Brevet FR3158729A1 — publié le 20250801

Procédé de production de charges minérales silico-calcaires par lavage de terres La présente invention porte sur un procédé de fabrication d’une charge minérale silico-calcaire, ladite charge comprenant les composés suivants pour 100 % en poids : CaCo 3 : 50 % ; SiO 2 : 25 % ; Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 (kaolinite) : 10 % ; KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(OH) 2 (muscovite) : 10 % ; et MgCO 3 , Fe 3 O 4 , CaSO 4 .2H 2 O : 5 %. Procédé de production de charges minérales silico-calcaires par lavage de terres La présente invention porte sur une charge minérale silico-calcaire qui peut être utilisée, entre autres, dans les industries de la plasturgie et du papier en remplacement des charges habituelles. Elle porte également sur un procédé de préparation de ces charges minérales. La Société déposante a mis au point un procédé de lavage de terres décrit dans le brevet français FR 3102985. Ce procédé permet d’obtenir des boues de fines ( Les charges telles que le carbonate de calcium sont utilisées dans de nombreux secteurs comme dans le domaine des polymères, des caoutchoucs ou le papier pour conférer des propriétés mécaniques aux produits dans lesquels les charges sont introduites. Ces charges sont notamment produites par extraction minière (forme GCC – Ground Calcium Carbonate) ou dans le cas du carbonate de calcium par précipitation chimique (forme PCC – Precipitated Calcium Carbonate). Ces procédés ont un impact environnemental important et il est nécessaire de rechercher des pratiques plus durables. La Société déposante a perfectionné le procédé de lavage de terres afin de pouvoir produire une charge minérale qui est appropriée pour être utilisée dans les domaines de la plasturgie ou dans l’industrie papetière. A cet effet, la présente invention porte sur un procédé d’obtention d’une charge minérale à partir de terres, caractérisé par le fait qu’il comprend les étapes suivantes : (a) retrait des macrodéchets, tels que morceaux de bois, de métal, de béton, de câbles électriques, de matière plastique, à partir des terres ; (b) débourbage pour créer un mélange fluide de gravillons, de sable et de fines ; (c) lavage/criblage de ce mélange par des jets d’eau haute pression pour obtenir : d’une part, une fraction gravillonnaire (G) ; et d’autre part, une pulpe sableuse contenant, dans de l’eau, du sable et des fines ( (d) hydrocyclonage de la pulpe sableuse pour obtenir, en souverse, une fraction sableuse (S) et, en surverse, une boue aqueuse de fines (F) ( (d1)premier hydrocyclonage de la pulpe sableuse pour obtenir : en souverse, une boue aqueuse de sable et de fines ; et en surverse, une boue aqueuse de fines (F) ; (d2) second hydrocyclonage de la boue aqueuse de sable et de fines résultant du premier hydrocyclonage pour obtenir : d’une part, une fraction sableuse (S) ; et d’autre part, une boue aqueuse de fines (F) ; et (e) le cas échéant, décantation de la ou des boues aqueuses de fines (F) pour en réduire la teneur en eau et/ou (f) déshydratation partielle par exemple par pressage ou centrifugation de la ou des boues aqueuses de fines (F) ; (g) calibrage/émottage des gâteaux de filtration obtenus après l’étape (f) pour obtenir des morceaux de taille d’environ 40 mm ; (h) pré-séchage des morceaux obtenus à l’étape (g) à une température de 750°C dans un tube sécheur rotatif avec de l’air chaud circulant à contre-courant ; (i) micronisation des morceaux séchés obtenus à l’étape (h) à une température de micronisation de 450°C par séchage flash pour obtenir une poudre ayant une teneur en humidité inférieure à 1 % ; (j) classification par un séparateur dynamique des morceaux séchés par séchage flash obtenus à l’étape (i) pour obtenir une poudre de diamètre D90 On peut effectuer un seul cyclonage (d) dans le cas d’une teneur en fines inférieure à 15% en masse dans la terre brute, et deux cyclonages successifs (d1 et d2) dans le cas d’une teneur en fines dans la terre brute de 15 à 40 % en masse. A l’étape (c), on peut procéder à un lavage sous jets d’eau haute pression de la fraction gravillonnaire (G) obtenue par exemple dans un débourbeur à palettes, une petite fraction aqueuse de fines étant alors obtenue, qui peut également être utilisée dans la fabrication du béton. A l’étape (d1), on peut adresser la boue aqueuse de sable et de fines obtenue en souverse à au moins une cellule d’attrition pour nettoyer le sable de fines particules argileuses collées à celui-ci, avant d’envoyer cette boue au deuxième hydrocyclonage (d2). La présente invention porte également sur une charge minérale caractérisée par le fait qu’elle comprend les composés suivants pour 100 % en poids : CaCO 3 : 40 % à 60 % ; SiO 2 : 20 % à 30 % ; Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 (kaolinite) : 5 % à 20 % ; KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(OH) 2 (muscovite) : 5 % à 20 % ; et MgCO 3 , Fe 3 O 4 , CaSO 4 .2H 2 O : 0 % à 10 %. En particulier, la charge minérale caractérisée peut comprendre les composés suivants pour 100 % en poids : CaCo 3 : 50 % ; SiO 2 : 25 % ; Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 (kaolinite) : 10 % ; KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(OH) 2 (muscovite) : 10 % ; et MgCO 3 , Fe 3 O 4 , CaSO 4 .2H 2 O : 5 %. La charge minérale selon la présente invention peut présenter une granulométrie D90 de 50 µm et une granulométrie D50 de 15 µm. La granulométrie D50 correspond à la taille médiane des grains, la granulométrie D90 correspond au diamètre pour lequel 90% en volume des particules de l’échantillon ont un diamètre plus petit. La charge selon la présente invention peut être utilisée comme charge dans le domaine de la plasturgie en étant incorporée dans des polymères tels que le PVC ou les polyoléfines comme le polypropylène, dans le caoutchouc ou les élastomères éthylène-propylène-diène monomère (EPDM), ou dans la fabrication du papier. Les exemples suivants illustrent la présente invention sans toutefois en limiter la portée. Exemple 1 Fabrication d’une charge minérale à partir de terres On a conduit le procédé suivant : (a) Pré-traitement d’une terre à traiter On extrait les macro-déchets de la terre à traiter, laquelle contient un pourcentage de fines de 30 %. (b) Débourbage On réalise un débourbage de la terre obtenue en (a). Cette étape permet de laver les graviers afin d’en détacher les particules fines de boue. Cette étape permet également de séparer les matières flottantes, telles que des matières plastiques, provenant des macro-déchets. (c) Criblage/tamisage sous eau Grâce à la superposition de trois tamis (60 mm, 22 mm et 6 mm), une cribleuse-laveuse assure la séparation des fragments de matière en deux parties (6/60mm et 0/6mm). Le tamis de 22mm sert uniquement de tamis intermédiaire de «protection», évitant l’arrivée trop rapide et brutale de la fraction moyenne sur le tamis de 6mm. Les jets d’eau haute pression placés en amont de la cribleuse exercent des forces de cisaillement sur la matière et favorisent ainsi la séparation des fines. Alors que les mouvements verticaux des tamis permettent de disperser la matière et de casser les agglomérats, la composante d’avancement assure la progression des produits vers leur exutoire. Les gravillons (G) (6/60mm) sont dirigés vers un débourbeur à palettes tandis qu’une pulpe sableuse formée de sable (0/4mm) et de fines ( Constitué de deux arbres s’apparentant à des vis sans fin tournant en sens opposé, le débourbeur à palettes termine le lavage des gravillons (G). Le passage sous des jets d’eau haute pression crée des forces de cisaillement sur la matière et favorise ainsi la séparation des fines et leur transfert dans l’eau. Les fines sont ensuite pompées vers le bassin de boues. Les gravillons (G) propres obtenus à l’exutoire sont stockés dans la zone dédiée. Le débourbeur à palettes permet également d’évacuer les flottants (éléments légers, plastiques, matière charbonneuse poreuse, …). Ces flottants sont ensuite mis en stock dans la zone dédiée. (d1) Première étape d’hydrocyclonage La pulpe sableuse obtenue en sortie de la cribleuse laveuse est envoyée vers un premier hydrocyclone. L’hydrocyclonage permet de séparer la fraction de sable relativement propre des fines. Le principe de fonctionnement d’un hydrocyclone repose sur la différence de masse des particules. Il est alimenté tangentiellement en sa partie supérieure par le mélange eau + sables + fines ( A l’issue de cette étape, le sable évacué en souverse contient une portion encore non négligeable de fines (mélange obtenu en souverse: sable 80%, fines 20%). Il est donc acheminé vers des cellules d’attrition. La boue aqueuse de fines obtenue en surverse est envoyée vers le bassin de récupération des boues. (d2) Second hydrocyclonage Les cellules d’attrition permettent d’améliorer la qualité finale du sable en le débarrassant d’une grande quantité de fines. Chaque cellule comporte un arbre rotatif muni de deux pales de forme spécifique permettant de brasser énergiquement la suspension de sable. Lors de leur passage successif dans les cellules, les particules de sable subissent d’importantes forces de frottement les unes contre les autres. Ces forces ont pour effet de décoller les particules fines argileuses qui subsistaient. La suspension obtenue en sortie de la dernière cellule alimente un deuxième hydrocyclone qui, comme le premier, permet de séparer la fraction de sable (S) de la boue aqueuse de fines. Le sable propre (S) obtenu en sortie du deuxième hydrocyclone passe ensuite sur une table vibrante permettant de l’essorer. A l’issue de ce traitement, il sort propre avec une concentration résiduelle en fines de 3-4% et une teneur en eau de 8-10%. Il est ensuite déplacé et mis en stock dans une zone dédiée. Les eaux chargées en fines sont collectées tout au long du processus (au niveau débourbeur à palettes, les deux étapes d’hydrocyclonage) et sont envoyées vers le bassin de récupération de boues. Le taux d’humidité de la boue dans le bassin est de 90 à 95 %. (e) Décantation de la boue aqueuse de fines Les eaux du bassin de récupération de boues sont ensuite pompées vers un silo de décantation. Afin d’accélérer le processus de décantation au sein du silo, on peut ajouter un floculant. Ce floculant est injecté dans la solution via un procédé appelé homogénéisation en ligne, c’est-à-dire que le floculant est injecté à plusieurs endroits de la conduite qui amène la solution en haut du silo de décantation. Le temps de décantation des fines dans le silo est d’environ 120s. Cette vitesse extrêmement rapide explique le remplissage en continu du bassin d’eau claire en sortie du silo. Dans le silo de décantation, les fines sont récupérées en souverse vers un bassin de boues alimentant les filtres-presses tandis que l’eau propre est évacuée en surverse dans le bassin d’eau claire avant d’être réinjectée après filtration dans le procédé. Le taux d’humidité des boues recueillies dans le bassin de boues est de l’ordre de 60%. (f) Filtration des boues sur filtres-presses Les boues stockées dans le bassin de boues sont ensuite acheminées vers des filtres-presses afin de réduire le taux d’humidité de 60% à 30%. Un filtre-presse est constitué de plusieurs chambres disposées les unes à côté des autres. Les fines sont injectées en entrée avec une pression de 12 bars (pression qui sera maintenue constante au cours de la filtration). Les fines sont injectées dans chaque chambre par injection centrale. Des petits trous au niveau des parois de chaque chambre permettent l’évacuation de l’eau. L’eau évacuée par la filtration sort du filtre et s’écoule le long d’une gouttière de récupération. En sortie de cette gouttière, une sonde mesure en temps réel le débit d’eau évacué. Lorsque ce débit est devenu suffisamment faible, la filtration est terminée. La sonde envoie l’information à l’automate qui commande le débâtissage des plaques. Le taux d’humidité des gâteaux de filtration en sortie de procédé s’élève à 30%. Le temps de cycle des filtres-presses peut varier, en fonction de la nature des fines, entre 45 minutes et 4 heures. Les gâteaux de filtration sont entreposés dans le hangar tente dédié pour permettre un séchage naturel de la matière. (g) Calibrage/émottage Les matériaux stockés dans le hangar tente seront repris par une chargeuse, et, vidés dans une trémie d’alimentation qui va permettre de réguler la cadence du procédé global. La trémie est équipée d’un système d’émottage/calibrage de la matière à une taille d’environ 40mm. (h) Pré-séchage Les morceaux émottés obtenus à l’étape (g) sont introduits dans un tube sécheur rotatif avec de l’air chaud à une température de 750°C circulant à contre-courant des morceaux émottés. Ce pré-séchage permet d’enlever environ 90% de l’humidité résiduelle. Les morceaux pré-séchés sortent du tube sécheur rotatif avec une humidité résiduelle d’environ 3% H 2 O. (i) Micronisation Les morceaux pré-séchés subissent ensuite une micronisation intensive par séchage flash dans une ambiance haute température (environ 450°C) qui achève le séchage tout en éclatant les agrégats de matière minérale. La poudre obtenue présente une humidité inférieur à 1 %. (j) Classification La poudre micronisée est adressée à un séparateur dynamique pour obtenir la charge à la granulométrie souhaitée avec un D90 inférieur à 50 µm, i.e. que 90 % de la poudre présente un diamètre inférieur à 50 µm. Le refus de classification est renvoyé à l’entrée du microniseur de l’étape (i). La charge minérale est ensuite stockée dans des silos de stockage à atmosphère contrôlée pour éviter la reprise d’humidité de la matière séchée. Dans tout le procédé, les fumées de séchage sont traitées par passage au travers de filtres à manches hautes températures, avec boucles de recirculation pour préchauffer les gaz, et, donc réduire les consommations. Les gaz traités sont rejetées dans l’atmosphère par l’intermédiaire d’une cheminée. La charge minérale obtenue présente la composition suivante, en pourcentage en masse : Carbonate de calcium (CaCO 3 ) : 50 % Silice (SiO 2 ) : 25 % Kaolinite (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ) : 10 % Muscovite KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(OH) 2 : 10 % Carbonate de magnésium (MgCO 3 ), Oxyde de fer (II, III) (Fe 3 O 4 ), Gypse (CaSO 4 , 2H 2 O) : 5 % Exemple 2 Incorporation de la charge selon l’invention dans des formules PVC Formulation Deux formulations ayant les compositions suivantes ont été préparées : Selon l’invention Référence Composant Quantité (% en masse) Quantité (% en masse) PVC (homopolymère de chlorure de vinyle de KWert de 70 commercialisé par la société Arkema sous la dénomination Lacovyl® S7015 47,3 47,3 Plastifiant DOPT (téréphtalate de bis(2-éthylhexyle)) 42,6 42,6 Agent de protection TQP601 0,7 0,7 Charge selon l’invention 9,5 - Carbonate de calcium traité commercialisé par la société Omya sous la dénomination Omya® EXH1 - 9,5 Obtention de plaques Tous les ingrédients de la formulation ont été mélangés dans un récipient afin d’obtenir une pâte homogène. Un mélangeur à cylindres (N°5000) est utilisé avec des températures de cylindres de 165°C et des vitesses de rotation de respectivement 20 tours par minute et 18 tours par minute pour le cylindre avant et le cylindre arrière. La pâte est mise progressivement sur les cylindres et sort des cylindres sous forme de crêpes. Des plaques sont ensuite obtenues par compression dans un moule cadre. Résultats Les résultats de la formulation selon l’invention et de la formulation comparative sont indiqués dans le tableau suivant. Selon l’invention Comparatif Dureté Shore A (selon norme ISO 48-4) 69,4 67,5 Résistivité électrique (selon la norme NF EN 62631-3-1 : 2016) (Ω.m) 1,71*10 11 4,31*10 10 La formulation selon la présente invention présente une meilleure dureté et une bien meilleure résistivité électrique par comparaison avec la formulation comparative. Exemple 3 Incorporation de la charge selon l’invention dans un élastomère Formulation Deux formulations ayant les compositions suivantes ont été préparées : Selon l’invention Comparatif Ingrédients Quantité (pce) Quantité (pce) éthylène-propylène-diène monomère (EPDM) commercialisé par la société Arlanxeo sous la dénomination Keltan® 8550 100 100 Noir de carbone N550 50 50 Huile minérale commercialisée par la société Total sous la dénomination Torilis® 6200 15 15 Mélange de paraffines et micro-cires commercialisé par la société Rhein Chemie Rheinau GmbH sous la dénomination Antilux® 500 1 1 Acide stéarique 1 1 ZnO 3 3 Soufre 1,5 1,5 Accélérateur de durcissement commercialisé par la société Rhein Chemie Rheinau GmbH sous la dénomination Rhenogran® CBS80 2,5 2,5 Disulfure de dibenzothiazyle (MBTS) 1 1 Disulfure de bis(diméthylthiocarbamoyl) (TBzTD 70) 1 1 Charge selon l’invention 75 - Carbonate de calcium commercialisé par la société Imerys sous la dénomination Micronic O - 75 Obtention Les mélanges ont été préparés dans une mélangeur interne Banbury 3.2 L avec une température de régulation de 60°C et une vitesse initiale de rotors de 60 tours par minute avec une masse de mélange de 2834 g. Les composés sont introduits puis un coup de piston est effectué après 1’30’’, un coup de piston est effectué après 3’00’’ et la vitesse passe à 50 tours par minute. Un coup de piston est effectué après 4’00’’ et la tombée du mélange a lieu après 5’00’’. Ensuite les mélanges sont accélérés sur un mélangeur ouvert AGILA (ø 300x700) avec une température de régulation de 60°C, un écartement des guides gommes de 40 cm, une vitesse de cylindre avant de 16 tours par minute et une vitesse de cylindre arrière de 13 tours par minute. Des éprouvettes ont été préparés à partir des compositions mélangées. Résultats Les résultats de la formulation selon l’invention et de la formulation comparative sont indiqués dans le tableau suivant. Selon l’invention Comparatif Dureté Shore A (selon norme ISO 48-4) 74,7 71,5 Dureté DIDC (selon norme ISO 48-2) 76,5 75,8 Traction uniaxiale (selon la norme ISO 37) Allongement à la rupture (%) 297 331 Déchirement DELFT (selon la norme ISO 34-2) Fmaximale (N) Fdéchirement (N) 35,4 19,7 26,4 19,7 Déformation rémanente à la compression (selon la norme ISO 815-1) D.R.C. (%) 28,2 31,9 Les propriétés mécaniques de l’élastomère avec la charge selon la présente invention sont meilleures que celle avec du carbonate de calcium en tant que charge, avec en particulier de meilleures propriétés de dureté, de traction uniaxiale, de résistance au déchirement et un meilleur retour élastique après compression. Exemple 4 Incorporation de la charge selon l’invention dans du papier Préparation Des feuilles de papier ont été préparées à l’aide d’une formette dynamique avec 15 % en masse de charge selon l’invention afin d’obtenir des feuilles de grammage de 70g/m2. Résultats Les feuilles avec la charge selon l’invention ont été comparées avec des feuilles préparées avec 15 % en masse de carbonate de calcium. Selon l’invention Comparatif Index d’éclatement (kPa.m 2 /g) 170 172 Rugosité Bendtsen (mL/min) 920 850 Perméabilité Bendtsen (cm 3 /m 2 .Pa.s) 1100 750 Blancheur R475 (%) 50 87 Opacité (%) 98 86 Les papiers selon la présente invention présentent de bonnes propriétés mécaniques, ainsi que de meilleures propriétés de rugosité et de perméabilité à l’air. Si les charges selon l’invention ont un impact sur la blancheur du papier obtenu, elles permettent par contre d’obtenir un papier avec une très bonne opacité. – Procédé d’obtention d’une charge minérale à partir de terres, caractérisé par le fait qu’il comprend les étapes suivantes : (a) retrait des macrodéchets, tels que morceaux de bois, de métal, de béton, de câbles électriques, de matière plastique, à partir des terres ; (b) débourbage pour créer un mélange fluide de gravillons, de sable et de fines ; (c) lavage/criblage de ce mélange par des jets d’eau haute pression pour obtenir : d’une part, une fraction gravillonnaire (G) ; et d’autre part, une pulpe sableuse contenant, dans de l’eau, du sable et des fines ; (d) hydrocyclonage de la pulpe sableuse pour obtenir, en souverse, une fraction sableuse (S) et, en surverse, une boue aqueuse de fines (F) ; ou (d1)premier hydrocyclonage de la pulpe sableuse pour obtenir : en souverse, une boue aqueuse de sable et de fines ; et en surverse, une boue aqueuse de fines (F) ; (d2) second hydrocyclonage de la boue aqueuse de sable et de fines résultant du premier hydrocyclonage pour obtenir : d’une part, une fraction sableuse (S) ; et d’autre part, une boue aqueuse de fines (F) ; et (e) le cas échéant, décantation de la ou des boues aqueuses de fines (F) pour en réduire la teneur en eau et/ou (f) déshydratation partielle par exemple par pressage ou centrifugation de la ou des boues aqueuses de fines (F) ; (g) calibrage/émottage des gâteaux de filtration obtenus après l’étape (f) pour obtenir des morceaux de taille d’environ 40 mm ; (h) pré-séchage des morceaux obtenus à l’étape (g) à une température de 750°C dans un tube sécheur rotatif avec de l’air chaud circulant à contre-courant ; (i) micronisation des morceaux séchés obtenus à l’étape (h) à une température de micronisation de 450°C par séchage flash pour obtenir une poudre ayant une teneur en humidité inférieure à 1 % ; (j) classification par un séparateur dynamique des morceaux séchés par séchage flash obtenus à l’étape (i) pour obtenir une poudre de diamètre D90 – Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu’on effectue un seul cyclonage (d) dans le cas d’une teneur en fines inférieure à 15% en masse dans la terre brute, et deux cyclonages successifs (d1 et d2) dans le cas d’une teneur en fines dans la terre brute de 15 à 40 % en masse. – Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu’à l’étape (c), on procède à un lavage sous jets d’eau haute pression de la fraction gravillonnaire (G) obtenue par exemple dans un débourbeur à palettes, une petite fraction aqueuse de fines étant alors obtenue, qui peut également être utilisée dans la fabrication du béton. – Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu’à l’étape (d1), on adresse la boue aqueuse de sable et de fines obtenue en souverse à au moins une cellule d’attrition pour nettoyer le sable de fines particules argileuses collées à celui-ci, avant d’envoyer cette boue au deuxième hydrocyclonage (d2).