Brevet FR2563510A1 — publié le 19851031

Procédé pour la fabrication de poudre frittable ee méta- silicate de lithium Li2Si0,, et son utilisation ".4 L'invention concerne un procédé pour la fabrication de poudre frittable de métasilicate de lithium Li2SiO3, avec une pureté de phase d'un ordre de grandeur de 99 %, dans lequel on introduit du SiO2 amorphe dans une solution aqueuse d'hydroxyde de lithium et soumet la suspension qui se forme à une température élevée. L.es matières céramiques oxydées conte- nant du lithium, par exemple le métasilicate de lithium ont été déjà proposées comme matières fertiles pour les réacteurs à fusion, pour l'obtention du tritium. Pour la fabrication de Li2SiO3, on a la plupart du temps chauffé, ou fondu des poudres solides de L!2C03 et de SiO2 ou H2i 0o nH2 0 à haute température. Les températures uti- 2 3 2' lisées pour la réaction se situaient dans un ordre de grandeur de plus de 700 a 1500 C, et la durée du traite- ment thermique entre 3 a 5 heures à 1400 à 1500 C jusqu'à 8 jours à 700 C, après quoi on chauffait encore pendant 3 jours à 800 C et 4 jours à 900 C. On ne sait rien de la pureté du produit, ni de la grosseur de ses particules. En général toutefois, les produits obtenus par ce procédé devaient être broyés avant la poursuite des traitements. Dans les réactions de substances solides des procédés de fabrication connus, à des températures élevées ou en fusion, on doit tenir compte de la présence d'impuretés, de sorte qu'on ne trouve dans le produit final qu'une proportion de 90 à 95 % de la phase recherchée. On a par suite considéré qu'il était désirable de réaliser un procédé pour la fabrication de Li2SiO3 suivant lequel on pourrait éviter les impuretés du produit final, ainsi que l'importante dépense de temps et d'énergie que demandent les procédés connus. En même temps, le procédé devait être plus économique que les procédés de fabrication connus jusqu'ici. D'après le "Gmelin's Handbuch der anorganischen Chemie", système N 20, Lithium, (1927), pages 241, il est connu l'acide silicique amorphe séché à 100 C est très peu solu- ble dans une solution chaude de LiOH, mais que toutefois, dans une solution froide environ 2N de LiOH, on peut dis- soudre, pour 1 mole de LiOH, au moins 3,4 moles de SiO2. Si l'on chauffe, il doit précipiter à partir de cette solution Li2 SiO H20. On ne parle pas dans ce document de la préparation d'une poudre frittable à partir de Li2SiO3 L'invention a pour objet de réaliser un procédé amélioré pour la fabrication de Li2SiO3, dans lequel la plus grande partie possible des opérations se déroule en solution aqueuse et dans laquelle on obtient, avec une dépense d'énergie relativement faible, une pou- dre aisément frittable du Li2SiO3 recherché, en phase pratiquement pure. A cet effet, l'invention propose un procédé o: a) 1 'on utilise une proportion stoechiométrique de SiO2, calculé sur le LiOH dissous, pour la formation de la suspension, b) on sèche par atomisation, directement, à l'aide d'air, à une température qui se situe entre 200 et 4500C, la suspension, sans autre traitement intermédiaire, et, c) on chauffe et calcine ensuite le résidu sec pulvéru- 25635 10 lent à une température de l'ordre de 500 à 1000 C. Dans la solution d'hydroxyde de lithium, il se produit la réaction suivante: 2 LiOH + aq + SiO2 (amorphe) = Li SiO3. xH20 + aq 2 23 'X20 La suspension qui se forme est trans- formee. sans autre traitement intermédiaire, par séchage par atomisation. en une poudre. La poudre ainsi atomisée est transformée, en l'espace de deux heures, en Li2SIO3 comme on le désire, par calcination à 600 C de préférence. Dans des conditions de frittage appropriées, on peut atteindre une densité de 95 % de la densité théorique. Le métasilicate de lithium, fabriqué par le procédé de l'invention convient particulièrement bien, en raison de sa grande pureté, comme matière ferti- le pour réacteurs à fusion, pour l'obtention de-tritium. l'invention est décrite plus en détail ci-après avec référence à un exemple de réalisation. ExemDle: Conformément à l'équation de réaction: A LiOH + SiO2 aq- Li2SiO3 xH20 t aq On introduit une suspension aqueuse de SiO2 amorphe (AEROSIL de la firme Degussa), sous agitation constante dans une solution aqueuse d'hydroxyde de lithium. Toute en continuant à agiter constamment à la température am- biante (environ 1 heure), il se forme alors dans la sus- pension, le métasilicate de lithium. On suppose que le Li2SiO3 s'y trouve sous la forme de monohydrate, et pour partie > est dissous. Tableau: Charges pour l'atomisation du métasilicate de lithium. N en solution en suspension nombre de LiOH H20 SiO2 H20 Li2SiO3 charges (g) (cm) (cm3) (cm) (g/1) 1 95,80 1200 120,18 800 J90 8 2 53,26 500 66,81 1000 I 65 12 _-- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -_-- - - - - - - - - - - - - - - Dans les charges N 1, on met en oeu- vre de l'hydroxyde de lithium anhydre, et dans les char- ges NO 2, de l'hydroxyde de lithium contenant son eau de cristallisation (LiOH. H20). L'atomisation des suspen- sions a été effectuée à des températures de l'ordre de à 3700C. Les rendements en Li2SiO3 x H20 se montent toujours à plus de 90 %. La teneur en humidité des poudres était variable et dépendait de la température de l'atomi- sation. Les températures d'atomisation plus élevées don- naient des teneurs en humidité un peu plus faibles (envi- ron 2 %). En raison de la manipulation à l'air libre des solutions d'hydroxyde de lithium et des suspensions, les poudres contenaient jusqu'à 6 % en poids de constituants carbonates qui ont disparu pendant l'étape de calcination. Les particules de poudre avaient la forme de petites sphères creuses d'une grosseur moyenne de 3 à 5 P. Après calcination à 6000C, on a pu compacter les poudres par pressage, et frittageà 1100C pendant 6 heures, jusqu'à 95 % de la densité théo- rique. Les échantillons frittés ont toujours été consti- tués de Li2 SiO3 monophasé. RE V E N D I C A T I O N S 1 ) Procédé pour la fabrication de poudre frittable de métasilicate de lithium Li2SiO3 avec une pureté de phase d'un ordre de grandeur de 99 %, dans laquel on introduit du SiO2 amorphe dans une solution aqueuse d'hydroxyde de lithium et soumet la suspension qui se forme à une température élevée, procédé caractéri- se en ce que: - a) l'on utilise une proportion stoechiomètrique de SiO2, caleulé sur le LiOH dissous, pour la formation de la suspension, b) on sèche par atomisation, directement, à l'aide d'air, à une température qui se situe entre 200 et 450 C, la suspension, sans autre traitement intermédiaire, et c) on chauffe et calcine ensuite le résidu sec pulvéru- lent à une température de l'ordre de 500 à 1000 C. 2 ) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise la poudre frittable ainsi fabriquée de Li2SiO3e comme matière fertile pour des réacteurs à fusion, pour l'obtention de tritium.