. Entre l'anneau rotatif et la zone des brftleurs il existe donc un espace intermédiaire de forme annulaire 7 qui, à l'exception de quelques orifices 8 vers le haut, vers le bas et vers les cotés, est fermé. Par un ou plusieurs orifices 9, de préférence au-dessus de l'endroit d'alimentation 10, on peut évacuer les vapeurs ou autres gaz, par exemple à l'aide d'un ventilateur ou d'une cheminée Il vers une installation d'épuration des gaz résiduaires 12. Par d'autres orifices qui peuvent étre fermés en totalité ou en partie 13 et qui sont placés sur les cOtés, on peut introduire l'air nécessaire aux réactions consommant de l'oxygène. On peut également introduire d'autres gaz, par exemple de l'azote. Le dispositif d'alimentation des matières premières se trouve dans un orifice des parois latérales fixes ; il en est de même d'un dispositif 14 -de préférence un racleur automatique qui sert à évacuer le produit de la surface de l'anneau. Si l'on veut préparer conformément à l'invention le colorant brut dans la zone de calcination du four à anneau rotatif, il faut d'abord former le colorant brut à partir de la suspension de silicozirconate de sodium contenant éventuellement des additifs et de l'acide minéral, au cours de la chute libre des pellicules de liquide mélangées en direction de la plaque de foyer ; à cet effet, l'acide minéral est de préférence projeté l'aide d'un gicleur hélicoïdal en position mobile b une distance d'environ 10 à 100 cm au-dessus de la plaque de foyer chaude, sous forme de cloche, dans une pellicule annulaire concentrique par rapport au gicleur et qui consiste en la suspension de silicozirconate de sodium.Les dimensions du gicleur sont choisies de manière que la suspension se mélange avec l'acide minéral à une distance d'environ 5 à 10 mm au-dessous des orifices de sortie du gicleur et que la réaction avec formation du colorant brut puisse entre pratiquement complète au cours de la chute libre en direction de la plaque de foyer chaude. Pour ce qui concerne les dimensions de la fente annulaire servant à l'alimentation de la suspension de silicozirconate de sodium, les dimensions ci-après diamètre extérieur de la fente annulaire : 20 mm largueur la fente annulaire : 0,7 sm ont donné satisfactlon par exemple pour un débit de 150 l/h d'une suspension de silicozirconate de sodium à 50X en poids de matières solides. La quantité molaire correspondante d'acide sulfurique concentré (40 litres) peut astre introduite dans la suspension de silicozir conte de sodium, en forse de cloche, 1 l'aide d'un gicleur contenant un corps hélicotdal incorporé. Le mélange se produit à une distance d'environ 10 mm du bord inférieur du gicleur et peut être maintenu sur une distance de 20 à 500 mm dans le cours de la chute libre des composants. .e mouvement de rotation de l'anneau de foyer d'une part, le fait que le gicleur soit en position mobile d'autre part permettent de recouvrir la plaque de foyer d'une couche de colorant brut d'épaisseur uniforme d'environ 10 cm > ce dépôt de produit est suivi de la synthèse du colorant fini par calcination avec une répartition de température optimale sur le four à anneau rotatif chaud. Le procédé et l'appareillage selon l'invention permettent de préparer simplement et économiquement des colorants de zirconium en faisant des économies importantes sur des appareillages motteux, l'énergie et les rendements espace-temps. Un autre avantage du prucédé réside en ce qu'il permet la préparation directe et économique de tous les colorants de zirconium, possédant d'excellentes propriétés, à partir du silicozirconate de sodium, matière première. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois la limiter ; dans ces exemples, les indications de parties et de pourcentages s'entendent en poids sauf indication contraire. On verra également dans ces exemples que les proportions relatives entre l'eau et le silicozirconate de sodium dans la suspension peuvent être réglées de manière que, apres injection de l'acide minéral, le colorant brut soit un corps solide. EXEMPLE 1 (exemple comparatif) Dans un réacteur industriel, on fait réagir une suspension contenant, par mole de silicozirconate de sodium, 37 moles d'H20, 0,0075 mole de NH4V03 et 0,045 mole de Na2SiF6, avec 1,46 mole. de H2S04 par mole de silicozirconate de sodium. On obtient un produit de réaction pâteux. La calcination de ce produit donne un bleu de zirconium possédant les propriétés ci-après (dans tout ce qui suit, les propriétés de couleur sont données dans le systeme CIE). Nuance dans une glaçure semi-opaque à 2% d colorant Réflectance : 53,2 Longueur d'onde de même nuance : 480,7 nm Saturation de coloration : 0,19 La puissance de coloration du produit, qui a été considéré comme étalon, est exprimée par le coefficient arbitraire 100. EXEMPLE 2 On fait réagir en continu dans un four à anneau rotatif une suspension contenant les mêmes matières premières que dans l'exemple 1, mais contenant 13 moles d'H20 par mole de silicozirconate de sodium avec 1,46 mole de H2S04 par mole de silicozirconate de sodium, à l'aide du dispositif de mélange conformément å l'invention ; on obtient un produit de réaction solide dont la calcination, effectuée dans les *0ses conditionr que dans l'exemple 1, donne un bleu de zirconium possédant les propriétés ci-après Nuance dans une glaçure semi-opaque à 2% de colorant Réflectance : 50,1 Longueur d'onde de sêse nuance : 481,7 nm Saturation de coloration : 0,20 Puissance de coloration relative par rapport au produit de l'exemple 1 : 125. EXEMPLE 3 On fait réagir conformément a l'invention une suspension contenant, par mole de silicozirconate de sodium, 13 moles d'eau, 0,0083 mole de Pur6011 et 0,15 mole de NaC11 avec 1,46 mole: de H2S04 par mole de silicozirconate de sodium, en continu, 8 l'aide du dispositif de mélange. On obtient un produit de réaction solide dont la calcination donne un jaune de zirconium possédant les propriétés ci-après Nuance dans une glaçure semi-opaque b 4Z de colorant Réflectance : 73,5 Longueur d'onde de mêe nuance : 574,6 ni Saturation de la coloration : 0,43. EXEMPLE 4 On fait réagir en continu conformément b l'invention, b l'aide du dispositif de mélange, une suspension contenant, par mole de silicozirconate de sodium, 13 moles d'H20, 0,25 mole de FeSO4. 7H20, 0,93 mole de NaF, 0,36 mole de NaCI et 1,15 mole de KN03, avec 1,46 mole. de H2S04 par mole de silicozirconate de sodium ; on obtient un produit de réaction solide dont la calcination donne un rose de zirconium possédant les propriétés ci-après Nuance dans une glaçure semi-opaque 4% de colorant Réflectance : 42,1 Longueur d'onde de même nuance : 606,9 nm Saturation de coloration : 0,20. EXEMPLE 5 On fait réagir en continu conformément à l'invention, à l'aide du dispositif de mélange, une suspension contentant, par mole de silicozirconate de sodium, 13 moles d'eau, 0,047 mole de CoO, 0,045 mole de NiO, 0,065 mole de CuO, 0,0115 mole de Cor2O3, 0,022 mole de Fe203, 0,0465 mole de Na2SiF6, avec 1,46 mole de H2S04 pa- mole de silicozirconate de sodium ; on obtient un produit de réaction solide dont la calcination donne un gris de zirconium possédant les propriétés ci-après Nuance dans une glaçure semi-opaque à 4% de colorant Réflectance : 48,5 Longueur d'onde de même nuance : 583,3 nm. REVENDICATIONS 1 - Procédé de préparation de colorants de zirconium par réaction de suspensions aqueuses de silicozirconate de sodium, contenant éventuellement des additifs chromogènes et/ou des minéralisateurs, avec des acides minéraux, la réaction donnant un colorant brut qu'on calcine ensuite en colorant de zirconium, le procédé se caractérisant en ce que, avant la calcination, on mélange la suspension aqueuse de silicozirconate de sodium et l'acide minéral dans un espace libre et on les fait réagir avec formation du colorant brut au cours de la chute libre. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les proportions relatives en poids entre le silicozirconate de sodium et l'eau sont d'environ 1:0 > 7 à 1:10 et sont de préférence de 1:1. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les additifs chromogènes sont ajoutés en quantités de 0,01 à 20% du poids du silicozirconate de sodium solide. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les minéralisateurs sont ajoutés en quantités de 1 à 5% du poids du colorant. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport molaire entre l'acide minéral et le silicozirconate de sodium est de 1,5:1 à 1:1. 6 - Appareillage pour la préparation de colorants de zirconium, caractérisé en ce qu'il comporte une tuyère de mélange en position mobile à une distance de 10 à 100 cm au-dessus de la plaque de foyer d'un four à anneau rotation, pour l'alimentation séparée d'une suspension aqueuse de matières solides et d'un acide minéral par des orifices en forme de fentes de largeur 0,1 à 5 mm, les orifices en forme de fentes étant disposés mutuellement de manière que les liquides qui en sortent et qui contiennent éventuellement des matières solides se pénètrent mutuellement à une distance minimale de 5 mm des orifices.