Brevet FR2338745A1 — publié le 19770819

La présente invention concerne un procédé de purification de minéraux, notamment de sable quartzeux permettant d'éliminer la gangue entourant les grains de sable et donner un minéral final (sable) de grande pureté. On désigne sous le nom de sable tout sédiment meuble composé de grains jointifs mais libres dont la taille est comprise entre deux millimètres et quelques dizaines de microns. On sait que les sables quartzeux sont de grande utilité, par exemple dans l'industrie de la verrerie ; les impératifs de pureté devenant de plus en plus contraignants et ltexploitation des gisements moins purs se révélant nécessaires, il est devenu indispensable de séparer la gangue superficielle entourant chaque grain de sable du noyau du grain afin d'obtenir de la silice pure à quelques ppm d'impureté. On sait qu'il existe des procédés chimiques d'élimination de la gangue tels que les traitements au pyrophosphate : ces traitements chimiques ont le désavantage d'être couteux et d'introduire dans le sable les impuretés chimiques qui peuvent être contenues dans les matières chimiques introduites pour la purification, De plus, ces procédés de type chimique ne sont pas facilement mis en oeuvre en continu. Le procédé selon l'invention, de caractère purement physique, permet de pallier aux inconvénients des procédés chimiques de l'art antérieur, et de réaliser une purification des sables efficace et réalisable en continu Le procédé selon lrinvention et le dispositif qui sty attache consiste essentiellement à soumettre un mélange de sable et d'eau à l'irradiation par ondes ultra-sonores, ce qui fait que le sable (ou le minéral) propre se décante par gravité dans une enceinte alimentée en sable-et en eau en continu ; l'eau impure résultant de la séparation des impuretés détachées des grains (gangue) étant récupérée au sommet de l'enceinte où s'effectue la purification par sparation. L'explication physique du procédé selon l'invention n'est pas encore complètement élucidée. Il apparaît toutefois que le procédé fonctionne de façon plus satisfaisante lorsque les faisceaux ultre-sonores sont d'intensité suffisante, par 2 exemple de l'ordre de quelques watts par cm , intensité supérieure au seuil de cavitation dans le mélange sable-eau. Le seuil de cavitation dépend fortement de la densité du mélange sable-eau, Dans l'eau pure il est de l'ordre de 0,35 watts/cm2 (puissance dans le faisceau d'ondes ultra-sonores telles que les bulles de cavitation apparaissent). De plus, il est souhaitable que les faisceaux ultra-sonores n'interfèrent pas, c'est- -dire que leur disposition géométrique soit telle que les rayons émis par chaque transducteur ne viennent pas irradier des volumes déjà irradiés par des transducteurs voisins. Il est enfin souhaitable que les ondes émises par des transducteurs ultrasonores ne soient pas renvoyées vers ces transducteurs par les parois de l'enceinte, où par toutes les interfaces telles que l'interface air-eau au sommet de l'enceinte où est située la surface libre du mélange sable-eau. Dans le cas où des ondes ultra-sonores reviennent vers le récepteur, la puissance envoyée par ces transducteurs dans le mélange air-eau diminue notablement ce qui nuit à l'efficacité du procédé selon l'invention. Il est avantageux que chaque élément de volume du mélange air-eau soit, simultanément ou à tour de rôle, irradié par les faisceaux d'ondes ultra-sonores. Dans le cas où les faisceaux d'ondes ultra-sonores sont relativement directifs, par exemple dans le cas de transducteurs plan de diamètre notable (de l'ordre du cm), il est convenable d'animer le ou les transducteurs d'un mouvement de rotation de façon à ce que le faisceau d'ondes ultra-sonores balaye tout le volume du mélange sable-eau à purifier, Ceci évite le phénomène de "soufflage" des grains de sable par le faisceau d'ondes ultra-sonores, les grains de sable étant éliminés par la pression de radiation accoustique hors du faisceau avant que d'être traités (séparation de la gangue alors peu efficace). De plus, il s'est avéré qu'il était favorable de dégazer l'eau soit avant son introduction dans l'enceinte soit lorsqu'elle est introduite dans l'enceinte, le procédé de cavitation étant perturbé par la présence de gaz dans l'eau : les bulles gazeuses provenant des gaz dissous dans l'eau sont créés par le faisceau d'ultra-sons et absorbent, sans grand profit en ce qui concerne la purification du sable, une partie de l'énergie émise par le faisceau d'ondes ultra-sonores : les bulles ainsi créées sont beaucoup moins efficaces que celles créées par "ébullition cavitationnelle". D'autres caractéristiques et avantages de l1invention apparaltrOnt mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, un exemple de réalisation du dispositif de purification de sable selon l'invention, - sur la figure 2, une variante de transducteur ultra-sonore utilisé pour envoyer un faisceau d'ondes ultrasonores dans le mélange sable-eau, - sur la figure 3, une variante de réalisation selon laquelle les transducteurs sont situés sur un carter mobile en rotation sur le pourtour de l'enceinte, Sur la figure 1, on a représenté un mode de réalisation avantageux de l'invention comportant une enceinte E composée de deux parties : une partie basse 10 remplie d'un mélange sable-eau et une partie supérieure 14 où l'atmosphère gazeuxe (R) située en-dessus de la surface libre 16 du mélange eau-sable est pompée par l'intermédiaire de la pompe 20. L'eau est envoyée dans des canalisation telles que 2 par l'intermédiaire de la pompe 6. Le ou les canalisations telles que 2 sont percées d'ouvertures telles que 4, sur le côté ou sur la partie basse de la canalisation 2 pour éviter qu'elles ne soient obstruées par du sable, ces ouvertures laissant passer l'eau qui est alors animée d'unmouve ment ascendant tel que représenté par la flèche 5. Le sable est envoyé par l'intermédiaire de la trémie 8 et de ia canalisation 9 (ou par un système de pompage de la pulpe sableuse) débouchant dans la partie basse 10 de 1 'enceinte E.L'eau est éliminée à ltextremité supérieure de la partie 10 de l'enceinte E par une gouttière 27 remplie par déversement l'eau est pompée de la gouttière par la pompe 28. La tête plongeante 12 comportant 4 transducteurs 30, 32, 34 et 36 émettant des rayonnements ultra-sonores tels que schématisés par la flèche 22, est animée d'un mouvement tournant par l'intermédiaire du moteur M entraînant un pignon 38 denté engrenant sur une roue dentée 40. La tête plongeante 12 comprenant les différents transducteurs tourne autour d'un axe Z-Z' sensiblement confondu avec l'axe de l'enceinte E. L'alimentation électrique des transducteurs est réalisée par l'intermédiaire de l'alimentation A, d'un contact tournant 42, et des fils électriques 45 et 47 isolés par rapport à l'eau contenue dans l'enceinte E dans sa partie basse 10. Le sable, après avoir été soumis aux radiations ultra-sonores émises par les transducteurs 30, 32, 34 et 36 est évacué par la canalisation 26 située au vas de l'enceinte E. La fréquence d'excitation des transducteurs ultrasonores tels que 30, 32, 34 et 36 est par exemple de l'ordre d'une vingtaine de kilohertz, les essais à 25 KHz s'étant révélés concluants. Le diamètre de l'enceinte E est de l'ordre du mètre ce qui correspond à la longueur d'atténuation moyenne des ultra-sons dans le mélange sable-eau. Le mélange eau-sable a été réalisé en envoyant dans l'enceinte E, l kg de sable pour environ 2 litres d'eau, ce qui permet d'obtenir grâce au jet d'eau ascendant envoyé par les orifices 4 des canalisations 2 une émulsion relativement uniforme. Les transducteurs 30, 32, 34 et 36 sont suffisamment espacés pour éviter les interférences d'ondes dans l'enceinte E. Le diamètre des transducteurs est de quelques centimètre5 (de 2 à 20 cm). Le sable introduit par la canalisation 9 a été préalablement lavé par passage dans de l'eau, ce qui fait que le plus gros des impuretés a été éliminé préalablement. I1 n'empêche que l'eau claire envoyée par les trous 4 de ou des canalisations 2, se transforme en une eau jaunâtre et trouble recueillie dans la gouttière 27 associée à la pompe 28 ce qui prouve l'efficacité du dispositif représenté, le sable recueilli dans la canalisation 26 étant d'une grande pureté. Alors qu'une seule rangée de transducteurs a été représentée sur la tête plongeante 12, il va de soi que plusieurs rangées verticales peuvent être utilisées. De méme peut être utilisé un transducteur cylindrique 40 représenté sur la figure 2. Ce transducteur 40 a la forme d'une couronne cylindrique, les parties internes et externes de cette couronne étant excitées par l'intermédiaire des fils d'alimentation électriques 42 et 44 isolés du mélange sable-eau par le conduit 46. L'extrémité inférieure du transducteur est rendue étanche par le bouchon 48 en matière relativement élastique.Dans ces deux cas, la disposition des transducteurs fait que le faisceau émis soit par la tête plongeante 12 soit par le transducteur cylindrique 40, est constituée par des rayons sensiblement horizontaux, ce qui fait qu'on observe peu d'interférences dues à la réflexion des ondes ultra-sonores sur la surface libre du liquide et sur les différentes parois de l'enceinte E. Sur la figure 3, on a représenté une variante de réalisation du dispositif selon llinvention, le dispositif comprenant une enceinte E munie des mêmes accessoires que ceux représentés sur la figure 1 à la différence près que les différents transducteurs tels que 50, 52, 54 et 56 sont disposés sur une hélice pivotante 60 autour des axes 62 et 64 pour tourner comme indiqué sur la flèche 66. Ces transducteurs sont excités par une alimentation isolée non représentée sur la figure. Ces transducteurs étagés en hauteur selon l'axe z'z et situés sur une demie hélice en azimut sont tels que le mélange sable-eau est irradié uniformément par le faisceaux ultra-sonores issus de ces transducteurs. Le reste du dispositif est tel que représenté sur la figure 1. I1 va de soi que de nombreux dispositifs d'introduction de cette récupération du même sable d'injection de l'eau et de récupération des eaux usées ainsi que de mise en rotation des transducteurs peuvent être réalisés sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de purification de minéraux à L'état granulaire, et notamment de sables quartzeux, contenant des impuretés entourant les grains de sable, caractérisé en ce qu'on soumet un mélange de sable et d'eau à une irradiation par ondes ultra-sonores et en ce qu'on sépare par décantation le sable propre après irradiation de l'eau impure résultant de la séparation des impuretés détachées des grains par ladite irradiation, 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on envoie en continu une charge de sable à purifier dans une enceinte et en ce que l'eau du mélange est envoyée en continu dans ladite enceinte, l'eau du mélange étant dégazée. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on dégaze l'eau en pompant le volume gazeux situé entre la surface libre supérieure du mélange sable-eau et l'extrémité supérieure fermée de l'enceinte. 4, Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on dégaze l'eau avant son introduction dans l'enceinte. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le transducteur ultra-sonore utilisé pour irradier le mélange eau-sable est animé d'un mouvement de rotation par rapport au mélange. 6. Dispositif de purification de minéraux à l'état de poudre et notamment de sable quartzeux contenant des impu retés entourant les grains, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte fermée, des organes d'alimentation en sable et en eau de l'intérieur de ladite enceinte, un ensemble de transducteurs alimenté par une source de puissance, lesdits transducteurs envoyant des ondes ultra-sonores dans le mélange sable-eau de l'enceinte, un organe de pompage réalisant un vide partiel dont le volume compris entre la surface libre supérieure du mélange sable-eau de l'enceinte et l'extrémité supérieure de cette enceinte, et un organe d'élimination du sable propre décanté en bas de l'enceinte. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que organe d'alimentation en eau comprend des canalisations circulaires disposées en bas de l'enceinte, mis sous pression par une pompe à eau, le courant d'eau ascendant s'échappant desdites canalisations étant éliminées par pompage ou déversement en haut de l'enceinte. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le ou les transducteurs sont disposés au voisinage de l'axe de l'enceinte, immergés dans le mélange sable-eau, la direction moyenne du ou des faisceaux émis par les transducteurs étant sensiblement horizontale. 9. Dispositif selon 1 'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les transducteurs isolés mécaniquement de 1 'enceinte sont disposés selon une portion d'hélice mobile en rotation par rapport à l'enceinte, l'axe de rotation étant sensiblement confondu avec l'axe de l'enceinte. 10, Dispositif selon 1 'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le transducteur émetteur est constitué par au moins une couronne cylindrique verticale sensiblement de même axe que l'enceinte. 11, Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 10, caractérisé en ce que la puissance émise par 2 les transducteurs ultra-sonores est de l'ordre du watt/cm2, cette puissance étant supérieure au seuil de cavitation dans le mélange sable-eau contenu-dans l'enceinte.