Brevet FR2341522A1 — publié le 19770916

La présente invention concerne un procédé de fabrication de feldspatholdes synthétiques. Les feldspathoides naturels sont des silico-aluminates cristallisés, de structure tri-dimensionnelle, occasionnée par l'agencement des tétraèdes SiO4 et A104, la tétracoordinence du cation Aluminium étant + + assurée par la présence de cations supplémentaires tels que Na , K , Li+, NH4+ Ca2+. On sait fabriquer des feldspathoides synthétiques en utilisant la réaction entre des matériaux silico-alumineux et des hydroxydes métalliques. On peut, par exemple, citer les synthèses de corps comme : la sodalite, la noséane, la cancrinite, Ithydrosolalite, ainsi que toute une classe de produits doués de structure particulière comme les zéolithes ou tamis moléculaires. On trouvera, par exemple, dans ltouvrage de D.W. Breck "Zeolite Molecular Sieves", J. Wiley and Sons, U.S.A. 1974 - certains types de synthèses de zéolithes synthétiques, que l'on peut considérer comme une classe particulière de feldspathoides synthétiques. Un des matériaux de base préférés pour la synthèse de ces feldspathoides est le kaolin, constituant principal des matériaux argileux. La kaolinite, de formule générale Si205A12 (OH)4 est ce que lton peut appeler une macromolécule bidimensionnelle constituée par une couche dtatomes de silicium en coordination tétraédrique avec des atomes d'oxygène reliés à une couche d'atomes d'aluminium en coordination octaédrique. Sous l'action d'éléments minéralisateurs, comme les cations Na , K , Li + Ca 2+ NH4 , , on observe un changement de coordinence de l'atome d'aluminium qui, dthexacoordonné, devient tétracoordonné. Cette transformation s'effectue en solution très concentrée dthydroxyde métallique. Ainsi, avec de l'hydro- xyde de sodium NaOH, on obtient de l'hydrosodalite ou hydroxy-sodalite HS. Si, au lieu de kaolinite naturelle bien cristallisée, on utilise une forme activée de celle-ci, comme on peut le lire dans l'ouvrage de D.W. Brecq ou dans les brevets US 3.119.660 et 3.119.659, la réaction avec l'hydroxyde de sodium conduit à un corps nouveau, une zéolithe synthétique connue sous le nom de zéolithe A ou Linde A. Les zéolithes ont une structure caractérisée par un agencement particulier de la cage hydrosodalite ou cages , avec formation de cavités ou caget L'activation du Kaolin est obtenue par un traitement thermique à des températures comprises entre 500 et 900 C et le produit ainsi activé est amorphe aux rayons X et, est appelé soit métakaolin, métakaolinite, kaolin déshydraté ou kaolin déshydroxilé. Ces transformations du kaolin activé en feldspathoide du type zéolithe A s'effectuent ordinairement dans des solutions concentrées d'hydroxyde de sodium, la concentration molaire des solutions H20/Na20 variant entre 10 et 100 pour un rapport molaire Na20/SiO2 de 0,5 à 1,5. Ordinairement, des granules de kaolin activé, prédensifié sont mises à "digérer" pendant plusieurs heures dans ces solutions concentrées à température ordinaire, puis à cristalliser également pendant plusieurs heures à des températures comprises habituellement entre 60 et 100 C. L'objet de l'invention est un procédé de fabrication de feldspatholdes, du type zéolithe, évitant l'utilisation de ces phases de digestion et de cristallisation en solution, c'est-à-dire une synthèse directement en phase solide. Une autre caractéristique de l'invention est la grande vitesse de réaction, c'est-à-dire le temps très court de fabrication permettant d'utiliser le procédé selon l'invention, non seulement dans la fabrication de feldspathoides synthétiques, ayant des caractéristiques comparables à celles des zéolithes synthétiques obtenues selon les techniques de digestion et de cristallisation, mais aussi la fabrication de produits utilisant les propriétés agglomérantes de ces feldspatholdes synthétiques. On sait déjà fabriquer, en phase solide, certains feldspathoides synthétiques à partir de matériaux argileux, comme on peut le voir dans le brevet franchis No. 74 00938, où il est fait mention de la synthèse très rapide dthydrosodalite à partir du kaolin. Dans ces conditions expérimentales, le produit final de synthèse est toujours l'hydrosodalite. Le mélange initial des matériaux argileux,à base de kaolin et d'hydroxyde de sodium en solution concentrée, peut être utilisé soit immédiatement, soit au bout de plusieurs heures, voire plusieurs jours. Dans ces mêmes conditions expérimentales de mélange et de fabrication sous presse chauffante, l'utilisation expérimentale du kaolin activé thermiquement, telle que définie précédemment, présente des difficultés qui se traduisent par la non-formation d'un produit solide et cohérent lors de la fabrication dans la presse chauffante. Ces difficultés semblent être liées à un échauffement du mélange signalé déjà dans le brevet US 3.119.659. La déshydroxylation du kaolin étant fortement endothermique, le kaolin activé qui en résulte est métastable en présence d'eaux En particulier, en présence d'eau et d'hydroxyde de sodium, c'est-à-dire d'ions OH , on constate une réaction spontanée, de caractère exothermique, qui pourrait être interprétée comme une réhydratation. Les produits de la réaction semblent fortement désactivés et ne sont même plus aussi réactifs que le mélange kaolin naturel + hydroxyde de sodium. Or, la demanderesse a trouvé qutil était possible de maîtriser cette réaction de réhydratation de telle sorte que le produit obtenu dans la presse chauffante soit un composé solide, c'est-à-dire un feldspathoide synthétique associé éventuellement à des composés de caractère plus ou moins zéolithique. Les exemples qui suivent permettent de mieux comprendre l'invention Exemple No. 1 : A 10 parties en poids de kaolin activé, on ajoute 2,5 parties en poids de NaOH en poudre et 5 parties en poids d'eau. Le mélange s'accompagne d'un échauffement allant jusqu'à 70-800G et ce mélange qui est une poudre semi-sèche est introduit dans une presse chauffante à 1600C, sous 25kg/cm2 de pression, pendant 10 minutes dans les conditions expérimentales telles que précisées dans les brevets français No. 74 00938 et 75 17337. Le produit obtenu est blanc, très fragile, peu aggloméra, de densité l,l. Il se délite dans l'eau, le pH superficiel étant de 12,5 à 13. Exemple No. 2 A 10 parties en poids de kaolin activé, on ajoute 7 parties en poids d'une solution concentrée de NaOH contenant 50 grammes de NaOH pour 50 grammes d'eau. Ce mélange qui est une poudre semi-sèche est placé immédiatement dans la presse chauffante à 1600C, sous 20kg/cm de pression, et pendant 10 minutes. Le produit obtenu est dur, d'une dureté supérieure à 4 dans l'échelle de Mohs, il reste dur et stable dans liteau, le pH superficiel étant de 9 à 9,5. Exemple No. 3 : Le mélange de l'exemple 2 est laissé au repos à température ambiante à 200G, dans un sac étanche. Au bout d'une heure à une heure quinze, la température du mélange atteint brusquement et dépasse 1000C avec évaporation et ébullition d'une partie notable de liteau. On constate donc la présence d'une réaction exothermique très importance. Ce mélange ayant subi cette réaction exothermique, est ensuite placé dans la presse, dans les mêmes conditions que l'exemple 1 et 2e Le produit-obtenu est tendre, léger, de densité 1, se délite à liteau, a un pH superficiel compris entre 12 et 13 et, est donc comparable au produit obtenu dans exemple l. Dans les exemples 1 et 3, il y a eu échauffement du mélange réactionnel avant son incorporation dans la presse, les produits obtenus sont tendres, ont un pH très élevé de l'ordre de 12 à 13, indiquant la non formation de feldspathoides. On obtiendrait pluton des produits complexes et de faible stabilité. Le produit de l'exemple 2 a été caractérisé aux rayons X, les raies observées indiquent la formation d'hydrosodalite et de zéolithe A. La synthèse de ces feldspathoides, hydrosodalites et zéolithes A bien agglomérés, a donc été possible, uniquement lorsque la réaction exothermique et/ou l'échauffement du mélange réactionnel ne se sont pas produits avant l'introduction sous la presse chauffante. En fait, cette réaction exothermique se développe dans les conditions de l'exemple 2 dans la presse et elle est facilement observable par l'élévation de température des plateaux chauffants. Dans des conditions adiabatiques (presse isolée thermiquement), la température observée dans le mélange réactionnel comprimé, soumis à la réaction exothermique, est au moins égale à celle mise en évidence dans l'exemple 3, c'est-à-dire dépasse 100 C. Le procédé selon l'invention consiste donc en un procédé de fabrication de feldspathoïdes synthétiques, parrréaction entre un kaolin activé thermiquement et une solution concentrée d'hydroxyde métallique caractérisée en ce que le mélange réactionnel ayant été préparé dans des conditions empêchant son échauffement, le dit mélange réactionnel est comprimé mécaniquement et que cette compression est maintenue pendant le déclenchement et toute la durée de la réaction exothermique, amenant le mélange réactionnel comprimé à une température au moins égale à lOO C. La réalisation des conditions adiabatiques présente des difficultés, ainsi que ltinconvénient de la non maîtrise du déclenchement de la réaction en chaîne exothermique et donc de la durée du cycle de fabrication. On préfère donc, selon l'invention, porter le mélange réactionnel comprimé à une température telle que l'inertie thermique du matériel de pressage n'empêche pas la température du mélange d'atteindre la température d'équilibre observée pendant le développement de la réaction exothermique. Cette température d'équilibre est normalement égale à la température d'ébullition de la solution d'hydroxyde métallique. Les conditions expérimentales ont montré qu'il était nécessaire que cette température de la presse chauffante, dite température d'initiation de la réaction exothermique,soit au moins égale à 50 C. La vitesse de déclenchement de la réaction exothermique sera fonction de cette température d'initiation. Pour des températures de l'ordre de 1200C, cette vitesse d'initiation est de l'ordre de la minute. On retrouve, approximativement, les conditions adiabatiques lorsqu'il s'agit de mettre en oeuvre des produits épais constitués de matériaux ou d'agrégats isolants. On constate que, dans ce cas, la réaction exothermique commençant au contact des plateaux chauffants de presse se développe très rapidement dans toute la masse. L'exemple suivant illustre cette propriété. Exemple 4 : On mélange 3,5 litres de granulats légers en verre expansé de densité 160kg/m3 avec 700 grammes du mélange réactionnel de l'exemple 2. Ltagglomérat est placé dans un moule de 15 x 15 x 12cm, puis dans une presse chauffante à 1500C - ce matériau est extrêmement léger et isolant. On mesure pendant la cuisson la température au centre du gateau, soit à 6cm de la surface de chauffe - on effectue en parallèle un mélange similaire, mais dont la réaction de durcissement n'est pas exothermique et l'on mesure la température au centre du gâteau, Les résultats sont regroupés dans le tableau suivant :: temps 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 35 40 45 mn température mélange 7 14 22 80 100 100 100 100 SORTIE DE PRESSE réactionnel mélange | 7 8 9 10 11 16 23 34 50 69 85 92 95 témoin La mesure étant faite avec un thermomètre ordinaire, la température observée correspond à 1000C, ctest-à-dire à la température de la vapeur dteau condensant à la pression atmosphérique, la température réelle à l'intérieur du gâteau étant supérieure à cette valeur, Le feldspathoide réalisé à partir du mélange réactionnel de exemple 2 a servi à agglomérer les agrégats légers. Un autre objet de l'invention consiste donc en un procédé d'agglomération d'éléments d'épaisseur très importante pour lesquels, entre autre, la réaction exothermique permet un cycle très court de fabrication. On peut aussi ajouter au mélange réactionnel différentes charges, telles que produits organiques et/ou minéraux, les produits obtenus ayant certaines caractéristiques propres aux feldspathoides synthétiques ainsi réalisés, comme, par exemple, une excellente tenue aux hautes températures. On peut aussi introduire dans le mélange réactionnel des particules organiques, comme des copeaux de bois, et autres éléments fibreux et/ou des particules minérales comme des agrégats légers : verre expansé, argile expansée. Ces charges peuvent être, également, des éléments minéraux pulvérulents, en particulier, ces charges peuvent déjà se trouver dans le matériau kaolinique de départ, préalablement à l'activation thermique. Lorsqu'il s'agira de synthétiser des feldspathoides pour lesquels on recherche surtout des caractéristiques zéolithiques comparables aux zéolithes synthétiques mentionnées dans l'ouvrage de D.W. Breck - le matériau kaolinique sera du kaolin activé, relativement pur, additionné ou non de charges minérales bien définies. Pour les autres applications, notamment celles permettant l'agglomération de charges ou particules organiques et/ou minérales, le matériau kaolinique pourra être constitué d'une argile kaolinique courante ayant subie l'activation par traitement thermique. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'Art au procédé qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de feldspathoïdes synthétiques par réaction entre un kaolin activé thermiquement et une solution concentrée d'hydroxyde métallique caractérisé en ce que le mélange réactionnel étant sous forme de poudre semi-sèche, le dit mélange réactionnel, ayant été préparé dans des conditions empêchant son échauffement, est comprimé mécaniquement et que cette compression est maintenue pendant le déclenchement et toute la durée de la réaction exothermique, amenant le mélange réactionnel com primé à une température au moins égale à 1000go 2.Procédé de fabrication de feldspathoIdes synthétiques selon la revendica tion 1, caractérisé en ce que pour aecélérer le processus de fabrication, la réaction exothermique est déclenchée en portant le mélange réactionnel comprimé à une température initiale au moins égale à 50oC. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lhydro xyde métallique étant l'hydroxyde de sodium NaOH, on obtient un feldspa thoide hydraté dont les caractéristiques sont comparables à celles d'une zéolithe synthétique de type A. 4. Procédé selon les revendications 1 à 3,caractérisé en ce que, au mélange réactionnel en poudre semi-sèche, on ajoute des charges comme des parti cules organiques et/ou minérales, le feldspathoide synthétique obtenu servant de liant minéral à ces charges organiques et/ou minérales. 50 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la réaction exothermique développée dans le mélange réactionnel permet l'agglomération d'éléments isolants d'épaisseur très importante, en des temps de fabrica tion très courts0 6. Procédé selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la kaolin activé est un matériau argileux provenant d'une argile courante et que ce matériau argileux a subi, au préalable, le traitement thermique d'activationi 7. Tout produits, sous toutes formes, obtenu conformément à l'une quelconque des revendications l à 6.