Brevet FR2484389A1 — publié le 19811218

La présente invention se rapporte aux procédés d'obtention de sorbants carbonés et a notamment pour objet un procédé d'obtention d'échangeurs d'ions carbonés. Les échangeurs d'ions précités sont largement utilisés, notamment pour l'épuration des agents chimiques, lors de la préparation de substances d'une pureté particulière, pour l'épuration des saumures résultant de la production du chlore afin de les débarrasser des poisons d'électrolyse, ainsi qu'en tant que catalyseurs, etc. Il est connu un procédé d'obtention de matériaux échangeurs sélectifs d'ions comprenant une synthèse des échangeurs d'ions à l'aide d'une réaction de polymérisation et de polycondensation de monomères organiques. Cependant, les échangeurs d'ions obtenus par ce procédé présentent certains inconvénients. Leur thermostabilité n'est pas suffisante (celle-ci ne dépasse par 1500C), non plus que leur stabilité chimique et la résistance au rayonnement, et ils se caractérisent par une faible vitesse d'échange, par une faible fixation des ions de métaux lourds (voir R.Hering Chelatbildene Ionenaustauschev, Akademie-Verlag Berlin 1967). Il est gauss connu un procédé d'obtention d'échangeurs d'ions carbonés comprenant une oxydation de charbon de bois activé par de ltair humide amené à la vitesse de 51/h par g de charbon, durant 25 à 30 h et à une température comprise entre 410 et 430 OC. Ce procédé est long, exige beaucoup de travail, et se caractérise par un bas rendement en produit fini (moins de 50%). Outre cela, dans ce procédé on utilise une matière première onéreuse, le charbon de bois activé (méthodes d'analyse des agents et préparations chimiques. Oeuvres d'IREA, publication 14, Moscou 1967). L'échangeur d'ions obtenu par ce procédé possède les propriétés des échangeurs cationiques semi-fonctionnels et présente une haute stabilité thermique et chimique. Cependant, il comporte une quantité considérable d'impuretés d'origine minérale (la teneur en cendres n'est pas inférieure à 15%) et sa sélectivité vis-à-vis des cations de métaux de transition n1 est pas suilsante. Le but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients précités. Dans le cadre de l'invention on s'est donc proposé de modifier, dans le procédé d'obtention d'échangeurs d'ions les conditions du processus de sorte qu'il soit possible en utilisant unetednolqo simple de préparer un échangeur d'ions carboné macroporeux, semi-fonctionnel, sélectif, apte à une épuration profonde des agents chimiques par élimination des cations de métaux de transition. Ce but est atteint du fait que dans le procédé proposé d'obtention d'un échangeur d'ions carboné, comprenant une oxydation de charbon de bois activé à une température élevée, suivant l'invention 11 oxydation est effectuée à une température comprise ente 200 et 3000C suivie d'un traitement thermique du charbon de bois oxydé à une température comprise entre 450 et 7000C sans accès d'oxygèneJet dè son oxydation à une température comprise entre 290 et 3300C. En tant que matière de départ on utilise un charbon de bois obtenu à partir de n'importe quelles espèces forestières, mais il est avantageux d'utiliser un charbon préparé à partir des espèces de bois feuillues, qui sont moins onéreuses et plus accessibles, par exemple : bouleau, tremble, peuplier, hêtre, charme, etc. Il n'est pas avantageux d'oxyder le charbon de bois à des températures inférieures à 2000C, étant donné que dans ces conditions le processus se déroule d'une manière lente. A des températures dépassant 3000C, le charbon dc bois oxydé se décompose et le rendement en produit visé diminue. C'est pourquoi au premier stade, il est préférable que la température d'oxydation du charbon ne soit pas supérieure à 3000C. Le traitement thermique du charbon de bois oxydé conduit à une élévation de la sélectivité de l'échangeur d'ions. En cas d'augmentation de la température de trai- tement thermique de 450 à 6000C, la sélectivité de l'échange geur d'ions augmente de 2 à 5 fois. Si on continue à augmenter la température du traitement thermique du charbon de bois oxydé, la sélectivité de l'échangeur d'ions change d'une manière insignifiante. Outre cela, le traitement thermique du charbon de bois oxyde, à une température supérieure à 7000C conduit à une diminution du rendement en échangeur d'ions carboné. Une deuxième oxydation effectuée à une température comprise entre 290 et 5300C favorise une augmentation de-la capacité d'échange d'ions statique de l'échangeur dtions. Si l'on effectue la deuxième oxydation à une température inférieure à 2900C, alors le processus de deuxième oxydation se déroule très lentement. Une élévation de la température, en cas de réoxydation, au-dessus de 3300C, conduit à une diminution du rendement en produit visé et à une élévation de sa teneur en cendres. Il est avantageux de réaliser l'oxydation du charbon de bois à une température- comprise entre 260 et 2900C, et le traitement thermique du charbon de bois oxydé à une température comprise entre 550 et 6500C. Le procédé revendiqué d'obtention d'un échangeur d'ions carboné permet d'utiliser en qualité de la matière de départ non pas le charbon activé onéreux mais un charbon de bois accessible et à bon marché et d'obtenir un échangeur d'ions carboné d'une haute qualité et avec un haut rendement (de 75 à 100%). L'échangeur d'ions carboné ainsi obtenu présente une haute sélectivité et permet d'épurer les agents chimiques des impuretés "colorantes" (Fe, Cu, W, Mn, Ni, Co, Cr, V, Mo) jusqu'à un niveau de 6 1;10 5%. Il est de plusieurs dizaines de fois moins onéreux que les résines échangeuses d'ions synthétiques sélectives et est bien supérieur à celles-ci du point de vue de propriétés telles que i thermostabilité (allant jusqu'à 8000C), stabilité chimique (il est stable dans les milieux alcalins et acides et dans les solvants connus), résistance aux radiations (à une dose d'irradiation de 3,5.109 radians la capacité d'échange d'ions statique ne diminue pas), porosité (jusqu'à 8046). L'éangeur d'ions carbonéobtenu suivant le procédé proposé n'est pas toxique, et peut de ce fait être utilisé dans l'industrie alimentaire, par exemple dans la production de sucre et de graisses, de vin, de bière, ainsi que dans l'industrie pharmaceutique. Il est possible de régénérer à maintes reprises l'échangeur d'ions à l'aide d'acides minéraux sans qu'il perde ses propriétés, ce qui permet de l'utiliser durant un temps prolongé. Lors de la liquidation de l'échangeur d'ions usé par combustion, il ne dégage pas de substances toxiques et ne pollue pas l'environnement. L'utilisation, en tant que matière première de charbon de bois à bon marché et accessible, le haut rendement en produit visé, la technologie simple, sans déchets et sans introduction d'agents chimiques et la haute qualité de l'échangeur d'ions, rendent le procédé proposé efficace et très économique. Le procédé d'obtention de l'échangeur d'ions carboné est simple du point de vue technologique. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Le charbon obtenu à partir de n'importe quelle espèce forestière, par exemple, à partir de bouleau, est broyé jusqu'à obtention de grains de 1 à 5 mm. Le charbon de bois broyé est chargé dans un ré-acteur dans lequel on amène de l'air à raison de 8 m3 par heure et par kg de charbon. On maintient dans le réacteur une température comprise entre 200 et 3000C. En fonction de la température et du degré d'oxydation du charbon, la durée du processus d'oxydation est de 3 à 120 minutes.Le charbon de bois oxydé obtenu, dont le degré d'oxydation correspond de préférence a une capacité d'échange d'ions statique de 0,5-0,8mg-équiv/g d'après une solution 0,1 de soude caustique, est refroidi, chargé dans un four et soumis à un traitement thermique, sans accès d'oxygène, à une température comprise entre 450 et 7000C durant 60 mn. - Le produit obtenu est refroidi et chargé dans le réacteur dans lequel on amene de l'air à raison de 8 1 par heure par g de charbon, et est soumis ensuite a une oxydation à une température comprise entre 290 et 3300C pendant 120mn. L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples de réalisation concrets mais non limitatifs suivants Exemple 1. -Le charbon de bois obtenu à partir de bouleau est broyé jusqu'à obtention de grains de 2 à 3 mm. Une quantité de 250 g de ce charbon de bois broyé est chargée dans. un réacteur chauffé dans lequel on amène de l'air à une vitesse de8 l/h par g de charbon. On porte la température dans le réacteur à 200 C et on maintient cette température durant 120 minutes. Ensuite on refroidit le réacteur. On obtient 250 g de charbon de bois oxydé dont la capacité d'échange d'ions statique est de- 0,6 mg-équiv/gd'après une solution 0,1 N de soude caustique et la sélectivité vis-à-vis des cations de métaux de transition (ions de cuivre) est de 21 ,Qezo, La sélectivité du charbon de bois Oxydé à été estimée d'après le degré d'extracZian du cuivre (en %) à partir de 200ml de solution concentrée de sel d'e cuisine contenant 2,2 à 2,5 mg/l d'ions cuivre, lors de son épuration avec 1 g d'échangeur d'ions dans des condLions dynamiques et à une vitesse de passage de la solution de 50 ml/h. Le charbon de bois oxydé obtenu est chargé dans four et est sdumis à un traitement thermique sans accès d'oxygène durant 60 minutes et à la température de 600 C. Ensuite, le produit obtenu est refroidi, rechargé dans le réacteur et soumis à une oxydation à la température de 3100C pendant 120 minutes. On obtient 215 g d'échangeur d'ions carboné (rendement de 86,0% ) dont la capacité d'échange d'ions est de 2,2mg-équiv/g ek la sélectivité yisà-vis des ions cuivre, de 85,5,'. - Exemple 2. Du charbon de bois obtenu à partir de bouleau est broyé jusqu'à obtention de grains de 2 à 3 mm. Une quant de 250 g de ce charbon de bois broyé est chargée dans un réacteur chauffé alimenté en air à une vitesse de 8 3/ par g de charbon. On porte la température dans le réacteur à 3000C et on maintient cette température durant 3 minutes. Ensuite on refroidit le réacteur. On obtient 250 g de charbon de bois oxydé dont la capacité d'échange d'ions statique est de O,7 mg-équiv/g, et la -sélectivité vis à-vis des ions cuivre, de 22%. Le charbon de bois oxydé ainsi obtenu- est introduit dans-un four et soumis à un traitement thermique sans accès d'oxygène et à une température de 7000C pendant 60 minutes; ensuite le produit obtenu est refroidi, rechargé dans le réacteur et soumis à une réoxydation à la température de 330 C pendant 120 minutes. On obtient 2056g (rendement de 82%) d'échangeur d'ions carboné dont la capacité d'échange d'ions statique est de 1,Omg-équiv/g et la sélectivité, de 84,996, Exemple 3. Du charbon de bois obtenu à partir de bouleau est broyé jusqu obtention de grains de 2 à 3 mm. Une quantité de 250 g de ce charbon de bois broyé est chargée dans un réacteur chauffé alimenté en air à une vitesse de 8 1/h par g de charbon. On porte la température dans le réacteur à 2800C et on maintient cette température durant 5 minutes. Ensuite on refroidit le réacteur. On. obtient 25Q g de charbon de bois oxydé dont la capacité d'échange d'ions statique est de 0,8mg-équiv/g, et la sélectivité vis-à-vis des ions cuivre, de 21,05'. Le charbon de bois oxydé ansi obtenu est chargé dans un four et SOUS15 à un traitement thermique sans accès d'oxygène t à la température de 4500C pendant 60 minutes. Ensuite le produit obtenu est refroidi, rechargé dans le réacteur et soumis à une réoxydation à la température de 2900C pendant 120 minutes. On obtient 224,7 g d'échangeur d'ions carboné (rendement de 89,9%) dont la capacité d'échange d'ions statique est de 2,0 mg-équiv/g, et la sélectivité de 44,0%. Exemple 4. Du charbon de bois obtenu à partir de temble est broyé jusqu'à obtention de grains de 2 à 3 mm. Une quantité de 250 g de ce charbon de bois broyé est chargée dans un réacteur chauffé alimenté en air à une vitesse de 81/h par g de charbon. On porte la température dans le réacteur à 260 C et on maintient cette température pendant 30 minutes. On obtient 251 g de charbon de bois oxydé dont la capacité d'échange d'ions statique est de 2,5mg-équiV/g et lassélectivité , de 22%. Le charbon de bois oxydé ainsi obtenu est introduit dans un four et soumis à un traitement thermique sans accès d'oxygène pendant 60 minutes à la température de 6OO0C. Ensuite, le produit ainsi obtenu est refroid: rechargé dans le réacteur et soumis à une réoxydation à la température de 310 C pendant 120 minutes. On obtient 186,5 g de produit (rendement de 74,6%)dont la capacité d'échange d'ions statique est de 2,1 mg-équiv/g, et la sélectivité de 86,2%. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents technioues des moyens décris, ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention d'échangeur d'ions carboné du type comprenant une oxydation de charbon de bois à une température élevée, caractérisé en ce que ladite oxydation est effectuée à une température de 200 à 3000C, cette opération étant suivie d'un traitement thermique du charbon de bois oxydé à une température de 450 et 7000C sans accès d'oxygène et de son oxydation à une température de 290 et 330 C. 2. Procédé d'obtention d'un échangeur d'ions carboné suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue l'oxydation du charbon de bois à une température de 260 et 2900C. 3. Procédé d'obtention d'un échangeur dotions carboné suivant l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'on effectue le traitement thermique du charbon de bois oxydé à une température de 550 et 65O0C. 4. Echangeur d'ions carboné, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé suivant l'une des revendications 1, 2 et 3.