Brevet FR2817488A1 — publié le 20020607

PROCEDE DE PURIFICATION D'UN MELANGE DE PARTICULES COLLOIDALES D'ALUMINOSILICATES La présente invention concerne la purification de mélanges de particules colloïdales d'aluminosilicates pour en extraire de l'imogolite présentant un degré de s pureté élevé. L'imogolite est un aluminosilicate polymère se présentant sous la forme de fibres vraisemblablement creuses. L'imogolite se trouve à l'état naturel dans les cendres volcaniques et dans certains sols. L'imogolite naturel est impur et est mélangé avec d'autres aluminosilicates tels que les allophanes et/ou de la boehmite raft-like. lo L'imogolite naturel ne peut pas être utilisé sous cette forme impure dans des applications connues à l'heure actuelle, telles que l'utilisation comme constituant de base pour des couches antistatiques destinées par exemple à des produits photographiques, comme cela est décrit dans le brevet européen 0 714 668. Il existe différents procédés de synthèse d'imogolite à des degrés plus ou moins purs. Par exemple, les brevets américains Farmer 4 152 404 et 4 252 779 décrivent un procédé de préparation d'un matériau inorganique analogue à l'imogolite naturel. Le brevet européen 0 741 668 décrit un procédé d'obtention d'imogolite avec un degré de pureté élevé et présentant un rapport molaire Al:Si compris entre 1 et 3. L'imogolite obtenu est débarrassé des charges, telles que les sels, par dialyse. Cependant, cette technique ne permet pas d'éliminer les allophanes qui ne portent pas de charges. Selon la littérature connue, par exemple Journal of Soil Science, 1979,30, 347, S.I. Wada, A. Eto, K. Wada, un imogolite pur présente un rapport molaire AI:Si proche de 2. Il est précisé ici que les termes "degré de pureté très élevé" ou "haut degré de pureté" désignent une solution aqueuse contenant au moins 80 % et de préférence au moins 90 % en masse d'imogolite. Le procédé décrit dans le brevet européen 0 741 668 est relativement long et doit être suivi scrupuleusement si l'on veut obtenir de l'imogolite présentant un degré de pureté élevé. Notamment, il est absolument nécessaire, au cours de l'étape de digestion ou de croissance des filaments, de maintenir le pH et la concentration en AI+Si dans des intervalles de valeurs bien précis. En cas de synthèse non contrôlée, on observe la formation de gels de silice, de boehmite, ou d'allophanes. La boehmite présente une structure non fibreuse, avec un rapport molaire AI:Si supérieur à 4. Les allophanes sont des particules d'aluminosilicates de forme sphérique, de taille inférieure à celle des particules d'imogolite et présentant un ratio Al:Si différent. De plus, les allophanes sont amorphes (P. Bayliss, Can. Mineral. Mag., 1987, 327) alors que les imogolites sont cristallins. Lorsque la synthèse n'a pas été suffisamment contrôlée, l'imogolite obtenu n'est pas suffisamment pur pour les applications connues et ne peut pas être utilisé. La présente invention a pour objet un procédé permettant d'obtenir, d'une façon simple et économique, de l'imogolite présentant un degré de pureté très élevé, à partir d'un mélange de particules colloïdales d'aluminosilicates, c'est-à-dire une solution d'imogolite impur provenant soit d'un milieu naturel ou soit issue d'une synthèse non contrôlée. A cet effet, la présente invention concerne un procédé de purification d'une dispersion aqueuse d'un mélange de particules colloïdales d'aluminosilicates dans lequel on purifie ledit mélange par ultrafiltration pour obtenir dans le rétentat un aluminosilicate polymère fibreux, du type imogolite, présentant un rapport molaire AI:Si compris entre 1,8 et 2,5. De préférence, l'aluminosilicate polymère fibreux obtenu par le procédé de l'invention présente un rapport molaire AI:Si compris entre 1,9 et 2. La figure 1 représente un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. La figure 2 représente les spectres obtenus par spectrographie Raman d'un rétentat obtenu après traitement selon le procédé de l'invention d'un mélange d'aluminosilicates et du perméat correspondant. Selon le procédé de l'invention, le mélange de particules colloïdales d'aluminosilicates à traiter peut être un minéral naturel contenant de l'imogolite et mis en solution par dispersion dans une solution acide. La solution de départ peut également provenir d'une synthèse d'imogolite par un procédé connu en soi, mais qui n'aurait pas été contrôlée et qui aurait abouti à un imogolite impur. Selon le procédé de l'invention, on extrait l'imogolite d'un mélange d'aluminosilicates par ultrafiltration. On peut utiliser soit un module d'ultrafiltration tangentielle, dans lequel la solution est pompée à grande vitesse le long de la membrane d'ultrafiltration, soit un module d'ultrafiltration frontale, dans lequel la solution est pompée, sous une pression plus forte, perpendiculairement à la membrane. Un mode de réalisation préféré consiste à réaliser une ultrafiltration tangentielle sur membrane de polyéthersulfone. Un tel mode de réalisation est représenté schématiquement par la Figure 1. Selon ce schéma, la solution 10 du mélange de particules d'aluminosilicates à purifier est envoyée par pompage au moyen de l'unité de pompage 12 et de la pompe 13, dans un module d'ultrafiltration 14. Le perméat, contenant notamment les allophanes, est évacué par le conduit 15. Le rétentat, purifié une première fois, est renvoyé en 10 à l'aide de la canalisation 16. Le AP imposé sur la membrane est compris entre 2,2 et 2,8 bars. Le flux laminaire en rétentat est de préférence sensiblement égal à 11/minute pour une surface membranaire de 1 m2. Selon un mode de réalisation, on effectue une préfiltration, par exemple par centrifugation et décantation, du mélange d'aluminosilicates à purifier avant l'étape d'ultrafiltration pour éliminer les particules de dimensions importantes, telles que la boehmite raft-like. Après un certain nombre de passages dans le module d'ultrafiltration, le procédé de l'invention fournit un rétentat constitué d'un aluminosilicate polymère fibreux, o le rapport molaire Al:Si est compris entre 1,8 et 2, 5. On obtient donc de l'imogolite à haut degré de pureté, les allophanes étant éliminés dans le perméat. De préférence, on poursuit l'ultrafiltration jusqu'à obtenir un rapport molaire AI: Si compris entre 1,9 et 2 et tant que la viscosité de la solution du rétentat permet de réaliser l'ultrafiltration. L'imogolite pur étant caractérisé par un rapport molaire Al:Si proche de 2, le procédé de l'invention permet d'obtenir un imogolite présentant un degré de pureté très élevé, d'une manière particulièrement économique et simple à mettre en oeuvre. L'imogolite purifié obtenu selon le procédé de l'invention peut être ensuite dissout dans de l'eau osmosée et utilisé pour toute application utilisant jusqu'à présent de l'imogolite pur synthétisé. Les exemples suivants illustrent l'invention. EXEMPLE 1: Préparation d'un imogolite à haut degré de pureté On réalise une synthèse d'imogolite selon le procédé décrit dans le brevet européen 0 741 668. Selon les instructions indiquées en ce qui concerne l'étape de digestion, la concentration en Al+Si doit être comprise entre 0,3 et 0,6 g/l et le pH doit être compris entre 3,9 et 4,2. Un spectre Raman ou Infra Rouge permet de démontrer que l'on obtient une solution d'imogolite présentant un très haut degré de pureté, avec un ratio AI:Si égal à 1,96 (mesuré par spectroscopie d'émission atomique à plasma généré par couplage inductif, ICP). EXEMPLE 2: Préparation d'une solution contenant de l'imogolite et des allophanes On simule un imogolite impur en reconstituant un mélange de particules d'aluminosilicates riche en allophanes en effectuant la synthèse d'imogolite selon l'exemple 1 mais sans contrôler la concentration en AI+Si au cours de l'étape de digestion. Pour cela, la concentration en Al+Si est maintenue supérieure à 0,6 g/l, le pH étant inchangé. Un spectre Raman ou Infra Rouge permet de démontrer qu'on obtient une solution d'imogolite impur contenant des allophanes, avec un ratio AI:Si égal à 1,7 (mesuré par ICP). EXEMPLE 3: Purification Les solutions des exemples 1 et 2 sont chacune traitée selon le procédé de l'invention en utilisant un dispositif d'ultrafiltration tangentielle tel que représenté à la Figure 1. Le module d'ultrafiltration 14 comprend une membrane en polyéthersulfone 100 KD vendue par AMICON et le AP imposé est situé entre 2,2 et 2,8 bars. D'une manière surprenante, le flux laminaire en rétentat est directement proportionnel à la surface membranaire. Pour un module d'ultrafiltration de laboratoire (Amicon, Proflux TM M12) présentant une surface membranaire de 0,3 m2, le flux laminaire en rétentat est de 300 ml/minute. Pour un module d'ultrafiltration industriel (Orelis) présentant une surface membranaire de 15 m2, le flux laminaire en rétentat est de 15 litres/minute. Les résultats après chaque passage dans le module d'ultrafiltration sont représentés respectivement dans le tableau I pour la solution d'imogolite riche en allophanes et dans le tableau II pour la solution d'imogolite très pur. La concentration en Al+Si ainsi que le ratio Al:Si sont mesurés par spectroscopie d'émission atomique à plasma couplage inductif (ICP). La concentration en imogolite est calculée sur la base de la formule suivante: (OH)3AI203SiOH, avec une masse molaire de 198 g. Tableau I Nb passage [AI+Si] g/l Imogolite g/l Rapport Peids du Viscosité du d'ultrafiltr. molaire AI/Si rétentat (kg) rétentat 0 2,55 6,23 1,7 19,51 Bonne 1 11,10 27,13 1,77 3,3 Bonne 2 20,545 50,226 1,82 1,5 Bonne 3 30, 032 73,4 2,0 1 Bonne 4 33,380 81,6 2,05 0,8 Trop visqueux Les résultats du tableau I montrent que le mélange initial riche en allophanes contient, après trois passages dans le module d'ultrafiltration, 73,4 g/l d'imogolite avec un ratio Al:Si égal à 2. On obtient donc par ultrafiltration un imogolite très pur, les allophanes ayant été évacués dans le perméat. Un échantillon du rétentat final et du perméat de la solution d'imogolite enrichie en allophanes est prélevé puis examiné par spectrographie Raman. En référence à la figure 2, le spectre A correspond au rétentat final issu de la purification de l'imogolite riche en allophanes. Le spectre B correspond au perméat correspondant récupéré. La différence entre les deux spectres obtenus montre sans ambiguïté que l'on obtient de l'imogolite très pur dans le rétentat et des allophanes dans le perméat. Ainsi l'ultrafiltration du mélange d'aluminosilicates selon l'invention permet de séparer l'imogolite des allophanes, certes très semblables chimiquement mais très différents morphologiquement. L'ultrafiltration a permis également d'éliminer de l'eau et les sousproduits (alcools, sels de sodium) issus de la synthèse de l'imogolite. L'imogolite obtenu après ultrafiltration présente une concentration élevée proche de 74g/1, valeur au-delà de laquelle la viscosité est trop importante pour poursuivre l'ultrafiltration. Cet imogolite purifié peut être dissout dans de l'eau osmosée aux concentrations appropriées pour les applications prévues. Tableau II Nb passage [Al+Si] g/l Imogolite g/l Rapport Poids Viscosité du d'ultrafiltr. molaire AI/Si rétentat (kg) rétentat 0 3,2 7,81 1,96 18,2 Bonne 1 30,2 73,82 2,0 1,80 Bonne Le tableau II montre qu'en partant d'un imogolite déjà très pur, ne comprenant pas d'allophanes, il n'y a pratiquement pas de pertes de composés d'aluminosilicates. L'ultrafiltration a simplement permis dans ce cas de concentrer de l'imogolite déjà pur en éliminant de l'eau et les sous-produits (alcools, sels de sodium) issus de la synthèse de l'imogolite. Les valeurs du tableau I de concentration [Al+Si], en imogolite et du ratio Al:Si pour la solution d'imogolite riche en allophanes et purifiée selon le procédé de l'invention sont similaires à celles du tableau II, obtenues pour une solution O10 d'imogolite connue comme présentant un haut degré de pureté. Ceci montre que le procédé de l'invention permet d'extraire l'imogolite et d'éliminer les allophanes. REVENDICATIONS 1 - Procédé de purification d'une dispersion aqueuse d'un mélange de particules colloïdales d'aluminosilicates dans lequel on purifie ledit mélange par ultrafiltration pour obtenir dans le rétentat un aluminosilicate polymère fibreux, du type imogolite, présentant un rapport molaire AI: Si compris entre 1,8 et 2,5. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on purifie ledit mélange par ultrafiltration pour obtenir dans le rétentat un aluminosilicate polymère fibreux présentant un rapport molaire AI:Si compris entre 1,9 et 2. O10 3 - Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on purifie ledit mélange par ultrafiltration tangentielle. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on utilise une membrane d'ultrafiltration à base de polyéthersulfone. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le flux laminaire en rétentat est sensiblement égal à 11/min pour une surface membranaire de lm2. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel on préfiltre ledit mélange avant l'étape d'ultrafiltration.