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PROCEDE POUR OBTENIR DU CARBONE PUR .
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#"-."#"-."-."#"#"#"#"#"-"-"#"-"# Conv.Int.:priorité du brevet français déposé le 15 mars 1927 en faveur de Monsieur Daniel GARDNER
Cette invention concerne la fabrication du carbone pur provenant des matières contenant du carbone, telles que : coke, charbon de bois et autres produits du bois contenant du carbone, et en général de toutes ma- tières obtenues par calcination de matières organiques .
On connaît des procédés par lesquels, le char- bon de bois, le coke, et d'autres matières contenant du carbone, sont soumis à un simple traitement par un acide, et d'autres procédés par lesquels ces substances sont soumises à un simple traitement par des alcalis? mais ni les uns ni les autres de ces procédés n'ont
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donné la possibilité d'obtenir un carbone pur exempt des impuretés organiques et en même temps exempt des impure- tés inorganiques .
Ceci est particulièrement le cas si le coke ou le charbon de bois ou les autres matières ne sont pas pulvérisés à une finesse telle que les réactions puissent s'opérer de manière rapide, uniforme et complète, entre la poudre et les réactifs employés.
Si, par exemple, le charbon de bois pulvéri- sé est traité par l'acide nitrique concentré on débarrasse le charbon de bois seulement partiellement de ses impu- retés organiques, mais les impuretés inorganiques telles que: la silice, l'oxyde de titane, etc. qui sont toujours présentes dans les matières premières, restent inattaquées dans le charbon de bois. C'est la présence de telles impuretés qui explique la teinte bleu-grisâtre du produit obtenu par ce traitement. Si le coke est traité par un puissant agent oxydant tel qu'une solution acide de permang&nate ou d'acide chromique et même après avoir été finement broyé, il n'est que partiellement exempt, après plusieurs lavages, des impuretés organiques, tandis que les impuretés inorganiques subsistent.
On n'arrive mêm pas à un résultat pratique même si on traite le produit ainsi obtenu par une solution concentrée alcaline qui n'attaque que légèrement quelques-unes des impuretés inorganiques, contenues dans la matière première. Même des réactifs aussi puissants que Tes vapeurs de chlore, de brome et d'acide fluorhydrique, etc. n'aident pas, à une température normale, à obtenir du charbon chimique- ment pur.
En réalité, il n'existe pas d'agent chimique suffisamment énergique susceptible à lui seul d'éliminer complètement ou même en grande partie les impuretés orga- niques et inorganiques du charbon de bois, coke, etc. et
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cela indépendamment, en ce qui concerne le charbon de bois, de la température qui a permis d'obtenir la carboni- sation du bois, étant donné qu'elle ne saurait changer de façon appréciable l'effet chimique de ce traitement simple .
L'objet de la présente invention est de sur- monter les inconvénients ci-dessus mentionnés et d'offrir des procédés par lesquels un carbone, d'une très grande
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pureté et d'une pigmentationbntièrement noire, peut être obtenu industriellement .
L'invention consiste en un procédé pour obtenir le carbone exempt d'impuretés organiques et inor- ganiques à tirer de toutes les matières premières conte- nant du carbone, d'abord en les pulvérisant à l'état d'im- palpabilité, puis en les soumettant à l'action d'un acide et, par la suite, d'un mélange d'acides, en lavant ensuite après séparation des liquides, le produit compact ainsi obtenu, en soumettant ce produit à l'action d'une solution alcaline et en le lavant finalement avec de l'eau .
Le produit ainsi obtenu peut être soumis après le traitement alcalin à un nouveau traitement avec une solution d'acide .
Le traitement alcalin peut être remplacé par un traitement qui consiste à faire réagir à haute tempé- rature sur le produit obtenu par le traitement acide, un sel acide en fusion et à laver à grande eau le proauit ainsi obtenu .
Le produit ainsi obtenu peut être soumis à un traitement final pour l'amener à l'état d'impalpabilité avec une pigmentation extrêmement noire .
Ce traitement final peut consister en outre à soumettre le carbone pur à un traitement à haute tempéra- ture, de préférence dans une atmosphère d'un gaz neutre
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ou dans un gaz exempt d'oxygène. On peut avoir avantage à inverser les traitements chimiques, en commençant par l'affinage alcalinsuivi de lavages, et continuant par le traitement acide suivi de lavages.
On peut également faire passer le traitement thermique à haute température dans une atmosphère déter- minée, avant les traitements chimiques.
Pour l'application de ces procédés, les ma- tières premières sont obtenues de préférence par carboni- sation, surtout à basses températures des bois de toute nature et particulièrement du bois non résineux tel que bois dur, hêtre, chêne et autres.
Il est à signaler que la pulvérisation initia- le à l'état d'impalpabilité est une condition essentielle du procédé sans quoi les réactions d'affinage ne peuvent se faire complètement .
L'invention vise également un procédé pour la fabrication du carbone, consistant à carboniser du bois dur ou non-résineux à une température ne dépassant pas 300 degrés pour obtenir le charbon de bois, à réduire ce dernier à l'état d'impalpabilité et à traiter la poudre par de l'acide nitrique concentré, de préférence en présence d'acide sulfurique, à laver le produit ainsi obtenu avec l'eau et à traiter le produit avec un mélange d'acide nitrique concentré et d'acide chlorhydrique concen- tré, à une température élevée, de préférence entre 75 et 80 degrés centigrade, ces opérations étant exécutées en malaxant continuellement les matières, à séparer le produit compact par décantation, à laver le produit encore une fois avec de l'eau,
à le traiter ensuite par une solution alcaline concentrée et à le laver encore avec l'eau.
Ce procédé peut être suivi d'un traitement
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final en soumettant le produit à l'état d'impalpabilité à un traitement thermique dans un gaz neutre ou dans une atmosphère exempte d'oxygène à une température élevée, de préférence entre 1000 et 1300 degrés centigrade.
Le traitement alcalin du paragraphe antépréoé- dent peut être remplacé par une réaction à haute tempéra- ture entre le produit obtenu et du bisulfure de sodium ou de potassium en fusion et en malaxant ensuite conti- nuellement avec de l'eau, ou bien ce traitement peut être suivi par un autre traitement avec une solution d'acide, en malaxant continuellement .
Un exemple de mise en pratique de l'invention est le suivant :
Le charbon de bois est pulvérisé à une telle finesse qu'il peut passer au tamis de 13950 à 19100 mail- les par centimètre carré. La poudre est traitéepar exemple maintenant par de l'acide nitrique concentre de préfé- rence en présence d'acide sulfurique et subséquemment lavée plusieurs fois avec de l'eau. Le carbone obtenu contient encore une certaine quantité d'impuretés organi- ques et une plus grande quantités d'impuretés inorganiques.
Le carbone est alors soumis à un autre trai- tement acide supplémentaire-, c'est-à-dire par un mélange d'acide nitrique concentré et d'acide chlorhydrique con- centré à une température élevée, de préférence à environ 75 à 80 centigrade. Le chlore dégagé et les vapeurs d'acides, attaquent les impuretés inorganiques et les impuretés organiques qui sont encore restées et les réduisent en solutions. Le traitement mentionné doit, pour arriver aux meilleurs résultats, être effectué en malaxant continuellement de façon que l'attaque des fines particu- les de charbon soit complète. La solution obtenue est décantée ou séparée d'une autre façon du produit com- pact, et celui-ci est lavé complètement. Le carbone est
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alors soumis à un traitement par une solution alcaline concentrée de soude caustique, puis bien lavé.
Un carbone complètement pur est maintenant obtenu, mais l'aspect général, et la structure du carbone, ainsi que sa pigmenta- tion noire ne sont pas encore satisfaisants. Comme indiqué plus haut, il est possible et souvent avantageux de changer l'ordre des opérations et de commencer par le traitement alcalin.
Ce carbone chimiquement pur peut être employé pour obtenir le noir de velours qui est la caractéristique du produit connu sous le nom de "carbon black" tiré des gaz naturels aux Etats-Unis, ou obtenu par la combus- tion dans des conditions spéciales de naphtalënes et autres hydrocarbures qui sont riches en carbone.
Le carbone ainsi obtenu, exempt de toute impureté, peut être maintenant l'objet du traitement final qui a pour but de donner le carbone recherché, dans sa forme veloutée avec une pigmentation extrêmement noire.
Le traitement final consiste à soumettre le carbone pur à un traitement thermique, de préférence dans une atmosphère d'un gaz neutre ou dans un gaz exempt d'oxy gène, après que le carbone a été pulvérisé à un état d'impalpabilité complète .
Le traitement thermique se fait à des tempéra- tures élevées, spécialement entre 1000 et 1300 degrés centigrade.
Dans certains cas, il est préférable de remplacer le traitement alcalin mentionné ci-dessus, en faisant réagir à haute température sur le produit qui a été obtenu par les traitements acides, un sel acide en fusion, tel que. le bisulfate de sodium ou de potassium.
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Par ce traitement, les impuretés inorganiques deviendront tout à fait solubles par malaxage du produit fondu avec de l'eau.
A titre de variante, le produit résultant du traitement alcalin, peut, après lavage à l'eau être traité une fois de plus avec une solution acide;le tout doit être continuellement malaxé comme précédemment pour rendre la réaction plus efficace
Egalement à titre de variante, le traitement thermique à haute température dans une atmosphère déter- minée peut, dans certains cas, être exécuté avant les affi- nages chimiques.
Il est entendu que tout traitement et lavage doivent être contrôlés par des analyses et essais d'inci- nération. Si ce contrôle donne des résultats satisfaisants il peut se faire que le traitement thermique devienne inutile, sauf le cas où il est désirable d'obtenir la graphitisation du carbone pur qui ne se produit qu'à de hautes températures supérieures même à 1.300 degrés centigrade.
D'autre part, si le pourcentage des matières organiques est trop élevé en peut introduire dans les lavages un lavage à l'alcool ou autres dissolvants or- ganiques.
On a trouvé qu'un très bon résultat est obtenu en partant des matières premières (charbon de bois) qui sont obtenues par exemple du chêne, du hêtre et autres bois durs non résineux ayant été carbonisés à une tempéra- ture relativement basse, de préférence n'excédant pas 300 degrés centigrade. Le charbon de bois ainsi obtenu, est pulvérisé et traité comme cu-dessus décrit. Les bois résineux, cependant peuvent être employés et traités de la même façon .
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Le produit ainsi obtenu est exactement le même, en qualité et en aspect, que les meilleurs carbones dans leur forme veloutée et leur pigmentation extrêmement noire, tel qu'ils sont connus aujourd'hui sur le marché mondial.
Bien entendu, le procédé mentionné ci-dessus, peut être modifié, si, c'est nécessaire, et il peut être appliqué non seulement au charbon de bois et au coke, mais aussi à toutes les autres matières contenant du carbone, tel que lignite, charbon de terre et autres* Les acides et alcalis employés peuvent aussi varier selon la nature des impuretés qui sont à attaquer et à extraire.
Les températures des traitements et les degrés de la finesse de la poudre peuvent, bien entendu varier selon la nature et la qualité des matières premières.
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PROCESS FOR OBTAINING PURE CARBON.
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# "-." # "-." -. "#" # "#" # "#" - "-" # "-" # Conv.Int.:priority of the French patent filed on March 15, 1927 in favor of Mr. Daniel GARDNER
This invention relates to the manufacture of pure carbon from carbon-containing materials, such as: coke, charcoal and other carbon-containing wood products, and in general any materials obtained by calcining organic materials.
Processes are known by which charcoal, coke, and other carbon-containing materials are subjected to simple treatment with acid, and other processes by which these materials are subjected to simple acid treatment. treatment with alkalis? but neither of these processes have
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given the possibility of obtaining a pure carbon free from organic impurities and at the same time free from inorganic impurities.
This is particularly the case if the coke or charcoal or other materials are not pulverized to such a fineness that the reactions can proceed rapidly, uniformly and completely, between the powder and the reagents employed.
If, for example, pulverized charcoal is treated with concentrated nitric acid, the charcoal is only partially freed of its organic impurities, but inorganic impurities such as: silica, titanium oxide , etc. which are always present in the raw materials, remain unattacked in the charcoal. It is the presence of such impurities which explains the grayish-blue tint of the product obtained by this treatment. If the coke is treated with a strong oxidizing agent such as an acidic solution of permangate or chromic acid and even after having been finely ground, it is only partially free, after several washes, of organic impurities, while the inorganic impurities remain.
Even a practical result is not achieved even if the product thus obtained is treated with a concentrated alkaline solution which only slightly attacks some of the inorganic impurities contained in the raw material. Even reagents as powerful as your vapors of chlorine, bromine and hydrofluoric acid, etc. do not help, at normal temperature, to obtain chemically pure carbon.
In reality, there is no such thing as a sufficiently vigorous chemical agent which on its own can completely or even largely remove organic and inorganic impurities from charcoal, coke, etc. and
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this independently, as regards the charcoal, of the temperature which made it possible to obtain the carbonization of the wood, since it could not appreciably change the chemical effect of this simple treatment.
The object of the present invention is to overcome the above-mentioned drawbacks and to provide methods by which a carbon of very high
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purity and completely black pigmentation, can be obtained industrially.
The invention consists of a process for obtaining the carbon free of organic and inorganic impurities to be obtained from all the raw materials containing carbon, first by pulverizing them in an impalpable state, then by subjecting them to the action of an acid and, subsequently, of a mixture of acids, then washing after separation of the liquids, the compact product thus obtained, by subjecting this product to the action of a alkaline solution and finally washing it with water.
The product thus obtained can be subjected after the alkaline treatment to a further treatment with an acid solution.
The alkaline treatment can be replaced by a treatment which consists in reacting at high temperature with the product obtained by the acid treatment, a molten acid salt and in washing the product thus obtained with plenty of water.
The product thus obtained can be subjected to a final treatment to bring it to the state of impalpability with an extremely black pigmentation.
This final treatment may further consist in subjecting the pure carbon to a treatment at high temperature, preferably in an atmosphere of an inert gas.
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or in an oxygen-free gas. It may be advantageous to reverse the chemical treatments, starting with the alkaline refining followed by washing, and continuing with the acid treatment followed by washing.
The heat treatment can also be carried out at high temperature in a specific atmosphere, before the chemical treatments.
For the application of these processes, the raw materials are preferably obtained by carbonization, especially at low temperatures, of woods of all kinds and particularly of non-resinous wood such as hardwood, beech, oak and others.
It should be noted that the initial spraying in the impalpable state is an essential condition of the process, without which the refining reactions cannot take place completely.
The invention also relates to a process for the manufacture of carbon, consisting in carbonizing hard or non-resinous wood at a temperature not exceeding 300 degrees to obtain the charcoal, in reducing the latter to the impalpable state and in treating the powder with concentrated nitric acid, preferably in the presence of sulfuric acid, in washing the product thus obtained with water and in treating the product with a mixture of concentrated nitric acid and concentrated hydrochloric acid - tré, at a high temperature, preferably between 75 and 80 degrees centigrade, these operations being carried out by continuously mixing the materials, to separate the compact product by settling, to wash the product again with water,
then treating it with a concentrated alkaline solution and washing it again with water.
This process can be followed by treatment
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final by subjecting the product in the impalpable state to heat treatment in an inert gas or in an oxygen-free atmosphere at an elevated temperature, preferably between 1000 and 1300 degrees centigrade.
The alkaline treatment in the anteprecedent paragraph can be replaced by a reaction at high temperature between the product obtained and molten sodium or potassium disulphide and then continuously kneading with water, or else this treatment can be followed by further treatment with an acid solution, kneading continuously.
An example of the practice of the invention is as follows:
The charcoal is pulverized to such a fineness that it can pass through a sieve from 13,950 to 19,100 meshes per square centimeter. The powder is now treated, for example, with concentrated nitric acid, preferably in the presence of sulfuric acid and subsequently washed several times with water. The resulting carbon still contains a certain amount of organic impurities and a greater amount of inorganic impurities.
The carbon is then subjected to a further additional acid treatment, i.e. by a mixture of concentrated nitric acid and concentrated hydrochloric acid at an elevated temperature, preferably at about 75 to 80. centigrade. The released chlorine and the acid vapors attack the inorganic impurities and the organic impurities which still remain and reduce them to solutions. In order to achieve the best results, the aforementioned treatment should be carried out by mixing continuously so that the attack of the fine carbon particles is complete. The resulting solution is decanted or otherwise separated from the compact product, and the latter is washed thoroughly. Carbon is
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then subjected to a treatment with a concentrated alkaline solution of caustic soda, then washed well.
Completely pure carbon is now obtained, but the general appearance, and the structure of the carbon, as well as its black pigmentation are not yet satisfactory. As indicated above, it is possible and often advantageous to change the order of operations and start with the alkaline treatment.
This chemically pure carbon can be used to obtain the velvet black which is the characteristic of the product known as "carbon black" obtained from natural gases in the United States, or obtained by the combustion under special conditions of naphthalenes. and other hydrocarbons which are rich in carbon.
The carbon thus obtained, free from any impurity, can now be the object of the final treatment which aims to give the desired carbon, in its velvety form with an extremely black pigmentation.
The final treatment consists of subjecting the pure carbon to heat treatment, preferably in an atmosphere of a neutral gas or in an oxygen-free gas, after the carbon has been sprayed to a state of complete impalpability.
The heat treatment takes place at high temperatures, especially between 1000 and 1300 degrees centigrade.
In some cases, it is preferable to replace the alkaline treatment mentioned above, by reacting at high temperature on the product which has been obtained by the acid treatments, a molten acid salt, such as. sodium or potassium bisulfate.
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By this treatment, the inorganic impurities will become quite soluble by mixing the molten product with water.
As a variant, the product resulting from the alkaline treatment can, after washing with water, be treated once more with an acid solution; the whole must be continuously mixed as before to make the reaction more efficient.
Also alternatively, the high temperature heat treatment in a specific atmosphere can in some cases be carried out prior to the chemical refinements.
It is understood that all treatment and washing must be controlled by analyzes and incineration tests. If this control gives satisfactory results, it may happen that the heat treatment becomes unnecessary, except in the case where it is desirable to obtain the graphitization of pure carbon which only occurs at high temperatures above even 1,300 degrees centigrade.
On the other hand, if the percentage of organic matter is too high, it can introduce washing with alcohol or other organic solvents into the washings.
It has been found that a very good result is obtained starting from raw materials (charcoal) which are obtained for example from oak, beech and other non-resinous hardwoods which have been charred at a relatively low temperature, preferably. not exceeding 300 degrees centigrade. The charcoal thus obtained is pulverized and treated as described above. Softwoods, however, can be used and treated in the same way.
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The product thus obtained is exactly the same, in quality and appearance, as the best carbons in their velvety form and extremely black pigmentation, as they are known today on the world market.
Of course, the above-mentioned process can be modified, if necessary, and it can be applied not only to charcoal and coke, but also to all other carbon-containing materials, such as lignite. , charcoal and others * The acids and alkalis used can also vary according to the nature of the impurities which are to be attacked and extracted.
The temperatures of the treatments and the degrees of fineness of the powder can, of course, vary according to the nature and the quality of the raw materials.