Brevet FR2584313A1 — publié le 19870109

PROCEDE DE PURIFICATION DU SABLE PAR ATTRITION La présente invention concerne la purification des matières minérales ou organiques granuleuses. Une application intéressante consiste en la purification du sable, et notamment du sable utilisable dans l'industrie verriere comme composant de la charge vitrifiable. Les gisements naturels de sables bruts sont constitués par un mélange de grains de silice recouverts d'impuretés minérales et organiques qui adhèrent plus ou moins fortement à la silice, ainsi que d'autres substances granuleuses, la silice représentant généralement environ 98 % du total. Ces impuretés contiennent notamment du fer. Or le fer est fortement indésirable en vue d'une utilisation dans l'industrie verrière, car il communique au verre fini une couleur verdâtre non désirée. Pour la compenser, il faut ajouter en cours de production d'autres colorants, mais on obtient alors un verre plus ou moins gris, ce qui n'est pas non plus satisfaisant. Pour la fabrication du verre plat notamment, une couleur parfaitement blanche est requise. On considère par exemple qu'une teneur de 0,2 % en Fer pour le sable entrant dans la charge vitrifiable convient. Le problème de la purification des sables est donc posé depuis longtemps. De nombreuses méthodes ont été proposées, dont certaines permettent d'atteindre une teneur en Fer aussi faible que 0,005 % de Fe sous forme d'oxyde ferreux, comme l'indique le procédé décrit dans le brevet français 1 416 925. Un traitement complet de purification du sable comprend généralement la succession d'étapes suivantes 1) une étape de lavage, permettant d'éliminer les matières argileuses, ainsi que les parties dont la granulométrie est trop fine, 2) une étape d'attrition qui facilite l'élimination des impuretés de surface, et la rupture des grains accrochés les uns aux autres, grâce a l'action de frottement des particules les unes contre les autres, 3) une étape d'élimination des impuretés séparées dans la phase d'attrition, 4) une étape de flottation pour séparer les particules utiles des au tres telles le feldspath ou le mica, 5) une étape de séparation magnétique qui complète ou remplace la flottation. Ainsi la plupart des procédé utilisés mettent en oeuvre des étapes dans lesquelles une grande quantité d'eau est nécessaire. Une première étape de séparation des impuretés consiste souvent en une mise en suspension du sable dans l'eau. Cette étape présente par elle-même un double inconvénient : d'une part elle conduit, du fait de l'utilisation d'une grande quantité d'eau a la formation de boues dont le stockage et le traitement seront ultérieurement nécessaires ; d'autre part, elle impose des étapes supplémentaires pour l'élimination des substances les plus adhérentes. Ces substances, telles le feldspath ou le mica, contiennent généralement davantage de composés ferreux. Leur séparation constitue donc l'étape déterminante du procédé. Il a été proposé par exemple dans le brevet FR 805 117 de procéder â une flottation du sable en présence de composés organiques conduisant a la formation d'une mousse qui entraine les impuretés à la surface du liquide. La flottation doit être suivie d'une étape de séchage. Dans le brevet FR 1 416 925 déj cité, il a été proposé, après un tamisage préalable des grains, de procéder à une élimination rapide des minéraux lourds par lavage des grains dans une solution aqueuse contenant des composés organiques. Cette première étape d'élimination est suivie d'une élimination des grains non quartzeux dans un champ magnétique. Tous les procédés dans lesquels interviennent des traitements chimiques, et notamment des traitements en milieu aqueux, s'ils peuvent, sous certaines conditions, conduire a une purification très poussée du sable, présentent par ailleurs des inconvénients. Ils entrainent en effet des risques de dégagement de substances toxiques dont la récupération est nécessaire si l'on souhaite éviter des pollutions. Pour pallier cet inconvénient, on utilise des réactifs très dilués, ce qui implique une augmentation de la durée du traitement et n'est pas non plus souhaitable. La présente invention vise à fournir une méthode de purification, notamment, du sable en vue de son utilisation dans l'industrie verrière qui évite le plus possible la présence d'eau, et donc les inconvénients qui y sont associés, à savoir la lenteur des traitements, les risques de pollution, la mise au point de méthodes de récupération. Plus particulièrement, l'invention concerne l'étape d'attrition, et un nouveau procédé pour la réaliser en l'absence d'eau. Mais la méthode proposée n'est pas limitée à l'industrie verrière. Elle peut trouver application chaque fois qu'il est souhaitable d'opérer une purification des matières minérales ou organiques granuleuses en l'absence d'eau. Toutefois, dans la suite de la description, on se référera à l'utilisation de la méthode pour purifier du sable en vue de son utilisation dans l'industrie verrière. Il a déjà été proposé plusieurs méthodes de mise en oeuvre de l'étape d'attrition en présence d'eau. La publication de brevet européen 0 0124 493 décrit un procédé d'attrition par voie humide dans lequel le sable est mis en suspension dans l'eau, puis injecté sous forme de deux flux à contre courant dans une cellule d'attrition, la collision des flux provoquant l'attrition. La présente invention a pour objet un nouveau procédé de purification par attrition qui est simplifié par rapport à tous les procédés précédemment décrits et notamment par rapport aux procédés connus d'attrition par voie humide. En outre, ce procédé procure un degré de purification supérieur à celui obtenu par la mise en oeuvre de l'attrition par voie humide. Selon l'invention, on trie les grains en distinguant les grains de plus faible diametre et les grains de plus gros diamètre et on opere une usure des grains de plus faible diametre par les grains de plus gros diamètre, ceci en l'absence d'eau. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de purification, notamment du sable selon lequel, à partir du sable brut, on opère une répartition granulométrique des grains de sable apres les avoir triés en distinguant les grains dont le diamètre moyen est inférieur à une valeur e donnée, dits grains à purifier, et les grains dits nettoyants, dont le diamètre moyen est au moins égal à 2e, on introduit le mélange dans une enceinte d'attrition ou on forme un lit fluidisé et on agite le mélange pendant le temps nécessaire à la purification, puis on sépare les grains nettoyants des grains purifiés. Selon la nature des gisements de sable utilisés, la seule étape d'attrition par voie sèche peut suffire à atteindre un degré de purification qui convient pour une utilisation dans l'industrie verrière. Dans la plupart des cas, on utilise du sable siliceux sans feldspath, qui ne requiert pas l'intervention d'une étape supplémentaire. Si le gisement contient des minéraux lourds, on mettra en oeuvre une étape de séparation magnétique. Si le gisement contient des feldspath, on utilisera une méthode de séparation électrostatique, qui présente sur la flottation l'avantage de ne pas requérir la présence d'eau. L'invention est applicable indifféremment à la fabrication du verre plat ou du verre creux. Suivant l'application choisie, on sélectionne préalablement une taille de grains privilégiée. A titre d'ordre de grandeur, on peut citer un diamètre des grains inférieur à 0,63 mm pour le verre plat et inférieur à 0,8 mm pour le verre creux. Pour obtenir un nettoyage satisfaisant, conduisant à un taux d'oxyde ferreux, voire d'alumine ou de CaO, selon la nature des sables traités, acceptable, on choisit un diamètre moyen des grains nettoyants compris entre 2 et 6 mm environ. Si le diamètre des grains nettoyants est très supérieur à celui des grains à purifier, les grains à purifier tendent à être écrasés plutôt que purifiés par les grains nettoyants. Inversement, si le diamètre des grains nettoyants est trop proche de celui des grains à purifier, l'effet d'attrition ne peut se produire. Avantageusement, on selectionnera des grains nettoyants d'un diamètre moyen de l'ordre de 4 mm. D'autres conditions sur les matières premières ont une influence sur l'efficacité de l'attrition, et donc sur le degré de purification du sable. La quantité des grains nettoyants par rapport aux grains à purifier ne doit pas être trop importante pour obtenir un rendement satisfaisant de l'opération, c'est-à-dire une quantité de sable purifié importante par rapport à la totalité des grains introduits dans l'enceinte d'attrition. Inversement, si la quantité de grains nettoyants est trop faible par rapport aux grains à purifier, il faut compenser cette insuffisance par une augmentation du temps de séjour dans le dispositif pour obtenir un degré de purification convenable.En tenant compte de ces deux limites, on estime qu'une proportion de grains nettoyants comprise entre 20 et 70 %, et de préférence de l'ordre de 50 %, de la totalité des grains entrant dans l'enceinte d'attrition, convient. Le taux d'humidité de la matière chargée dans l'enceinte est celle des sables bruts, c'est-à-dire de l'ordre de 2 % environ et même dans certains cas, inférieur à 1 %. La combinaison de l'agitation et du lit fluidisé est essentielle à l'obtention de l'effet d'attrition désiré. Si on utilise uni quement un lit fluidisé sans agiter l'enceinte d'attrition, il ne se produit pas de phénomène de frottement. En l'absence de lit fluidisé, les grains tombent au fond de l'enceinte. Pour que la fluidisation des grains de sable se produise de façon satisfaisante, il convient que certaines conditions soient respectées concernant la répartition granulométrique du sable et la pression d'injection du fluide qui détermine la vitesse des grains. Aux vitesses élevées, le lit fluidisé se trouve détruit par entrainement des particules. Quand la vitesse est trop faible, les particules ne peuvent pas être maintenues en suspension. Il existe entre la vitesse minimale de fluidisation et la vitesse limite, une zone assez large dans laquelle la fluidisation peut se dérouler de façon convenable. Des pressions de fluide comprises entre 0,7 et 1 kg/cm2 conviennent généralement pour l'obtention d'une vitesse convenable. Le temps de séjour du sable dans l'enceinte d'attrition peut varier, mais il est souhaitable qu'il soit le plus faible possible, un des objets de l'invention étant de fournir un procédé accéléré de purification. Il dépend de la nature des matieres premières, mais ne peut être augmenté indéfiniment, l'efficacité du traitement atteignant rapidement un palier. On retient généralement des temps de séjour compris entre 4 et 8 minutes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation, en relation avec les figures 1 et 2. La figure 1 est une vue schématique générale d'un dispositif convenant pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure 2 est une vue détaillée de l'enceinte dans laquelle se produit l'attrition. Le dispositif représenté à la figure 1 comprend une trémie de chargement 1 dans laquelle est déversée le mélange préétabli des grains de sable brut, grains nettoyants et grains à purifier. Le tri préalable à l'obtention du mélange dans des proportions adéquates, en fonction des diamètres des grains peut se faire par toutes les techniques connues : on connait notamment des procédés de séparation à sec, par exemple par tamisage, ou par voie humide, par exemple à l'aide d'un hydroclasseur. Dans le cadre de l'invention, on utilise de préférence la séparation par tamisage, qui évite l'apport d'humidité. Le dispositif tel que représenté permet un fonctionnement en continu, mais il est possible de prévoir un fonctionnement discontinu. L'attrition proprement dite a lieu dans une enceinte 2 dans laquelle circule un fluide en provenance d'une chambre à lit fluidisé 20. L'enceinte communique avec l'orifice de sortie 3 de la trémie par l'intermédiaire d'un cône de déversement 4. L'orifice de sortie peut être ouvert ou fermé grâce à une trappe 5 autorisant ou non le déversement. Dans la variante représentée à la figure 1, l'enceinte 2 est divisée en deux compartiments 6 et 7 séparés par une paroi 8 qui s'étend sur la plus grande partie de la hauteur de l'enceinte. Grâce à cette paroi il est possible d'augmenter l'efficacité du traitement, en évitant que le sable ne se dirige directement vers la sortie du dispositif, sans avoir subi la purification souhaitée. Chaque compartiment est muni d'un système d'agitation alimenté par un moteur 9 muni d'arbres 10 sur lesquels sont fixés des pales 13 d'agitation. Le compartiment 7 est celui par lequel est évacuée la charge à la fin du procédé. Il comprend deux orifices de sortie 14 et 15. La sortie 15 située dans la partie supérieure du compartiment conduit par l'intermédiaire d'une gaine 24 à un cyclone 16 destinée à récupérer les charges les plus légères, entrainées par le fluide qui circule dans l'enceinte 2. La sortie 14 disposée à un niveau inférieur dans le compartiment sert à l'évacuation des grains nettoyants et des grains purifiés. Elle conduit à un crible 18 qui sépare les grains nettoyants des grains purifiés. A la base de l'enceinte 2 se trouve une grille 19 et la chambre 20 servant à l'établissement d'un lit fluidisé. La maille de la grille 19 est choisie de façon à ce qu'elle soit plus petite que le diamètre des plus petits grains. Elle assure ainsi le passage de l'air tout en empêchant les grains de s'échapper. Une maille de 0,3 mm environ convient. L'enceinte d'attrition peut avoir une section qui est circulaire ou encore hexagonale ou octogonale. Un tel type de section est préféré à une section carrée. Dans la partie du dispositif représenté en variante à la figure 2, les mêmes références désignent les mêmes éléments. L'enceinte 2 ou a lieu l'attrition comprend un seul compartiment 11 dans lequel plonge un arbre 12 portant les pales d'agitation 13 et relié à un moteur non représenté. Toutes les autres caractéristiques de cette figure ne sont pas détaillées sur la figure 1, mais elles peuvent y être transposées. L'enceinte 2 est fermée par un couvercle 21 surmonté d'un anneau de feutre 22 qui assure l'étanchéité. Le couvercle et le feutre ont une forme appropriée au passage de l'arbre 12 portant les pales d'agitation 13. Au niveau de la sortie 15, le couvercle 21 est également perforé de façon à permettre le passage de la gaine 24 qui relie l'enceinte 2 au cyclone 16. Sur le trajet des particules, dans la gaine 24, se trouve un tamis 23. A la base de l'enceinte 2 se trouve la chambre 20 à lit fluidisée, alimentée en 26 en fluide porteur, généralement de l'air. Entre le bas de l'enceinte et le compartiment 20, la grille 19 assure le passage de l'air entre la chambre 20 et l'enceinte 2. Le dispositif ainsi décrit fonctionne de la façon suivante Le sable dont la granulométrie est répartie de façon convenable est chargé dans la trémie 1 d'ou il s'écoule par le cône de déversement 4. Il pénètre alors (suivant la variante à deux compartiments) dans le compartiment 6 de l'enceinte d'attrition 2. Dans cette enceinte, grâce au lit fluidisé alimenté par de l'air sous pression contrôlée, le brassage des grains de sable se fait de façon homogene, aidé par une agitation continue au moyen des pales d'agitation 13. La paroi 8 oblige les grains de sable à suivre un circuit précis en passant successivement dans chacun des compartiments. Il s'établit alors un équilibre entre les deux compartiments, le lit fluidisé atteignant le niveau de l'orifice de sortie 14.Dans le compartiment 7 les pous sires et particules détachées des grains purifiés sont évacuées par la gaine 24 avec l'air du lit fluidisé. Les grains purifiés et les grains nettoyants sont évacués par la sortie 14 et passent sur le crible 18 qui est habituellement un crible vibratoire. Les grains nettoyants 27 sont récupérés et recyclés vers la trémie de chargement pour constituer un nouveau mélange pour l'attrition. Les grains purifiés 28 sont récupérés en bas du crible vibratoire. La mise en oeuvre de l'invention peut être réalisée à l'aide d'autres types de dispositifs que ceux précédemment décrits. On peut envisager par exemple une enceinte d'attrition dans laquelle le sable est introduit en même temps que l'air à la base de l'enceinte, au dessus du niveau de la grille de fluidisation. Un tel mode d'introduction de la charge correspond aux pratiques courantes de fluidisation. Nous allons décrire ci-apres des exemples de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, appliqués à différents types de matières premières destinées à entrer dans la composition d'une charge vitrifiable. Les comparaisons sont établies au niveau de la teneur en oxyde de fer Fe203, en alumine Al203 et en chaux CaO, des sables bruts, des sables traités par un procédé d'attrition par voie humide et des sables traités par le procédé selon l'invention. Les trois types de sable traités contiennent, à l'état brut, des quantités variables d'oxydes de fer et d'aluminium. Le sable A est un sable argileux ne contenant pas de CaO, pour lequel une étape ultérieure de purification n'est pas nécessaire. Le sable B est un feldspath à forte teneur en alumine, et le sable C est à forte teneur à la fois en Fe2o3, en Al203 et en CaO. Pour ces deux sables, une séparation magnétique ultérieure est souhaitable. Les conditions de mise en-oeuvre du procédé par voie humide sont les mêmes pour les trois types de sables : on met pendant 5 minutes dans un mélangeur 70 X de sable et 30 X d'eau, sans modifier la répartition naturelle de la granulométrie du sable. Tous les exemples de réalisation du procédé selon l'invention ont été réalisés dans les conditions suivantes - diamètre moyen des grains nettoyants : 4 mm - diamètre des grains à purifier : inférieur à 0,8 mm - 50 X de grains nettoyants et 50 X de grains à purifier - humidité du sable : environ 2 X - pression de l'air : 0,7 kg/cm2 - temps de séjour : 4 minutes - vitesse d'agitation : 2600 tours par minute - dimensions de l'enceinte d'attrition : 18 cm de large, 6 cm de haut, pour une section octogonale. L'enceinte d'attrition utilisée est à deux compartiments et la paroi 8 a une hauteur de 4 cm. - débit du sable : 270 kg/heure soit 18 kg traités pendant le temps de séjour dans l'enceinte. Les résultats sont indiqués dans le tableau 1. Ils font apparaitre les teneurs en Fe2O, Al203, CaO des sables traités et non traités, exprimées en pourcentages pondérales (voir tableau 1). Il apparait que par le procédé d'attrition selon l'invention, c'est-à-dire l'attrition par voie sèche, il est possible d'abaisser encore les teneurs en Fe203 , Al203 ou CaO de différentes variétés de sable, tout en utilisant des moyens simplifiés, à action plus rapide, que ceux nécessaires à l'attrition par voie humide. TABLEAU 1 SABLE A SABLE B brut traité traité brut traité traité voie humi de voie sèche voie humi de voie sèche Fe2O3 0,49 0,19 0,18 0,2 0,13 0,12 Al2O3 2,85 0,9 0,8 6,7 6,17 4,84 CaO I / i I I I l I I I ! . . I SABLE C brut traité traité \ I I voie humi de de voie seche I Fe2O3 0,67 0,27 0,26 Al2O3 6,76 4,86 4,77 CaO 3,10 2,69 1,32 REVENDICATIONS 1. Procédé de purification de matières minérales ou organiques granuleuses, selon lequel, on trie les grains en distinguant les grains de plus faible diamètre et les grains de plus gros diamètre, et on opère une usure des grains de plus faible diamètre par les grains de plus gros diamètre, ceci en l'absence d'eau. 2. Procédé de purification selon la revendication 1, selon lequel, la matière à purifier étant du sable brut, on opère une répartition granulométrique des grains de sable apres les avoir triés en distinguant les grains dont le diametre moyen est inférieur à une valeur e donnée, dits grains à purifier, et les grains dits nettoyants, dont le diamètre moyen est au moins égal à 2e, on introduit le mélange dans une enceinte ou on forme un lit fluidisé, et on agite le mélange pendant le temps nécessaire à la purification, puis on sépare les grains nettoyants des grains purifies. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel les grains nettoyants représentent de 20 à 70 % et de préférence environ 50 % de la totalité des grains. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel le diamètre moyen des grains à purifier est inférieur à 0,8 mm. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4 dans lequel le diamètre moyen des grains nettoyants est compris entre 2 et 6 mm environ et de préférence de l'ordre de 4 mm. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le sable contient moins de 2 % d'humidité. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la pression du fluide est comprise entre 0,7 et 1 kg/m2. 8. Procédé selon 1 'une des revendications précédentes dans lequel le temps de séjour des grains nettoyants et des grains à purifier dans l'enceinte est compris entre 4 et 8 minutes environ. 9. Application du procédé selon l'une des revendications précédentes à la purification du sable en vue de son utilisation dans l'industrie verrière.