CH641128A5 - Procede de fabrication en semi-continu de zeolithe a. - Google Patents
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Description
La présente invention concerne un procédé de préparation industrielle de zéolite A en semi-continu.
Les applications des zéolites sont fondées sur leurs propriétés bien connues d'échangeurs cationiques, décrites par exemple dans le «Comprehensive treatise on inorganic and theoretical chemistry» de J. W. Mellor, vol. VI, 2e partie, Longman Éditeurs, 1925, pp. 575-579, et en particulier sur la possibilité d'échanger les atomes de sodium qu'elles renferment contre des ions calcium.
La plus utilisée des zéolites est la zéolite A, de formule Na20, A1203, 2Si02, xH20, où x peut varier de 1 à 8 suivant les conditions de séchage du produit, les produits les plus utilisés correspondant à x = 4 à 5.
Pour favoriser les capacités d'échange de Ca+ + et la sélectivité de la zéolite, celle-ci doit être la plus pure possible et par conséquent être bien cristallisée, toute impureté pouvant être soit inactive, soit moins sélective.
Enfin, lorsque cette zéolite est incorporée dans une lessive, il est essentiel que la répartition granulométrique soit resserrée autour d'un diamètre médian de 2 à 3 |i, suffisamment faible pour éviter les rétentions du produit dans les fibres du textile, mais suffisant pour permettre une séparation aisée solide/liquide de la fabrication.
La synthèse et les propriétés d'échange d'ions des zéolites synthétiques et en particulier de la zéolite A sont bien connues depuis de nombreuses années (voir à ce sujet «Ion Exchange» de Friedrich Helfferich, 1962, McGraw-Hill Book Company, chapitre 2, pp. 10-16).
Les procédés de synthèse sont tous réalisés en discontinu par mélange des éléments Si, Al et Na apportés sous des formes diverses, formant ainsi un gel de silicoaluminate qui précipite. Ce gel est ensuite cristallisé en zéolite A par mûrissement dans la liqueur mère contenant une quantité de soude libre et d'alumine soluble compatible avec le type de zéolite obtenu. Tels sont les procédés décrits par exemple dans les brevets US Nos 2841471 et 2847280, le B.F. No 1404467, le B.E. N° 813581 et la DAS N° 2517218.
Ces précipitations en discontinu entraînent des variations importantes des teneurs en Na2, A1203 et Si02 de la liqueur issue du mélange. Il en résulte une hétérogénéité importante du produit obtenu du point de vue granulométrie, cristallinité et sélectivité d'échange (grosseur des pores).
Un procédé de fabrication entièrement continu, revendiqué par la société Produits Chimiques Ugine-Kulmann dans la demande de brevet N° 77.23373, permet de réaliser la préparation du gel de silicoaluminate de Na à partir d'un mélange de composition constante, mais présente l'inconvénient de nécessiter un nombre relativement important de bacs de mûrissement disposés en cascade pour éviter le court-circuitage d'une certaine proportion de gel fraîchement précipité et obtenir ainsi la granulométrie désirée.
Poursuivant ses travaux dans ce domaine, la titulaire a découvert et mis au point un procédé de fabrication de la zéolite qui pallie les différentes difficultés rencontrées. Ce procédé consiste à préparer,
par précipitation instantanée, un gel de silicoaluminate de Na à partir de solutions de silicate de Na et d'aluminate de Na. Il est caractérisé par le mélange instantané et en continu de ces deux solutions dans un récipient dans lequel le temps de séjour moyen est compris entre 30 s et 20 min pour former un gel dont la cristallisation s'effectue ultérieurement en discontinu.
De la qualité de la réalisation de ce mélange en continu dépend la qualité du produit obtenu.
En effet, ce mélange doit être effectué rapidement et être d'une efficacité telle qu'il n'y ait à aucun moment un excès localisé de silice par rapport à l'alumine (on doit avoir un nombre de moles A1203 ^ 2 mol Si02). Un tel excès de silice, même momentané, entraînerait une dégradation de la qualité du produit en amorçant la précipitation et la cristallisation d'un silicoaluminate autre que la zéolite A.
Le mélange est réalisé en continu, avantageusement dans un réacteur muni d'un système d'agitation permettant une homogénéisation parfaite et instantanée tel qu'une turbine ou tout autre moyen approprié. La capacité de ce réacteur est calculée pour obtenir un temps de séjour moyen compris entre 30 s et 20 min, indispensable pour assurer la formation complète du gel.
L'apport des deux solutions réactionnelles, dont les débits sont réglés, a lieu dans la zone de forte aspiration créée par la turbine. L'action de cette turbine est encore augmentée si on place celle-ci dans une soucoupe fixe ou tournante en même temps qu'elle.
Cette soucoupe est constituée par deux plateaux dont la concavité est dirigée vers la turbine. Ces deux plateaux cloisonnent un volume dans lequel sont injectées ou aspirées les deux solutions réactionnelles.
De préférence, le gel de silicoaluminate de Na ainsi préparé en continu est transvasé par débordement dans un second réacteur, muni d'un système d'agitation, et maintenu à température constante dans une gamme allant de 75 à 100° C afin de permettre la cristallisation de la zéolite A désirée. Cette cristallisation se fait ainsi en discontinu, ce qui présente l'avantage de pouvoir régler à volonté le taux de cristallinité désiré et la granulométrie du produit final, en jouant respectivement sur la durée de mûrissement et les conditions d'agitation.
La préparation en continu du gel de silicoaluminate de Na peut être effectuée à partir, d'une part, de solutions d'aluminate de sodium caractérisées par un rapport moléculaire Al203/Na20 compris entre 0,3 et 0,8, et un rapport H20/Na20 compris entre 5 et 150, lesdites solutions pouvant être obtenues soit par attaque d'alumine hydratée par une lessive de soude, soit prélevées dans un cycle Bayer de fabrication d'alumine et, d'autre part, de solutions de silicate de sodium caractérisées par un rapport moléculaire Si02/Na20 compris entre 2 et 3,5 et un rapport H20/Na20 compris entre 25 et 100, lesdites solutions pouvant être préparées à partir de matières premières, silice et soude, variables suivant les critères économiques, soit silicate de sodium en poudre industriel, soit lessives de silicate de sodium industrielles, soit silice contenue dans des sables et soude, soit soude et gel de silice récupéré d'acide fluosilicique résidu d'un atelier de fabrication de fluorure d'aluminium ou d'acide fluorhydri-que, ou du traitement des gaz dégagés lors du traitement des phosphates naturels, soit de silicate de sodium provenant d'un atelier de dessilicatation des bauxites avant traitement dans les usines de fabrication d'alumine, soit de silice résiduaire obtenue lors de la fabrication de sels d'aluminium par attaque par voie humide de silicoalumi-nates naturels tels que le kaolin ou les argiles, soit de silice obtenue par voie thermique, par exemple lors des fabrications de magnésium, de silicium-métal, ou d'alliages de silicium.
Le mélange provenant de l'addition de ces solutions d'aluminate et de silicate de Na doit présenter un rapport moléculaire A1203/ Si02 compris entre 0,5 et 1,2 et la teneur en Na20 doit en être ajustée pour que la concentration en soude de la liqueur dans laquelle, après précipitation, est réalisée cette cristallisation ne soit pas supérieure à 135 g/1 de NaOH, pour éviter la cristallisation des sili-coaluminates du type feldspathoïde inactifs, mais ne soit pas inférieure à 26 g/1 de NaOH afin que la vitesse de cristallisation de la
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zéolite A soit compatible avec une réalisation industrielle. Après mûrissement du gel de silicoaluminate de Na préparé comme décrit précédemment, on obtient une suspension de zéolite A cristallisée qui est séparée de ses eaux mères par tout moyen de séparation solide/ liquide approprié (décantation, filtration, etc.), puis lavée et séchée.
La zéolite A produite par le procédé décrit ci-dessus possède les caractéristiques suivantes:
— répartition granulométrique resserrée, 90% des grains se situant dans une plage de 4 n pour un diamètre médian compris entre 1 et 10 n ajustable en fonction de l'utilisation prévue,
— capacité d'échange d'ions supérieure à 110 mg de Ca+ + par gramme de produit sec.
La zéolite A ainsi obtenue convient particulièrement à l'utilisation dans les lessives pour adoucir les eaux calcaires.
Les exemples suivants illustrent l'invention.
Exemple 1
Par attaque à 100° d'alumine hydratée par une solution de soude, on prépare une solution A d'aluminate de Na renfermant 54,3 g d'Al2 03 et 81,1 g de NazO au litre (soit des rapports A1203/ Na20 et H20/Na20 respectifs de 0,40 et 42).
Par dissolution dans l'eau de silicate de Na en poudre industriel, on prépare une solution B de silicate de Na renfermant 137,4 g de Si02 et 47,2 g de Na20 au litre (soit des rapports Si02/Na20 et H20/Na20 respectifs de 3 et 69).
On prépare un gel de silicoaluminate de Na ayant un rapport Al203/Si02 de 0,6 en envoyant simultanément, à la température de 90° C, 0,861 de solution A et 0,3441 de solution B dans un réacteur du type décrit précédemment, et dont le volume a été calculé pour obtenir un temps de séjour moyen de 45 s. Le gel ainsi obtenu est transvasé par débordement dans le réacteur de mûrissement. Cette opération a été poursuivie pendant 10 min. On procède ensuite au mûrissement du gel ainsi obtenu dans ce dernier réacteur qui est maintenu à la température de 90° C et muni d'une agitation permettant de maintenir efficacement en suspension la zéolite en cours de cristallisation.
Après 6 h de mûrissement, la zéolite est séparée des eaux mères par filtration, lavée et séchée à l'étuve à 90° C. On obtient 140 g de produit dont le diagramme de diffraction aux rayons X est celui de la zéolite A cristallisée. La granulométrie est comprise entre 1,5 et 10 |i avec un diamètre moyen de 2,9 |i.
Le pouvoir séquestrant des ions Ca++ est de 115 mg de Ca par gramme de produit anhydre et la zéolite A obtenue présents la courbe granulométrique suivante:
Proportion (% en poids)
Diamètre (n)
2
1,5
10
1,9
25
2,35
50
2,9
75
3,7
90
4,6
98
6
Exemple 2
La solution A d'aluminate de Na a été préparée comme précédemment par attaque d'alumine hydratée par une lessive de soude et renferme 53 g d'Al203 et 79 g de Na20 au litre (soit des rapports Al203/Na20 et H20/Na20 respectifs de 0,40 et 44).
La solution B de silicate de Na a été préparée à partir d'une silice dite ex H2SiF6 qui présente l'avantage d'être d'un coût très faible, puisqu'il s'agit d'un résidu d'un atelier de fabrication de fluorure d'aluminium. Cette silice, très réactive, peut être facilement attaquée par une solution de NaOH à 100° C et permet d'obtenir une solution de silicate de Na renfermant 127,9 g de Si02 et 37,8 g de Na20 au litre (soit des rapports Si02/Na20 et H20/Na20 respectifs de 3,5 et 88).
0,78 1 de solution A et 0,313 1 de solution B sont traités selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 1. La zéolite A finale obtenue a un pouvoir séquestrant de 111 mg de Ca+ +/g de produit anhydre et une granulométrie comprise entre 3 et 15 n avec un diamètre moyen de 6 |a:
Proportion (% en poids)
Diamètre (y.)
2
4
10
5
25
6
50
7,2
75
8,8
90
10,5
98
15
Exemple 3
La solution A d'aluminate de Na est constituée par une solution dite claire de 1er laveur prélavée dans une unité de fabrication de l'alumine selon le procédé Bayer et renferme 59 g d'Al203 et 62,1 g de Na20 au litre (soit des rapports Al203/Na20 et H20/Na20 respectifs de 0,58 et 56).
La solution B de silicate de Na est obtenue par dissolution dans l'eau de silicate de Na en poudre industriel et renferme 137 g de Si02 et 40 g de Na20 au litre (soit des rapports Si02/Na20 et H20/Na20 respectifs de 3,5 et 82).
1,2701 de solution A et 0,4101 de solution B (ce qui correspond à un rapport Al203/Si02 du mélange réactionnel final de 0,8) sont traités selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 1. La zéolite A finale obtenue a un pouvoir séquestrant de 120 mg de Ca+ + par gramme de produit anhydre et une granulométrie comprise entre 2 et 8 n avec un diamètre moyen de 4,8 |i:
Proportion (% en poids) Diamètre (n)
2 2,6
10 3,3
25 4
50 4,7
75 6
90 7
98 9
Exemple 4
La solution A d'aluminate de Na est constituée à partir d'une solution dite liqueur décomposée prélevée dans une unité de fabrication d'alumine selon le procédé Bayer, renfermant 98,3 g d'Al203 et 165,5 g de Na20 au litre (soit des rapports Al203/Na20 et H20/ Na20 respectifs de 0,36 et 21), rechargée en A1203 par addition d'alumine hydratée à 100° C et diluée pour arriver à une composition finale de 58,5 g d'Al203 et 66,4 g de Na20 au litre (soit des rapports Al203/Na20 et H20/Na20 respectifs de 0,53 et 52). La solution B de silicate de Na est identique à celle décrite dans l'exemple 3.
1,220 1 de solution A et 0,430 1 de solution B (ce qui correspond à un rapport Al203/Si02 du mélange réactionnel final de 0,8) sont traités selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 1. La zéolite A finale obtenue a un pouvoir séquestrant de 120 mg de Ca++ par gramme de produit anhydre et une granulométrie comprise entre 2 et 10 |i avec un diamètre moyen de 4,7 |i:
Proportion (% en poids)
Diamètre (|i)
2
2,6
10
3,3
25
4
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4,7
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Exemple 5
La solution A a été préparée comme dans l'exemple 1 à partir d'alumine hydratée et de lessive de soude et renferme 55 g/1 d'Al203 et 77 g/1 de Na20 (soit des rapports Al203/Na20 et H20/Na20 respectifs de 0,43 et 63).
La solution B a été préparée par dissolution dans l'eau de silicate de sodium industriel et renferme 138 g/1 de Si02 et 42 g/1 de Na20 (soit des rapports Si02/Na20 et H20/Na20 respectifs de 3,4 et 78).
On prépare un gel de silicoaluminate de Na ayant un rapport Al203/Si02 de 1,1 en envoyant simultanément, à la température de 90° C, 1271 de solution A et 271 de solution B, dans un réacteur du type décrit précédemment et dont le volume a été calculé pour obtenir un temps de séjour moyen de 4 min. Le gel ainsi préparé est transvasé par débordement dans le réacteur de mûrissement. Cette opération a été poursuivie pendant 90 min.
On procède ensuite au mûrissement du gel ainsi obtenu, après 6 h de mûrissement à 90° C et sous agitation, la zéolite est filtrée, lavée et séchée.
On obtient 11 kg de zéolite A ayant un pouvoir séquestrant de 5 120 mg de Ca+ + par gramme de produit anhydre et une granulométrie comprise entre 1,5 et 15 |i avec un diamètre moyen de 3 jj. :
Proportion (% en poids)
Diamètre (jj.)
2
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2,8
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3,8
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r
Claims (3)
1. Procédé de préparation en semi-continu de zéolite A de qualité constante et homogène, consistant à mélanger une solution d'aluminate de sodium et une solution de silicate de sodium, caractérisé par le mélange instantané et en continu de ces deux solutions dans un récipient dans lequel le temps de séjour moyen est compris entre 30 s et 20 min pour former un gel dont la cristallisation s'effectue ultérieurement en discontinu.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la solution d'aluminate est saturée en alumine à la pression atmosphérique.
2
REVENDICATIONS
3. Zéolite A préparée par le procédé selon la revendication 1, ayant une répartition granulométrique resserrée, 95% des grains se situant dans une plage de 2 à 10 n, et ayant un pouvoir séquestrant des ions Ca+ + supérieur ou égal à 110 mg de Ca par gramme de produit anhydre.
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