Brevet FR2499540A2 — publié le 19820813

FR 2499540 A2 19820813 FR 8102640 A 19810211 PROCEDE D)'OBTENTrION DE SILICE ET SILICATES METALLIQUES A PARTIR DE SOLUTIONS DE SILICATES ALCALINS, PRODUITS OBTENUS ET APPLICATIONS, NOTAMMENT EN VERRERIE La présente invention a trait à un procédé pour la fabrication de silice et de silicates métalliques à partir de solutions de silicates alcalins. Elle a trait aux produits obtenus et à leurs applications, notamment dans le domaine de la verrerie. Dans la demande de brevet principale déposée le Il Juillet 1980 sous le numéro 80 15460, on a décrit un procédé de préparation de silice et de silicates métalliques par traitement d'une solution aqueuse de silicate(s) alcalin(s) par un liquide organique polaire miscible à l'eau de manière à amener le silicate sous forme insoluble et divisée. Le liquide organique polaire miscible à l'eau peut être consti- tué par un alcool, et notamment par l'alcool méthylique. L'invention selon la demande principale présente un grand intérêt dans le cas de la fabrication des compositions vitrifiables. En effet, l'on sait que dans une composition classique pour verre les divers constituants ont tendance à se comporter comme s'ils étaient seuls, la composi- tion ne devenant homogène qu'au moment de la fusion, effectuée à température élevée. Selon la méthode de substitution telle que décrite dans la demande principale et dans la demande européenne 400197.2 l'on peut obtenir un mélange très homogène se comportant comme un mélange eutectique. Selon la demande principale, de manière non limitative, l'on forme un pied de cuve avec une solution de silicate à laquelle on ajoute le liquide organique polaire et les solutions aqueuses d'acides et de sels de métaux de substitutions. Or maintenant l'on a trouvé que ce procédé pouvait être amélioré en réalisant une solution organique notamment méthanolée du groupe des oxyde(s) et des sels de ces oxydes métalliques à laquelle l'on ajoute la solution de silicate(s) alcalin(s). On observe alors que l'on peut réaliser une addition rapide de la solution de silicate(s) dans la solution organique telle que méthanolée de nitrate de plomb par exemple. Par ailleurs d'un point de vue de la réalisation industrielle le procédé permet de se satisfaire d'une agitation moins importante ce qui constitue une économie d'énergie. Selon la présente invention l'on a aussi observé que l'on pouvait améliorer l'homogénéité du produit et diminuer l'humidité du produit en travaillant avec un excès de liquide organique polaire par rapport au métal, avantageusement alcalin (ou aux métaux alca- lins) correspondant entre une fois et demie et trois fois la quantité de solide obtenu. Le mélange à comportement eutectique selon l'invention peut être obtenu de la manière simple suivante. Pour déterminer le rapport molaire Si02/M20 du ou des silicates alcalins à partir duquel ou desquels seront précipités les silicates métalliques, on calcule les concentrations molaire de tous les oxydes métalliques composant le mélange, et on fait le rapport (Sio2) Rm (M'20y) + (M'20x) +. M Li, Na,K M20 peut aussi être (NH4+)2 M'i1y, M'20x..... oxydes métalliques du mélange Dans le cas ou sont présentes des oxydes de métalloïdes tels que B203 ou P205 ceux-ci sont combinés dans une deuxième phase. On prépare alors, d'une part la solution de silicate(s) alcalin(s), et la solution de mélange d'oxydes, ou d'oxyde seul (ou de leur sels), et on forme une solution méthanolée d'oxyde(s) à laquelle s'ajoute une solution aqueuse de silicate(s) alcalin(s). Le schéma global de la réaction est le suivants: Sels métalliques + silicate alcalin mthano silicates métalliques + sel alcalin. v On obtient ainsi une suspension qu'il suffit de filtrer. Sur le filtre on récupère un solide que l'on lave pour éliminer le sel alcalin qui est sous forme soluble. On remarque que les éléments métalliques ont été combinés simultanément sous forme de silicates de même rapport molaire. Eventuellement, on peut mélanger au solide des acides pour introduire des éléments comme B203 ou P205, par exemple l'acide borique ou phosphorique. Ce solide peut être utilisé tel quel sous forme humide, il peut être séché ou vitrifié suivant l'application à laquelle Il est destiné. Pour le vitrifier, il faut le porter à une température légèrement supérieure à la température o il peut se transformer en verre de manière Irréversible. Ces produits ainsi préparés peuvent être proposés pour de nombreuses applications. - Dans l'industrie verrière, ils permettent d'obtenir des verres de très bonne qualité: homogènes, exempts d'impuretés et de composition très précise. La technique de fabrication est simplifiée, nécessite des temps de préparation beaucoup plus courts que par la technique actuelle, d'o des économies d'énergie importantes. Pour les verres à base de produits toxiques tels que le plomb, le produit vitrifié élimine pratiquement tout risque de pollution. Enfin, on peut envisager de formuler de nouveaux verres contenant moins d'éléments alcalins. - Dans l'industrie des revêtements à base de produits minéraux céramiques, aciers verres, etc... de tels mélanges permettent de nouvelles techniques de fabrication, le verre hydraté peut se combi- ner chimiquement au support et améliorer les propriétés mécaniques. - Dans l'industrie des catalyseurs minéraux à base de silice on peut mettre à profit une des propriétés du mélange de silicates qui peut mousser lors de la vitrification. On peut ainsi obtenir des silicates métalliques à grande surface spécifique. Le moussage est crée par les réactions de condensation et par l'élimination de l'air occlus à des températures particulières. - Dans l'industrie des colles, ces produits peuvent être utili- sés comme liant à hautre température. Ils trouvent une application très fiable dan le traitement de déchets minéraux toxiques que l'on peut aisément et rapidement vitrifier. EXEMPLE On souhaite fabriquer un verre de composition suivante SI02 = 57 X PbO = 29,5 % K20 = 12,1 % Na2 2,0 % S23 0,4 % A partir de cette composition, on peut déterminer les caracté- ristiques des solutions de silicates alcalins qui seront utilisées comme matières premières. Par ailleurs, on fixe à 1 Z de K 20, la quantité de cet élément à amener sous forme nitrate pour l'affinage. On trouve donc un mélange de silicates métalliques dont le rapport molaire est égal à ,08 Rm 3=3 3 29,5 + 51,1 + 2 223,19 94,2 61,98 Ainsi on prépare deux solutions de silicates alcalins, la première contient 20,3 % de SiO2 et 9,66 Z de K20, la deuxième 26,7 % de SiO2 et 8,33 % de Na20. L'oxyde de plomb, dans le procédé, est amené sous forme de nitrate de plomb en solution, soit par attaque directe du plomb métal par l'acide nitrique dilué de 15 à 25 %, soit par dissolution de l'oxyde dans l'acide nitrique. Pour obtenir 25 kg de verre, le mode opératoire de fabrication se déroule de la manière suivante à température ambiante. Dans un réacteur de 200 1 muni d'un agitateur, on verse 31,27 kg d'une solution de nitrate de plomb contenant 35 Z de sel. On ajoute kg de méthanol. On laisse agiter quelques minutes, puis on coule en 60 minutes 60,8 kg de la solution de silicate de potassium défi- nie plus haut. On laisse agiter encore deux heures et on filtre la suspension. On récupère - d'une part un gâteau humide qui après lavage est composé de * 21,6 kg de silicate mixte de potassium et de plomb, * 0, 54 kg de nitrate de potassium, * 22,0 kg d'eau méthanolée, - d'autre part, des eaux mères et des eaux de lavage; soit 6,14 kg de nitrate de potassium, et. 120 kg d'eau méthanolée. Le gâteau est séché à 200'C en étuve. On récupère ainsi 24 kg de produit. Ensuite, on prépare le mélange suivant dans un malaxeur 24 kg de silicate mixte de potassium et de plomb, 0,1 kg d'oxyde d'antimousse, 6,0 kg de solution de silicate de sodium définie plus haut. Ce mélange est alors aggloméré par pressage afin de la rendre non poussiéreux. On peut éventuellement sécher les agglomérés dans une étuve à 200'C. Ces agglomerés sont alors introduit dans un pot maintenu à 1 350C. Au bout de 5 heures de fusion le verre contient moins de 1 bulle/cm3 ce qui montre la rapidité de l'affinage. Deux heures suffisent ensuite pour obtenir un verre très fin et très homogène. On a fait figurer en annexe: - figure 1, la courbe d'affinage à 1 350'C qui permet de mettre en évidence le temps très court pour ce type d'opérations. - figure 2, une courbe d'analyse thermique différentielle. - figure 3, une courbe d'absorption d'infra-rouge. Les analyses physico-chimiques de la poudre avant fusion, révèlent des propriétés spécifiques. En particulier, l'analyse thermique différentielle montre, outre le départ de l'eau - combiné étalé entre 20C et 500'C, vers 700'C que se produit une transforma- tion légèrement endothermique correspondant à la vitrification complète de la poudre. Le spectre infra-rouge réalisé à partir d'une pastille de KBr contenant 2 Z de poudre selon l'invention, montre bien que exception faite de la pression d'eau et de nitrate de potassium, la structure de celui-ci est proche de celle du verre. Enfin, les impuretés métalliques peuvent être maîtrisées dans ce procédé par la traitement des matières premières. On peut attein- dre des valeurs inférieures à l ppm en prenant soin d'effectuer la fusion et l'affinage en présence de matériaux non polluants, le verre obtenu est de même pureté. Ànualqo aleuTITS ap aTluenb el STo3 sTOIZ la OTmap la SToJ aun eliua asTldmoD isa suTelu xnelamw xne no uTIleDI IefuI ne zioddej aed aiTelod anbTue2io apTnbTI ap apTzuenb el anb zTe; l Ied asTalaoee1 'z la I SUOT4eDTpuaAaI sap aunl uolas apoo1d (g Àaaloueqlpa uoTnlos aun isa anbTueio uoT;nlos VI anb zTej al ied asTl laeleo 'I uoTWevTpuaeag eI uolas pPo0a (Z (s)uTIeTle (s)alvOTITs ap uoTZnlos eU ainore uo alianbeI g sanbTITeiw sapXxop slas la sapLxo sap adnoj2 np 'anbTueuao uoTnlos aun aSTIeal uo,nb iTej ael ed asTeazeieD 'nea,l e alqTvsTu aITelod anbTue2o apTnbTI un ied (s)uTIeolee (s)aIeoTITs ap asnanbe uoT:n[os aun,p,uawmeT al aed aledTUuTid apueuap el ap I uoTIuDTPuaai e[ uolas sanbTI -leiam saieuTITs ap la aDTITS ap uoTe.edaid el inod apoid (T S NOI L V D I N A O3566VZ