WO2013139957A1 - Composition minerale a base d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnesium, son procede de preparation et son utilisation - Google Patents

Composition minerale a base d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnesium, son procede de preparation et son utilisation Download PDF

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Robert Sebastian GÄRTNER
Marc Pelletier
Thierry Chopin
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Definitions

  • the present invention relates to a mineral composition based on a mixed solid phase of calcium and magnesium carbonates, to its preparation process and to its use.
  • Synthetic calcium carbonates are known, mainly for uses as fillers (paper, paint, plastics ). For these applications, it is known in particular to synthesize dense carbonates, in particular calcite which is of scalenohedral, rhombohedral or prismatic morphology or aragonite of acicular morphology.
  • compositions based on calcium carbonates and synthetic magnesium are also known, which are especially used in the field of the manufacture of papers and plastics.
  • compositions according to patent applications EP-A-2322581 and DE-A-3245103 are compositions according to patent applications EP-A-2322581 and DE-A-3245103.
  • the first discloses platelet magnesium carbonate particles in the form of hydromagnesite in admixture with colloidal calcium carbonate, well suited as fillers in paper or plastics.
  • the second discloses scalenohedral particles of calcium carbonate (in the form of a grain of rice) in admixture with platelet particles of basic magnesium carbonate.
  • the respective carbonates are produced separately and do not form a composite.
  • compositions described in European Patent EP-B-0526121 are formed of a uniform mixture of carbonate particles of calcium having a crystalline structure of acicular aragonite having a columnar particle configuration and hydrated magnesium carbonate having a platelet particle configuration.
  • JP 63-123810 which describes a process for producing a mineral composition based on a mixed solid phase of calcium and magnesium carbonates.
  • This process comprises carbonating an aqueous suspension of basic magnesium carbonate, to which an aqueous suspension of magnesium hydroxide and calcium hydroxide is continuously added.
  • the carbonation is carried out with a large flow of CO 2 , which gives rise to the formation of spherical and porous particles of basic magnesium carbonate on the basic magnesium carbonate nucleation nuclei initially present in suspension, the pores of these particles being partially filled with calcium carbonate.
  • This composition is very dense and intended for the production of fillers in the field of papermaking, paints, plastics or in the medical field.
  • the present invention aims to develop mineral compositions, especially for construction.
  • mineral compositions may have an interesting alternative to polyurethane or phenolic foams, usually used for example in thermal insulation panels.
  • Mineral materials have the advantage over organic foams of having a longer service life, a significantly better fire resistance and a reduced environmental impact. It is therefore desirable that these new mineral compositions have thermal properties similar to those of known foams. It is therefore necessary to develop mineral materials which have a high and controlled volume porosity, with a low density, while retaining properties acceptable mechanical properties (resistance to bending, compression, shock ).
  • thermal conductivity means a value ⁇ which is the sum of i) the thermal conductivity of the occluded gas in the pores, relative to the volume fraction of the pores in the composition and ii) the thermal conductivity of the material solid, based on the volume fraction of this solid material in the composition.
  • the thermal conductivity of the gases is generally of the order of 10 -2 W / K / m and that of the solids of the order of 1 to 10 2 W / K / m, plus the volume fraction of gas (thus of pores). in the composition is large, the lower the thermal conductivity of the composition and the more the material will be insulating.
  • a mineral composition based on a mixed solid phase of calcium carbonates and synthetic magnesium formed of a crystallized calcium portion and a magnesium portion crystallized in the form of platelets, the crystals of the calcium part and those of the magnesium part forming composite aggregates, these aggregates themselves being at least partially agglomerated, said calcium part comprising at least one carbonate selected from the group consisting of calcite, aragonite and mixtures thereof, said magnesium portion comprising hydromagnesite in platelet form, said mixed solid phase of carbonates of said mineral composition having a bulk density of less than or equal to 250 kg / m 3 , and greater than or equal to 80 kg / m 3 , measured according to EN 459.2.
  • Calcite and aragonite are two crystalline structures of CaCO 3 calcium carbonate .
  • Hydromagnetite also called basic magnesium carbonate, has the formula Mg 5 (CO 3 ) 4 (OH) 2.4H 2 O or 4MgCO 3 .Mg (OH) 2.4H 2 0.
  • ICDD International Center for Diffraction Data
  • hydromagnesite corresponds to the sheets bearing the references 00-025-0513 (monoclinic) and 01 -070-1 177 (orthorhombic). It does not have to be confused with magnesite, magnesium carbonate of formula MgCO 3 , or with nesqueronite, a hydrated magnesium carbonate of formula MgCO 3 .3H 2 O, which are to be avoided according to the invention.
  • agglomerates is intended to mean a loose set of aggregates of crystals and / or crystals, which can be easily destroyed by mechanical means (ultrasound, agitation, shear, vibration, etc.). ).
  • bulk density is meant, according to the invention, the ratio between the mass of the material and the apparent volume of all the agglomerates or grains, measured according to the EN 459.2 standard.
  • the low bulk density of the mixed solid phase of the composition according to the invention results from a large pore volume, that is to say a high incorporation of gas into the mixed solid phase which has several levels of porosity: within aggregates of crystals, within agglomerates of aggregates and even between agglomerates or grains.
  • pore volume is meant in the present invention an overall pore volume corresponding to the various porosities described above and measured by the mercury intrusion method. In the remainder of this text, it will be considered that the pore volume corresponds to the pore volume of size ⁇ 100 ⁇ .
  • the bulk density of a standard hydromagnesite is between 200 and 400 kg / m 3 .
  • Synthetic calcium carbonates have a bulk density of usually between 250 and 600 kg / m 3 .
  • the mixed solid phase of calcium carbonate and hydromagnesite of the composition according to the invention has a bulk density of less than 250 kg / m 3 .
  • the mixed solid phase of the composition according to the invention therefore has features that are not found in the pure pure phases of the hydromagnesite or synthetic calcium carbonate type.
  • the mixed solid phase of calcium and magnesium has a mixed crystallization structure that allows the best compromise between porosity, degree of aggregation and organization of the crystals relative to each other. This compromise results in a low bulk density and thus a low thermal conductivity.
  • This effect is, inter alia, obtained by the process according to the invention, specially designed to achieve the particular characteristics of low bulk density and therefore of low thermal conductivity of the solid phase of the composition according to the invention.
  • This process is described in more detail later and comprises a step of carbonation of a mixed hydroxide of calcium and magnesium, which makes it possible to form a mixed solid phase of calcium and magnesium carbonates, controlled in their structure.
  • said magnesium portion of the mineral composition according to the present invention may further comprise MgO periclase and / or Mg (OH) 2 brucite.
  • the proportions of these various components in the mixed solid phase of the composition according to the invention, in addition to synthetic calcium carbonates and hydromagnesite, are related to the operating conditions and properties of the hydrated dolomite used in the process of the invention. carbonation to obtain the mixed solid phase of the composition according to the invention described later.
  • a fully hydrated dolomite (whose hydration has been carried out under pressure to avoid the residual presence of MgO in hydrated dolomite) will lead to higher Mg (OH) 2 contents in the mixed solid phase of the composition according to the invention. that the use of partially hydrated dolomite, which it can lead to the presence of MgO in the mixed solid phase of the composition according to the invention.
  • the calcium portion of the composition according to the invention may further comprise calcium hydroxide Ca (OH) 2 , for example in the form of portlandite. It should be noted that the calcium part is always formed mainly by weight of calcite, aragonite or a mixture of both.
  • the mixed solid phase of said mineral composition has a specific surface area greater than or equal to 15 m 2 / g, more particularly greater than 20 m 2 / g and preferably greater than or equal to 25 m 2 / g. m 2 / g, and up to 35 m 2 / g.
  • specific surface used in the present invention is meant the specific surface area measured by nitrogen adsorption manometry and calculated according to the model of Brunauer, Emmett and Teller (BET method), after degassing at 190 ° C. .
  • the mixed solid phase of the composition according to the invention thus has another unexpected advantage in that its specific surface area is greater than that of the usual synthetic calcium carbonates, which have a specific surface area of the order of 4 to 15 m 2. /boy Wut.
  • the composition according to the present invention may further comprise an aqueous phase, said composition then being in the form of a suspension or a paste. It may also be in solid form, in particular powdery form, and have a moisture content of between 0 and 4%, in particular between 0.1 and 4%, preferably less than or equal to equal to 3%, more particularly less than or equal to 2% by weight of water relative to the total weight of the composition.
  • agglomerates are dispersed.
  • said hydromagnesite is represented by the formula Mg 5 (C03) 4 (OH) 2 0 2.4h (or indifferently 4MgC0 .MG 3 (OH) 2.4h 2 0) and is present at a content between 10 and 60% by weight, preferably greater than or equal to 20% by weight, more particularly greater than or equal to 30% by weight, relative to the weight of said mixed solid phase.
  • said calcium portion is present in the composition according to the invention in an amount ranging from 35 to 75%, advantageously from 40 to 70%, preferably from 45 to 65%, more preferably from 50 to 60% by weight. relative to the total weight of the mixed solid phase.
  • the total of the magnesium portion represents an amount ranging from 25 to 65%, advantageously from 30 to 60%, preferably from 35 to 55% and more preferably from 40% to 50% of the total weight of the mixed solid phase.
  • the mixed solid phase has a Ca / Mg molar ratio of between 0.4 and 1.2, in particular between 0.8 and 1.2.
  • composition according to the invention is either in the form of a powder, or in the form of a suspension or a paste, from which such a powder may come.
  • the bulk density of the mixed solid phase is less than or equal to 200 kg / m 3 , more particularly less than or equal to 180 kg / m 3 , or even less than or equal to 160 kg / m 3 .
  • the density is greater than or equal to 90 kg / m 3 , in particular greater than or equal to 100 kg / m 3
  • the mixed solid phase of said mineral composition has a thermal conductivity of between 25 and 45 mW / K / m, in particular between 28 and 45 mW / K / m.
  • This conductivity is preferably less than or equal to 40 mW / K / m, more particularly less than or equal to 35 mW / K / m and preferably less than or equal to 32 mW / K / m.
  • the mixed solid phase is present in a proportion ranging from 5 to 65% by weight relative to the total weight of the composition and a liquid medium is present in a proportion comprised between in the range of 35 to 95% by weight relative to the total weight of the mineral composition.
  • said mixed solid phase is composed of crushed agglomerates in grains of size less than or equal to 2 mm, preferably less than or equal to 1 mm, more preferably less than or equal to 200 ⁇ and in particular less than or equal to 80 ⁇ .
  • the aggregates of the mixed solid phase consist of a calcium core on which hydromagnesite platelets are aggregated.
  • the aggregates have a substantially spherical morphology.
  • the aggregates have 80% by volume a characteristic size of the order of 1 to 40 ⁇ , preferably 3 to 30 ⁇ and in particular 5 to 20 ⁇ on the basis of pictures of MEB.
  • the hydromagnesite platelets have 80% by volume a wafer width of the order of 0.5 to 10 ⁇ , preferably 0.5 to 5 ⁇ .
  • Hydromagnite platelets are not aggregated at random. Most often, the aggregates according to the invention have a general shape similar to that of a sand rose.
  • the present invention also relates to a process for producing a mineral composition based on a mixed solid phase of calcium and magnesium carbonates, comprising
  • a dolomite preparation at least partially hydrated by calcination of a raw dolomite and then at least partial hydration of the dolomite thus calcined
  • a mixed solid phase of calcium carbonates and synthetic magnesium formed of a crystallized calcium part and a magnesium portion crystallized in the form of platelets, the crystals of the calcium part and those of the magnesium part being aggregated in the form of composite aggregates, these aggregates themselves being at least partly agglomerated, said calcium portion comprising at least one carbonate selected from the group consisting of calcite, aragonite and their mixtures, said magnesium portion comprising platelet-form hydromagnesite, said mixed solid phase of carbonates of said mineral composition having a bulk density less than or equal to 250 kg / m 3 , and greater than or equal to 80 kg / m 3 , measured according to EN 459.2.
  • the term "stabilization of the electrical conductivity” means a period of more than 15 minutes during which the electrical conductivity measured in the suspension does not vary by more than 0.5 mS / cm upwards or down, preferably a period of more than 15 minutes during which the change in conductivity is less than 0.3 mS / cm up or down, and preferably a period of 30 minutes during which the Electrical conductivity variation is less than 0.3 mS / cm up or down.
  • this stabilization phase may be longer or shorter. In some variants of the process, it can last up to 60 minutes or more.
  • the raw dolomite is, before calcination, in a dolomitic mineral product in association with one or more calcium substances, one or more magnesium substances or a mixture of these substances, forming a ratio Ca / Mg molar between 0.8 and 1, 2 in the dolomitic mineral product and the solid material of the suspension obtained after the calcination, hydration and suspension stages contains, in addition to at least partially hydrated dolomite particles, related particles, derived from the associated substances in the dolomite mineral product.
  • dolomitic products are found in nature and may contain in addition, in addition to raw dolomite, for example calcium carbonate, brucite. It should also be noted that natural raw dolomite, which is generally attributed to the formula Ca.Mg (CO 3 ) 2 can vary in its respective Ca and Mg contents.
  • the use of such a semi-hydrated dolomite makes it possible to produce a mineral composition in which the mixed solid phase comprises hydromagnesite and calcite and / or aragonite, the brucite, periclase and portlandite contents. being small (each less than 10%, advantageously less than 5% and preferably 2% by weight of the mixed solid phase).
  • said at least partially hydrated dolomite is a so-called totally hydrated dolomite in which the mass proportion of residual MgO is less than 1% by weight and which is obtained by calcination and hydration under pressure of raw dolomite .
  • the use of such a totally hydrated dolomite makes it possible to produce a mineral composition in which the mixed solid phase comprises hydromagnesite and calcite and / or aragonite, but also a significant amount of brucite (up to 20%). 40% by weight of the mixed solid phase in some cases), however the contents of periclase and portlandite remain low (each being less than 5%, preferably 2% by weight of the mixed solid phase).
  • a predetermined quantity of Mg (OH) 2 is added, prior to carbonation, to said at least partially hydrated dolomite, with or without suspension. , so as to obtain a mixed solid phase having a molar ratio Ca / Mg of between 0.4 and 1.2. It is also possible to consider adding in the same way an amount of MgO of between 1 and 5% by weight, relative to the weight of the fully hydrated dolomite, in particular to enhance the spherical morphology of the aggregates.
  • the initially at least partially hydrated dolomite may contain some fraction of CaCO 3 , a sign of incomplete calcination, and CaO, due to incomplete quenching (hydration), as well as impurities.
  • the at least partial hydration of the dolomite can be carried out by adding a calcined dolomite mass unit to a quantity of aqueous phase (generally water, optionally a milk of lime and / or dolomite, or of water with additives), between 0.2 and 1.0 mass units, preferably 0.4 to 0.8 unit of mass.
  • a calcined dolomite mass unit generally water, optionally a milk of lime and / or dolomite, or of water with additives
  • a quantity of aqueous phase generally water, optionally a milk of lime and / or dolomite, or of water with additives
  • a hydration product obtained (in step i)) is a powder comprising less than 30% relative humidity.
  • This at least partial hydration can also be carried out wet by adding to a mass unit of calcined dolomite a quantity of aqueous phase, in particular water, of between 1.1 and 6 mass units, preferably between 2 and 5 units of mass, more particularly 4 units of mass.
  • a variant of the process according to the invention consists in carrying out, in a single step, the hydration of calcined dolomite having, for example, a molar ratio Ca / Mg of between 0.8 and 1.
  • suspending the dolomite at least partially hydrated can be provided a proportion of 7 to 10% by weight of solid material relative to the total weight of the suspension.
  • step i) or said calcination of a raw dolomite of step i) or else step i) and step ii) are carried out beforehand and independently of the following steps , especially steps iii) and iv).
  • the process may further comprise sieving, in particular at a particle size equal to or less than 250 ⁇ or grinding, in particular at a particle size of less than or equal to 90 ⁇ of said at least partially hydrated dolomite suspended in an aqueous phase, optionally supplemented with MgO and / or Mg (OH) 2 before carbonation.
  • Dilution of the suspension can also take place.
  • composition according to the invention may furthermore comprise additives facilitating the preparation, the filtration, the storage and / or the grinding (Deagglomeration) of said composition, in particular to improve the stability of the suspensions according to the invention.
  • the carbonation of the dolomite in suspension is advantageously carried out at a temperature of between 60 and 80 ° C., preferably of less than or equal to 70 ° C., in particular of less than or equal to 65 ° C.
  • the C0 2 is injected 100% pure by volume or diluted in a carrier gas, in particular air, at a volume concentration of C0 2 in the carrier gas of 15 to 50%. in particular from 15 to 25%.
  • the total injection flow rate (optional carrier gas and CO 2 ) can advantageously be of the order of 15 to 55 dm 3 / min / kg of suspended solids.
  • the flow rate of CO 2 (carrier gas excluded) is advantageously between 2.5 and 9.5 dm 3 / min / kg of solid matter in suspension.
  • the increase in electrical conductivity in the carbonated suspension indicates a soluble MgHC0 3 magnesium bicarbonate formation and the onset of unwanted hydromagnesite dissolution.
  • the carbonation is then stopped. In general, it is observed that the pH is less than or equal to 8.5.
  • the dolomite suspension may advantageously be stirred, for example at a speed of 350 to 650 rpm.
  • the method further comprises a solid-liquid separation step between said carbonated mixed solid phase and said aqueous phase.
  • This separated mixed solid phase can then be dried.
  • the mixed solid phase can be milled or deagglomerated to obtain particles having a size of less than or equal to 2 mm, preferably less than or equal to 1 mm, more preferably less than or equal to 200 ⁇ , and in particular lower or equal to 80 ⁇ .
  • the drying operation can be carried out simultaneously with that of deagglomeration or grinding.
  • the method further comprises withdrawing a predetermined quantity of suspension after carbonation, feeding a fresh suspension of non-carbonated semihydrated dolomite and subsequent carbonation.
  • the present invention also relates to a use of a mineral composition according to the invention or as obtained by the process according to the invention in building materials.
  • this composition can be envisaged as a constituent of thermal insulation materials, in particular in thermal insulation panels.
  • the thermal conductivity is measured on a bulk material by following the teachings of the ISO 8301 or NF EN 12664 standards. More specifically, the thermal conductivity as mentioned in the present invention is measured on the mixed solid phase of the mineral composition object of the present invention.
  • present invention that is to say on a powder previously dried at 105 ° C and having a moisture content of less than 4% by weight.
  • the composition according to the invention is in the form of a suspension or a paste
  • said powder is obtained from this composition by following the steps described above in the present invention or described in the examples. .
  • the measurement is carried out in a flowmeter (Netzsch Heat Flow Meter H FM 463/3 / IE Lambda Series) on a bulk powder placed in a mold whose size is greater than the size of the flowmeter.
  • the preparation of the powder bed in the mold is such that the surface of the powder bed is as flat as possible and that the density of the powder bed on which the thermal conductivity measurement will be carried out is equal to the measured bulk density. before each powder according to the method described in EN 459.2 to 20%, if possible to 15%.
  • a single measurement is made at 20 ° C with a temperature difference of 20 ° C between the two faces of the sample (ie 10 ° C for one side and 30 ° C for the other).
  • the specific surface is measured according to the BET method based on a measurement of nitrogen adsorption manometry after degassing of the sample at 190 ° C. and the pore volume ⁇ 100 ⁇ is measured by mercury intrusion.
  • Example 1 Carbonation of a Semihydrated Dolomite (4% Mg (OH) 2 , 28% MgO) at 70 ° C.
  • the semi-hydrated dolomite used for this example was prepared industrially from natural dolomite by calcination and extinction in a conventional industrial hydrator with a small excess of water (hydration in the dry). According to a thermogravimetric analysis supplemented by a chemical analysis by X-ray fluorescence spectrometry, this semi-hydrated dolomite contains 45% ⁇ 0.5% of Ca (OH) 2 , 4% ⁇ 0.5% of Mg (OH) 2 and 28% ⁇ 0.5% MgO.
  • This dolomite has a molar ratio Ca / Mg of 1, 1.
  • a dolomite milk (aqueous suspension of semi-hydrated dolomite particles) is prepared by mixing 10 dm 3 of demineralised water at 20 ° C with 1100 g ⁇ 15 g of semi-hydrated dolomite (ie a dry matter content of About 10%). This milk is stirred for 10 minutes before being sieved at 250 ⁇ . The milk passed through the sieve is then introduced into a reactor with a capacity of 12 dm 3 , equipped with a jacket and equipped with a stirring system and a heating system. This reactor is also equipped with a pH probe, an electrical conductivity sensor and a temperature sensor. The refusal to sieve (> 250 ⁇ ) is considered as waste of the reaction. The milk is stirred and its temperature is raised to 70 ° C ⁇ 2 ° C.
  • the suspension is filtered on a beaker, placed in an oven at 105 ° C. for overnight drying, and then the dried solid is ground in order to obtain a powder having a particle size of less than 2 mm and whose moisture content is less than 3%.
  • the product thus obtained contains 54 ⁇ 2% of CaCO 3 , almost exclusively in the form of calcite (only traces of aragonite), 41 ⁇ 2% of hydromagnesite, and no other phase of brucite, periclase, Mg 2 O 2 (OH) 2 or portlandite in significant proportion.
  • Its bulk density measured according to EN 459.2 is 148 kg / m 3 .
  • Its specific surface area is 26.3 m 2 / g (BET method based on nitrogen adsorption manometry measurement) and its pore volume ⁇ 100 ⁇ , measured by mercury intrusion, is 3.8 cm 3 / g.
  • Its thermal conductivity is 37 mW / K / m for a density at the time of measurement of 163 kg / m 3 . See Figures 1 A and 1 B.
  • Example 2 Carbonation of a Semihydrated Dolomite (15% Mg (OH) 2 , 21% MgO) at 70 ° C.
  • the reactor used for the carbonation is a reactor with a volume of 3 dm 3 instead of 12 dm 3 of the reactor described in Example 1, which implies an adaptation of the reagent masses and C0 2 flow rates.
  • the semi-hydrated dolomite used for this example was again prepared industrially from natural dolomite by calcination then extinction in a conventional industrial hydrator with a small excess of water (hydration in the dry way).
  • This semi-hydrated dolomite contains 41% ⁇ 0.5% Ca (OH) 2 , 15% ⁇ 0.5% Mg (OH) 2 and 21% ⁇ 0.5% MgO. It also contains 19% ⁇ 0.5% of residual CaCO 3 , the calcination of the dolomite having been incomplete, 2% ⁇ 0.5% of residual CaO, the hydration of the dolomite having been incomplete, as well as impurities ( Si0 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 ).
  • This dolomite has a Ca / Mg molar ratio of 1.0.
  • the milk is prepared by mixing 2 dm 3 of demineralised water at 20 ° C with 270 g ⁇ 5 g of semi-hydrated dolomite (ie a dry matter content of about 12%). It is then stirred and sieved as described in Example 1.
  • the milk passed through the sieve is introduced into a reactor of a capacity of 3 dm 3 , again equipped with a double jacket, provided with a stirring system, a heating system, a pH sensor, an electrical conductivity sensor and a temperature sensor.
  • the milk is kept stirring and its temperature is raised to 70 ° C. ⁇ 2 ° C.
  • the carbonation is at 70 ° C ⁇
  • the flow rates of gas in the suspension correspond this time to 0.86 dm 3 / min of C0 2 and 4.90 dm 3 / min of air.
  • the milk has a pH of 1 1, 4 before carbonation.
  • This conversion of hydroxides to carbonates is accompanied by a) a decrease in pH in steps and b) a decrease, a stabilized phase and finally an increase in electrical conductivity.
  • the reaction is stopped when the conductivity begins to increase after a simultaneous drop in pH to 8.2.
  • the electrical conductivity at the beginning of the carbonation was 8.2 mS / cm, during the stabilized phase it was of the order of 1.0 mS / cm and the reaction was stopped at an electrical conductivity of 1.8 mS / cm. .
  • the suspension is filtered and the product is dried under the same conditions as those described in Example 1 above, in order to obtain a dry powder (moisture less than 3%). and of particle size less than 2 mm.
  • the resulting product contains 56 ⁇ 1% CaCO 3 , of which 41 ⁇ 1% is calcite and 15 ⁇ 1% is aragonite form, 42 ⁇ 1% hydromagnesite, 0.5 ⁇ 0.5% brucite and 1.1 ⁇ 0.5% portlandite.
  • Its bulk density is of the order of 188 kg / m 3 .
  • Its specific surface is 27.3 m 2 / g and the pore volume ⁇ 100 ⁇ is 1, 2 cm 3 / g.
  • Its thermal conductivity is 38 mW / K / m for a density at the time of measurement of 188 kg / m 3 .
  • Example 3 Carbonation of a Semihydrated Dolomite (31% Mg (OH) 2 and 8% MgO) at 70 ° C.
  • Example 3 is similar to Example 2, only the raw material used for carbonation is different, the semi-hydrated dolomite of Example 2 being replaced by another semi-hydrated dolomite having different properties.
  • the semi-hydrated dolomite is no longer an industrial sample. This time it was prepared in the laboratory by hydration of a live dolostone (obtained by industrial calcination of a raw dolomite) wet with a large excess of water: 1 mass of live dolostone and 5 masses of demineralised water at 70 ° C are mixed for 10 minutes, which leads to obtaining a dolomite milk.
  • the solid particles contained in this milk are semi-hydrated dolomite particles containing 55% ⁇ 0.5% of Ca (OH) 2 , 31% ⁇ 0.5% of Mg (OH) 2 and 8% ⁇ 0.5 % of MgO.
  • This dolomite has a Ca / Mg molar ratio of 1.1.
  • the milk obtained after the 10 minutes of hydration is sieved at 250 ⁇ .
  • the milk passed through the sieve is then introduced into the reactor of a capacity of 3 dm 3 described in Example 2. It is diluted with demineralized water at 20 ° C in order to obtain a dry matter content. in the order of 12% in milk.
  • the following reaction is carried out according to the information of Example 2.
  • the carbonation is at 70 ° C ⁇ 2 ° C.
  • the milk has a pH of 12.0 before carbonation.
  • This conversion of hydroxides to carbonates is accompanied by a) a decrease in pH in steps and b) a decrease, a stabilized phase and finally an increase in electrical conductivity.
  • the reaction is stopped when the electrical conductivity begins to increase simultaneously with a drop in pH to 8.6.
  • the electrical conductivity at the beginning of the carbonation was 7.0 mS / cm, during the stabilized phase it was of the order of 0.5 mS / cm and the reaction was stopped at an electrical conductivity of 1.4 mS / cm.
  • the product obtained after the filtration, drying and grinding steps as described in Example 1 is in the form of a powder.
  • Dry matter containing 53 ⁇ 2% CaCO 3 almost exclusively in the form of calcite (only traces of aragonite), 45 ⁇ 2% hydromagnesite, 2.0 ⁇ 1% portlandite.
  • Its bulk density is 181 kg / m 3 .
  • Its specific surface is 28.9 m 2 / g and the pore volume ⁇ 100 ⁇ is 2.5 cm 3 / g.
  • Its thermal conductivity is 39 mW / K / m for a density at the time of measurement of 187 kg / m 3 .
  • Example 4 Carbonation of a Fully Hydrated Dolomite (39% Mg (OH) 2 and Less than 1% MgO) at 70 ° C.
  • Example 4 is similar to Example 2, only the raw material used for the carbonation is different, the semi-hydrated dolomite being replaced by a fully hydrated dolomite.
  • Fully hydrated dolomite is an industrial product obtained by calcination of raw dolomite followed by hydration under pressure.
  • the fully hydrated dolomite used in this example contains 54% ⁇ 0.5% Ca (OH) 2 , 39% ⁇ 0.5% Mg (OH) 2 and less than 1% ⁇ 0.5% residual MgO. It also contains 5% ⁇ 0.5% of residual CaCO 3 and less than 1% of impurities (SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3, etc.).
  • This dolomite has a Ca / Mg molar ratio of 1.1.
  • the milk prepared according to the indications of Example 2 has a pH of 12.2 before carbonation. Carbonation is at 70 ° C. During this, the conversion of hydroxides to carbonates is accompanied by a) a decrease in the pH in stages and b) a decrease, a phase stabilized and finally an increase in electrical conductivity. The reaction is stopped when the electrical conductivity begins to increase simultaneously with a drop in pH to 8.8. The electrical conductivity at the beginning of the carbonation was 9.6 mS / cm, during the stabilized phase it was of the order of 1.4 mS / cm and the reaction was stopped at an electrical conductivity of 2.0 mS / cm. cm.
  • the product obtained after the filtration, drying and grinding steps as described in Example 1 is in the form of a powder.
  • 54 ⁇ 1% CaCO 3 almost exclusively in the form of calcite (only traces of aragonite), 40 ⁇ 1% hydromagnesite, 5 ⁇ 1% brucite and 1.0 ⁇ 0.5% portlandite.
  • Its bulk density is 161 kg / m 3 .
  • Its specific surface is 27.3 m 2 / g and the pore volume ⁇ 100 ⁇ is 3.7 cm 3 / g.
  • Its thermal conductivity is 36 mW / K / m for a density at the time of measurement of 151 kg / m 3 .
  • Example 5 Carbonation of a Fully Hydrated Dolomite (39% Mg (OH) 2 and Less than 1% MgO) with the addition of MgO at 70 ° C.
  • Example 5 is similar to Example 4, the raw material and the process being identical to those described in Example 4. The only difference with this Example 4 is that, this time, a small amount of MgO was added in fully hydrated dolomite milk before CO 2 injection. The proportion of MgO corresponds to 3% of the hydrated dolomite mass. MgO was obtained by calcining for 2 hours at 400 ° C. a commercial Mg (OH) 2 powder.
  • the product obtained after the filtration, drying and grinding steps as described in Example 1 is in the form of a powder.
  • Dry matter containing 54 ⁇ 2% CaCO 3 almost exclusively in the form of calcite (only traces of aragonite), 46 ⁇ 2% hydromagnesite, and no other phase in significant proportion.
  • Its bulk density is 158 kg / m 3 .
  • Its specific surface area is 25.4 m 2 / g and the pore volume ⁇ 100 ⁇ is 2.6 cm 3 / g.
  • Its thermal conductivity is 36 mW / K / m for a density at the time of measurement of 156 kg / m 3 .
  • Example 6 Carbonation of Semihydrated Dolomite (15% Mg (OH) 2 , 21% MgO) at Lower Temperature (60 C).
  • a dolomite milk is prepared by mixing 10.2 dm 3 of deionized water at 20 ° C with 770 g ⁇ 5 g of semi-hydrated dolomite (ie a dry matter content of 7%). This milk is then stirred for ten minutes, then crushed and deagglomerated using an Ultra Turrax type agitator (IKA brand) for 30 seconds to reduce the size of the agglomerates in suspension below 90 ⁇ . . The milk thus prepared is then introduced into the reactor of 12 dm 3 capacity described in Example 1. The milk is kept stirring and its temperature is raised to 60 ° C ⁇ 2 ° C. Cl Carbonation:
  • the reaction is stopped when the electrical conductivity starts to increase simultaneously with a drop in pH to 8.5.
  • the electrical conductivity at the beginning of the carbonation was 10.1 mS / cm, during the stabilized phase it was of the order of 3.9 mS / cm and the reaction was stopped at an electrical conductivity of 4.5 mS / cm. cm.
  • the post-synthesis treatments carried out for this sample are similar to those carried out in Examples 1 to 5 and make it possible to obtain a dry powder.
  • the product thus obtained contains 58 ⁇ 1% CaCO 3 , of which 43 ⁇ 1% is calcite and 16 ⁇ 1% is aragonite, 38 ⁇ 1%. % hydromagnesite, 2 ⁇ 1% brucite, 1 ⁇ 0.5% portlandite and 0.5 ⁇ 0.5% Mg 3 0 2 (OH) 2.
  • Its bulk density is 146 kg / m 3 .
  • Its specific surface area is 25.0 m 2 / g.
  • Its thermal conductivity is 39 mW / K / m for a density at the time of measurement of 189 kg / m 3 .
  • Example 7 Carbonation of Semihydrated Dolomite (15% Mg (OH) 2 , 21% MgO) with addition of Mg (OH) 2 at 75 ° C. ⁇ 2 ° C.
  • Example 6 This example is quite similar to Example 6, except that, this time, the 770 g of semi-hydrated dolomite used to prepare the dolomite milk were replaced by a mixture of 534 g of this same semi-dolomite. -hydratée and 236 g Mg (OH) 2 shopping in aqueous suspension at 50%, so as to obtain the same total solids content as in example 6. This results in a molar ratio Ca / Mg of 0.5 in the solid phase of the suspension. Moreover, unlike in Example 6, the carbonation reaction is carried out here at 75 ° C. ⁇ 2 ° C. The suspension has a pH of 1 1, 8 before carbonation.
  • the 12 dm 3 reactor is used.
  • the injection of a gas containing 20% by volume of CO 2 and the remainder of air begins.
  • the gas flow rates in the suspension correspond to 2.6 dm 3 / min C0 2 and 10.4 dm 3 / min air per kilogram of suspended solids (dolomite and Mg (OH) 2 ).
  • the conversion of hydroxides to carbonates is accompanied by a) a decrease in pH in steps and b) a decrease, a stabilized phase and finally an increase in electrical conductivity.
  • the electrical conductivity at the beginning of the carbonation was 10.0 mS / cm, during the stabilized phase it was in the order of 2.3 mS / cm and the reaction was stopped at a conductivity of 2.9 mS / cm. cm.
  • the product obtained after the filtration, drying and grinding steps as described in Example 1 is in the form of a dry powder containing 39 ⁇ 1% of CaCO 3 , of which 35 ⁇ 1% in the form of calcite and 4 ⁇ 1% in the form of aragonite, 26 ⁇ 2% of hydromagnesite, 33 ⁇ 2% of brucite, 1 ⁇ 0.5% of portlandite and 1, 0 ⁇ 0.5% periclase.
  • Its bulk density is 132 kg / m 3 .
  • Its specific surface is 18 m 2 / g.
  • Its thermal conductivity is 37 mW / K / m for a density at the time of measurement of 154 kg / m 3 .
  • Example 8 Carbonation at 70 ° C. ⁇ 2 ° C. of a calcined dolomitic product
  • This example is comparable to Example 3. Only the raw material is different, as well as some details of the process.
  • This oxide was then hydrated in a wet laboratory with a large excess of water: 1 mass of oxide and 7 masses of demineralized water at 20 ° C. are mixed for 30 minutes, leading to the production of a milk , the solid particles contained in this milk being related to particles of semi-hydrated dolomite.
  • Example 3 the milk is not sieved. Since it already has a dry matter content of around 12%, it is not diluted either.
  • the carbonation can be carried out directly in the 3 dm 3 reactor according to the conditions of Example 3.
  • the milk has a pH of 12.6 before carbonation. Carbonation is at 70 ° C ⁇ 2 ° C. During this conversion of hydroxides to carbonates is accompanied by a) a decrease in pH in steps and b) a decrease, a stabilized phase and finally an increase in electrical conductivity. The reaction is stopped when the electrical conductivity starts to increase simultaneously with a drop in pH to 8.5. The electrical conductivity at the beginning of the carbonation was 8.0 mS / cm, during the stabilized phase it was of the order of 1.2 mS / cm and the reaction was stopped at an electrical conductivity of 2.5 mS / cm. cm.
  • the product obtained after the filtration, drying and grinding steps as described in Example 1, is in the form of a dry powder. Its bulk density is 157 kg / m 3 . Its specific surface is 19.6 m 2 / g and the pore volume ⁇ 100 ⁇ is 3.5 cm 3 / g. Its thermal conductivity is 36 mW / K / m for a density at the time of measurement of 168 kg / m 3 .
  • Example 9 carbonation at 70 ° C. ⁇ 2 ° C. of semi-hydrated dolomite (15% Mg (OH) 2 and 21% MgO) at the pilot scale.
  • Example 9 is similar to Example 2, but the reaction was carried out in a 100 dm 3 reactor instead of the 3 dm 3 reactor used in Example 2. This time, the milk is prepared by mixing 80 dm 3 demineralized water at 20 ° C with 9.6 kg of semi-hydrated dolomite described in Example 2 (a solids content in milk of 10.7%). The remainder of the synthesis method described in Example 2 remains unchanged. Only the C0 2 flow rates are adapted in order to carry out the carbonation of the 9.6 kg of semi-hydrated dolomite in a time close to that used for the carbonation of the 240 g of semi-hydrated dolomite in the 3 dm 3 reactor.
  • Example 2 i.e., about 3 hours: 55 dm 3 / min C0 2 and 314 dm 3 / min air per kg of semi-hydrated dolomite starting.
  • the product obtained after the filtration, drying and grinding steps as described in Example 1, is in the form of a dry powder. Based on quantitative X-ray diffraction analysis, confirmed by thermogravimetric analysis, this product contains 57 ⁇ 1% CaCO 3 , of which 52 ⁇ 1% is calcite and 5 ⁇ 1% is aragonite. , 42 ⁇ 1% hydromagnesite and 1 ⁇ 0.5% portlandite. Its bulk density is 188 kg / m 3 . Its specific surface is 25.6 m 2 / g and the pore volume ⁇ 100 ⁇ is 1, 2 cm 3 / g. Its thermal conductivity is 39 mW / K / m for a density at the time of measurement of 220 kg / m 3 .
  • Example 10 is similar to Example 2, but at the end of the drying step, the product is ground to reach a particle size of ⁇ 2 mm, but ⁇ 80 ⁇ .
  • the mineralogical composition of this powder is similar to that of the 2 mm powder obtained in Example 2, as is its specific surface area.
  • the grinding makes it possible to increase the pore volume ⁇ 100 ⁇ from 1.2 to 2.6 cm 3 / g and the size distribution of these pores is markedly modified, the pores being wider after grinding.
  • the bulk density of the product is significantly reduced in comparison with the 2 mm powder, as is its thermal conductivity: bulk density of 1 18 kg / m 3 and conductivity of 32 mW / K / m for 1 mm. density of 148 kg / m 3 at the time of measurement.
  • a step of hydration of a live dolomite of caliber less than 3 mm is carried out initially in a reactor of 40 dm 3 under the following conditions: initial temperature of the water of hydration set at 54 ° C, weight ratio water / dolomite of 3.2 (an initial solids content of 23.8%) and a stirring speed of 275 rpm.
  • the duration of the hydration is 30 to 40 minutes.
  • the dolomite milk obtained is sieved at 200 ⁇ .
  • the milk passing to 200 ⁇ is then diluted with water to adjust the dry extract of at least partially hydrated dolomite milk to the desired value and to obtain a total volume of 80 dm 3 of dolomite milk.
  • These 80 dm 3 of diluted milk are then introduced into the carbonation reactor of 100 dm 3 .
  • the temperature of the milk is then brought to the desired temperature for carbonation by circulating a controlled temperature liquid in the double jacket of the 100 dm 3 reactor. This temperature is kept constant throughout the duration of the carbonation at ⁇ 2 ° C.
  • the injection of the gaseous phase air + CO 2
  • the CO 2 and air flow rate regulators have been adjusted in order to be able to place themselves in the desired conditions of CO 2 flow with respect to the mass of at least partially hydrated dolomite to be carbonated and of the volume proportion of CO 2 in the gas phase.
  • the pH of the suspension and its electrical conductivity are recorded. It is possible to observe a stepwise decrease in pH up to a value of less than 9 with, in parallel, successively a decrease in the electrical conductivity, a stabilization phase as defined above and finally an increase in the electrical conductivity of the suspension. .
  • the carbonation is stopped when the electrical conductivity begins to increase at the end of the stabilization phase.
  • the suspension is recovered and, initially, the size of the particles in suspension is measured by laser granulometry by placing a few drops of the suspension in methanol (di 0 , dso; table below). Then, a portion of the suspension is filtered on a beaker, dried in an oven at 70 ° C for 2 to 3 days before being finally ground to a size less than 2 mm (100% passing in a mesh size of 2 mm ). On this crushed product, the bulk density is measured according to the method described in EN459-2, the thermal conductivity, the BET specific surface area and the proportion hydromagnesite from thermogravimetric results (temperature ramp from room temperature to 950 ° C at 5 ° C / min under nitrogen). Some results corresponding to the extreme operating conditions of this experimental design are given in the table below.

Abstract

Composition minérale à base d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnésium, son procédé de préparation et son utilisation. Composition minérale à base d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnésium, formée d'une partie calcique cristallisée et d'une partie magnésienne cristallisée sous forme de plaquettes, les cristaux de la partie calcique et ceux de la partie magnésienne étant agrégés sous forme d'agrégats composites, ces agrégats étant eux-mêmes au moins partiellement agglomérés, ladite partie calcique comprenant au moins un carbonate choisi parmi le groupe constitué de la calcite, de l'aragonite et de leurs mélanges, ladite partie magnésienne comprenant de l'hydromagnésite sous forme plaquettaire, ladite phase solide mixte présentant une masse volumique en vrac inférieure ou égale à 250 kg/m3, et supérieure ou égale à 80 kg/m3, mesurée selon la norme EN 459.2.

Description

Composition minérale à base d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnésium, son procédé de préparation et son utilisation.
La présente invention se rapporte à une composition minérale à base d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnésium, à son procédé de préparation et à son utilisation.
Les carbonates de calcium de synthèse sont connus, principalement pour des utilisations en tant que fillers (papier, peinture, plastiques...). Pour ces applications, il est connu notamment de synthétiser des carbonates denses, en particulier de la calcite qui est de morphologie scalenohédrale, rhombohédrale ou prismatique ou de l'aragonite de morphologie aciculaire.
On connaît aussi des compositions à base de carbonates de calcium et de magnésium de synthèse qui sont notamment utilisées dans le domaine de la fabrication des papiers et matières plastiques.
On peut citer par exemple des compositions selon les demandes de brevet EP-A-2322581 et DE-A-3245103. La première divulgue des particules de carbonates de magnésium plaquettaires sous la forme d'hydromagnésite en mélange avec du carbonate de calcium colloïdal, bien appropriées comme charges dans du papier ou des matières plastiques. La seconde divulgue des particules de carbonate de calcium scalénohédrales (soit en forme de grain de riz) en mélange avec des particules plaquettaires de carbonate basique de magnésium. Les carbonates respectifs sont produits distinctement et ne forment pas un composite.
Les compositions décrites dans le brevet européen EP-B- 0526121 sont formées d'un mélange uniforme de particules de carbonate de calcium ayant une structure cristalline d'aragonite aciculaire à configuration de particule en colonne et de carbonate de magnésium hydraté à configuration de particule plaquettaire.
On connaît aussi une demande de brevet japonaise JP 63-123810 qui décrit un procédé de production d'une composition minérale à base d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnésium. Ce procédé comprend une carbonatation d'une suspension aqueuse de carbonate basique de magnésium, à laquelle on ajoute en continu une suspension aqueuse d'hydroxyde de magnésium et d'hydroxyde de calcium. La carbonatation est effectuée avec un grand débit de CO2, ce qui donne lieu à la formation de particules sphériques et poreuses de carbonate basique de magnésium sur les noyaux de germination de carbonate basique de magnésium initialement présents en suspension, les pores de ces particules étant partiellement remplis de carbonate de calcium. Cette composition est très dense et destinée à la production de charges dans le domaine de la fabrication du papier, de peintures, de matières plastiques ou encore dans le domaine médical.
La présente invention a pour but de développer des compositions minérales, notamment destinées à la construction. Dans ce domaine, il existe par exemple un besoin de développer des compositions minérales pouvant présenter une alternative intéressante aux mousses de polyuréthane ou phénoliques, habituellement utilisées par exemple dans les panneaux d'isolation thermique. Les matériaux minéraux présentent en effet l'avantage par rapport aux mousses organiques d'avoir une durée de vie plus longue, une tenue au feu nettement meilleure, ainsi qu'un impact environnemental réduit. Il est dès lors souhaitable que ces nouvelles compositions minérales possèdent des propriétés thermiques semblables à celles des mousses connues. Il y a donc lieu de développer des matériaux minéraux qui présentent une porosité volumique élevée et contrôlée, avec une masse volumique peu élevée, tout en conservant des propriétés mécaniques acceptables (résistance à la flexion, à la compression, aux chocs...).
Dans un milieu poreux, on entend par conductivité thermique une valeur λ qui vaut la somme de i) la conductivité thermique du gaz occlus dans les pores, rapportée à la fraction volumique des pores dans la composition et de ii) la conductivité thermique de la matière solide, rapportée à la fraction volumique de cette matière solide dans la composition. La conductivité thermique des gaz est généralement de l'ordre de 10"2 W/K/m et celle des solides de l'ordre de 1 à 102 W/K/m; plus la fraction volumique de gaz (donc de pores) dans la composition est grande, plus la conductivité thermique de la composition sera faible et plus le matériau sera isolant.
Pour résoudre ce problème, il est prévu suivant l'invention une composition minérale à base d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnésium de synthèse, formée d'une partie calcique cristallisée et d'une partie magnésienne cristallisée sous forme de plaquettes, les cristaux de la partie calcique et ceux de la partie magnésienne formant des agrégats composites, ces agrégats étant eux- mêmes au moins partiellement agglomérés sous la forme d'agglomérats, ladite partie calcique comprenant au moins un carbonate choisi parmi le groupe constitué de la calcite, de l'aragonite et de leurs mélanges, ladite partie magnésienne comprenant de l'hydromagnésite sous forme plaquettaire, ladite phase solide mixte de carbonates de ladite composition minérale présentant une masse volumique en vrac inférieure ou égale à 250 kg/m3, et supérieure ou égale à 80 kg/m3, mesurée selon la norme EN 459.2.
La calcite et l'aragonite sont deux structures cristallines de carbonate de calcium CaC03. L'hydromagnésite, appelée aussi carbonate basique de magnésium, est de formule Mg5(C03)4(OH)2.4H20 ou 4MgC03.Mg(OH)2.4H20. Dans les bases de données de diffraction des rayons X (International Centre for Diffraction Data (ICDD) database), l'hydromagnésite correspond aux fiches portant les références 00-025- 0513 (monoclinique) et 01 -070-1 177 (orthorhombique). Elle n'a pas à être confondue avec la magnésite, carbonate de magnésium de formule MgC03, ou avec la nesquéhonite, un carbonate de magnésium hydraté de formule MgC03.3H20, qui sont à éviter suivant l'invention.
Par le terme « agrégats », on entend, au sens de la présente invention un ensemble cohésif de cristaux.
Par les termes «agglomérats», on entend, au sens de la présente invention un ensemble lâche d'agrégats de cristaux et/ou de cristaux, qui peut être facilement détruit par des moyens mécaniques (ultrasons, agitation, cisaillement, vibration...).
Par l'expression "masse volumique en vrac", on entend, suivant l'invention, le rapport entre la masse du matériau et le volume apparent de l'ensemble des agglomérats ou grains, mesurée selon la norme EN 459.2.
La faible masse volumique en vrac de la phase solide mixte de la composition suivant l'invention résulte d'un large volume poreux, c'est-à-dire d'une incorporation élevée de gaz dans la phase solide mixte qui présente plusieurs niveaux de porosité : au sein des agrégats de cristaux, au sein des agglomérats d'agrégats et même entre les agglomérats ou grains.
Par l'expression « volume poreux », on entend dans la présente invention un volume poreux global correspondant aux différentes porosités décrites ci-dessus et mesuré par la méthode d'intrusion au mercure. Dans la suite de ce texte, on considérera que le volume poreux correspond au volume des pores de taille < 100 μιτι.
Il est généralement admis que la masse volumique en vrac d'une hydromagnésite standard est comprise entre 200 et 400 kg/m3. Les carbonates de calcium de synthèse ont quant à eux une masse volumique en vrac comprise habituellement entre 250 et 600 kg/m3. Contre toute attente la phase solide mixte de carbonate de calcium et d'hydromagnésite de la composition selon l'invention présente une masse volumique en vrac inférieure à 250 kg/m3.
Ce résultat est d'autant plus surprenant qu'il permet d'atteindre des valeurs de conductivité thermique réduites de la phase solide mixte de la composition minérale suivant l'invention, de l'ordre de 25 à 45 mW/K/m, en particulier de l'ordre de 28 à 45 mW/K/m.
La phase solide mixte de la composition selon l'invention présente donc des particularités qui ne se retrouvent pas dans les phases pures habituelles de type hydromagnésite ou carbonate de calcium de synthèse.
L'explication résiderait dans le fait que la phase solide mixte de calcium et de magnésium présente une structure de cristallisation mixte qui permet le meilleur compromis entre porosité, degré d'agrégation et organisation des cristaux les uns par rapport aux autres. Ce compromis résulte en une faible masse volumique en vrac et ainsi en une faible conductivité thermique. Cet effet est, entre autre, obtenu par le procédé selon l'invention, spécialement aménagé pour atteindre les caractéristiques particulières de faible masse volumique en vrac et donc de faible conductivité thermique de la phase solide de la composition suivant l'invention. Ce procédé est décrit plus en détail ultérieurement et comprend une étape de carbonatation d'un hydroxyde mixte de calcium et de magnésium, qui permet de former une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnésium, contrôlés dans leur structure.
Dans une forme de réalisation de l'invention, ladite partie magnésienne de la composition minérale selon la présente invention peut comprendre en outre du périclase MgO et/ou de la brucite Mg(OH)2. Les proportions de ces différents composants dans la phase solide mixte de la composition selon l'invention, en plus des carbonates de calcium de synthèse et de l'hydromagnésite, sont liées aux conditions opératoires et aux propriétés de la dolomie hydratée utilisée dans le procédé de carbonatation permettant l'obtention de la phase solide mixte de la composition selon l'invention décrit ultérieurement. Une dolomie totalement hydratée (dont l'hydratation a été réalisée sous pression pour éviter la présence résiduelle de MgO dans la dolomie hydratée) conduira à de plus fortes teneurs en Mg(OH)2 dans la phase solide mixte de la composition selon l'invention que l'utilisation d'une dolomie partiellement hydratée, qui, elle, pourra conduire à la présence de MgO dans la phase solide mixte de la composition selon l'invention.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, la partie calcique de la composition suivant l'invention peut comprendre en outre de l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2, par exemple sous la forme de portlandite. Il faut noter que la partie calcique est toujours formée majoritairement en poids de calcite, d'aragonite ou d'un mélange des deux.
Dans une forme de réalisation avantageuse selon la présente invention, la phase solide mixte de ladite composition minérale présente une surface spécifique supérieure ou égale à 15 m2/g, plus particulièrement supérieure à 20 m2/g et de préférence supérieure ou égale à 25 m2/g, et pouvant aller jusqu'à 35 m2/g.
Par l'expression « surface spécifique » utilisée dans la présente invention, on entend la surface spécifique mesurée par manométrie d'adsorption d'azote et calculée selon le modèle de Brunauer, Emmett et Teller (méthode BET), après dégazage à 190°C.
La phase solide mixte de la composition selon l'invention présente donc un autre avantage inattendu en ce que sa surface spécifique est supérieure à celle des carbonates de calcium de synthèse habituels, qui présentent une surface spécifique de l'ordre de 4 à 15 m2/g.
Avantageusement, la composition selon la présente invention peut comprendre en outre une phase aqueuse, ladite composition étant alors sous forme de suspension ou de pâte. Elle peut aussi être sous forme solide, en particulier pulvérulente, et présenter un taux d'humidité compris entre 0 et 4 %, en particulier entre 0,1 et 4 %, de préférence inférieur ou égal à 3 %, plus particulièrement inférieur ou égal à 2 % en poids d'eau par rapport au poids total de la composition. Dans une forme de réalisation particulière de suspension, il est possible que les agglomérats soient dispersés.
Suivant une forme de réalisation de l'invention, ladite hydromagnésite est représentée par la formule Mg5(C03)4(OH)2.4H20 (ou indifféremment 4MgC03.Mg(OH)2.4H20) et est présente à une teneur comprise entre 10 et 60 % en poids, de préférence supérieure ou égale à 20 % en poids, plus particulièrement supérieure ou égale à 30 % en poids, par rapport au poids de ladite phase solide mixte.
Avantageusement, ladite partie calcique est présente dans la composition suivant l'invention en une quantité allant de 35 à 75 %, avantageusement de 40 à 70 %, de préférence de 45 à 65 %, de manière plus préférentielle de 50 à 60 % en poids par rapport au poids total de la phase solide mixte. Le total de la partie magnésienne représente une quantité allant de 25 à 65 %, avantageusement de 30 à 60 %, de préférence de 35 à 55 % et de manière plus préférentielle de 40 % à 50 % du poids total de la phase solide mixte.
Dans une poudre sèche d'une composition préférentielle suivant l'invention on peut distinguer les composants suivants (en % massiques) :
- calcite CaC03 : 26 - 67 %
- aragonite CaC03 : 0 - 25 %
- portlandite Ca(OH)2: 0 - 2 %
- hydromagnésite Mg5(C03)4(OH)2.4H20 : 13 - 54 %
- brucite Mg(OH)2: 0 - 44 %, de préférence de 0 - 25 %
- périclase MgO : 0 - 5 %
- oxyhydroxyde de magnésium Mg302(OH)2 : 0 - 5 % avec au total 36 à 67 % de CaC03 et un total pour la partie magnésienne de 28 à 64 %. Suivant l'invention, la phase solide mixte présente un rapport molaire Ca/Mg compris entre 0,4 et 1 ,2, en particulier entre 0,8 et 1 ,2.
La composition selon l'invention est soit sous la forme d'une poudre, soit sous la forme d'une suspension ou d'une pâte, dont une telle poudre peut provenir.
Préférentiellement, dans la composition minérale suivant l'invention, la masse volumique en vrac de la phase solide mixte est inférieure ou égale à 200 kg/m3, plus particulièrement inférieure ou égale à 180 kg/m3, voire inférieure ou égale à 160 kg/m3. De façon avantageuse, la masse volumique est supérieure ou égale à 90 kg/m3, en particulier supérieure ou égale à 100 kg/m3
Dans une forme de réalisation avantageuse selon la présente invention, la phase solide mixte de ladite composition minérale présente une conductivité thermique comprise entre 25 et 45 mW/K/m, en particulier entre 28 et 45 mW/K/m. Cette conductivité est de préférence inférieure ou égale à 40 mW/K/m, plus particulièrement inférieure ou égale à 35 mW/K/m et de préférence inférieure ou égale à 32 mW/K/m.
Suivant une forme de réalisation avantageuse de l'invention, la phase solide mixte est présente en une proportion comprise dans la plage allant de 5 à 65 % en poids par rapport au poids total de la composition et un milieu liquide est présent en une proportion comprise dans la plage allant de 35 à 95 % en poids par rapport au poids total de la composition minérale.
Suivant une forme de réalisation particulière de l'invention, ladite phase solide mixte est composée d'agglomérats broyés en grains de taille inférieure ou égale à 2 mm, de préférence inférieure ou égale à 1 mm, de manière plus préférentielle inférieure ou égale à 200 μιτι et en particulier inférieure ou égale à 80 μιτι.
Suivant une forme de réalisation perfectionnée de l'invention, les agrégats de la phase solide mixte sont constitués d'un cœur calcique sur lequel sont agrégées des plaquettes d'hydromagnésite. Dans une autre réalisation particulière de l'invention, les agrégats présentent une morphologie sensiblement sphérique.
Suivant une forme de réalisation de l'invention, les agrégats ont pour 80 % en volume une taille caractéristique de l'ordre de 1 à 40 μιτι, de préférence de 3 à 30 μιτι et en particulier de 5 à 20 μιτι sur la base des photos de MEB. Les plaquettes d'hydromagnésite ont pour 80 % en volume une largeur de plaquette de l'ordre de 0,5 à 10 μιτι, de préférence de 0,5 à 5 μιτι.
Les plaquettes d'hydromagnésite ne sont pas agrégées au hasard. Le plus souvent, les agrégats suivant l'invention présentent une forme générale analogue à celle d'une rose des sables.
Une poudre sèche d'une composition minérale préférentielle suivant l'invention pourra présenter les caractéristiques suivantes :
- masse volumique en vrac : 80- 250 kg/m3
- conductivité thermique : 25 - 45 mW/K/m
- surface spécifique BET : 15 - 35 m2/g
- volume des pores < à 100 μιτι : 1 - 5 cm3/g
- humidité : 0 - 4 %
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une composition minérale à base d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnésium, comprenant
i) une préparation de dolomie au moins partiellement hydratée par calcination d'une dolomie crue puis hydratation au moins partielle de la dolomie ainsi calcinée,
- ii) une mise en suspension dans une phase aqueuse de ladite dolomie au moins partiellement hydratée, cette suspension présentant une proportion comprise entre 5 et 15% en poids de matière solide par rapport au poids total de la suspension,
iii) une carbonatation de ladite dolomie en suspension par injection d'un gaz contenant du C02 dans ladite suspension chauffée à une température de 55 à 90 °C à un débit de C02 de 2,5 à 15 dm3/min/kg de ladite matière solide en suspension, avec une diminution par étapes du pH de la suspension jusqu'à une valeur inférieure à 9 et avec, en parallèle, successivement une diminution de la conductivité électrique de la suspension, puis une stabilisation de celle-ci et finalement une augmentation de la conductivité électrique stabilisée, la carbonatation étant stoppée dès que cette augmentation de conductivité électrique est observée,
iv) une obtention d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnésium de synthèse formée d'une partie calcique cristallisée et d'une partie magnésienne cristallisée sous forme de plaquettes, les cristaux de la partie calcique et ceux de la partie magnésienne étant agrégés sous forme d'agrégats composites, ces agrégats étant eux-mêmes au moins partiellement agglomérés sous la forme d'agglomérats, ladite partie calcique comprenant au moins un carbonate choisi parmi le groupe constitué de la calcite, de l'aragonite et de leurs mélanges, ladite partie magnésienne comprenant de l'hydromagnésite sous forme plaquettaire, ladite phase solide mixte de carbonates de ladite composition minérale présentant une masse volumique en vrac inférieure ou égale à 250 kg/m3, et supérieure ou égale à 80 kg/m3, mesurée selon la norme EN 459.2.
Au sens de la présente invention, on entend par stabilisation de la conductivité électrique, une période de plus de 15 minutes au cours de laquelle la conductivité électrique mesurée dans la suspension ne varie pas de plus de 0,5 mS/cm vers le haut ou vers le bas, de préférence une période de plus de 15 minutes au cours de laquelle la variation de conductivité est inférieure à 0,3 mS/cm vers le haut ou vers le bas, et avantageusement une période de 30 minutes au cours de laquelle la variation de conductivité électrique est inférieure à 0,3 mS/cm vers le haut ou vers le bas. Selon les conditions opératoires, cette phase de stabilisation peut être plus ou moins longue. Dans certaines variantes du procédé, elle peut durer jusqu'à 60 minutes, voire plus. Suivant un mode particulier du procédé suivant l'invention, la dolomie crue se trouve, avant calcination, dans un produit minéral dolomitique en association avec une ou des substances calciques, une ou des substances magnésiennes ou un mélange de ces substances, en formant un rapport molaire Ca/Mg compris entre 0,8 et 1 ,2 dans le produit minéral dolomitique et la matière solide de la suspension obtenue après les étapes de calcination, hydratation et mise en suspension contient, outre des particules de dolomie au moins partiellement hydratée, des particules apparentées à celles-ci, issues des substances associées dans le produit minéral dolomitique.
Des produits dolomitiques variés se trouvent dans la nature et peuvent contenir notamment, outre de la dolomie crue, par exemple du carbonate de calcium, de la brucite Il faut en outre noter que la dolomie crue naturelle, à laquelle on attribue d'une manière générale la formule Ca.Mg(C03)2, peut varier dans ses teneurs respectives de Ca et de Mg.
Aussi, au sens de la présente invention, on entend par dolomie crue non seulement une dolomie de formule Ca.Mg(C03)2 mais aussi un carbonate mixte de calcium et de magnésium d'origine naturelle de formule générale aCaC03.bMgC03, a et b étant des coefficients molaires tels que a/b = 0,8 à 1 ,2.
Aussi, ladite dolomie au moins partiellement hydratée est de formule générale aCa(OH)2.xMg(OH)2.yMgO dans laquelle a, x et y sont des coefficients molaires avec notamment 0,8 < a/(x+y) < 1 ,2 avec x+y=b. Elle est avantageusement une dolomie semi-hydratée dans laquelle la proportion massique de MgO résiduel est supérieure ou égale à 1 % en poids, avantageusement supérieure à 10 %, de préférence à 20 %, et qui est obtenue par calcination et hydratation conventionnelle de dolomie crue. L'utilisation d'une telle dolomie semi-hydratée permet de produire une composition minérale dans laquelle la phase solide mixte comprend de l'hydromagnésite et de la calcite et/ou de l'aragonite, les teneurs en brucite, en périclase et en portlandite étant faibles (chacune étant inférieure à 10%, avantageusement inférieure à 5% et de préférence à 2 % en poids de la phase solide mixte).
Dans une variante selon la présente invention, ladite dolomie au moins partiellement hydratée est une dolomie dite totalement hydratée dans laquelle la proportion massique de MgO résiduel est inférieure à 1 % en poids et qui est obtenue par calcination et hydratation sous pression de dolomie crue. L'utilisation d'une telle dolomie totalement hydratée permet de produire une composition minérale dans laquelle la phase solide mixte comprend de l'hydromagnésite et de la calcite et/ou de l'aragonite, mais aussi une quantité non négligeable de brucite (jusqu'à 40 % en poids de la phase solide mixte dans certains cas), les teneurs en périclase et en portlandite restant toutefois faibles (chacune étant inférieure à 5 %, de préférence à 2 % en poids de la phase solide mixte).
Dans une autre variante du procédé selon l'invention, pour accroître la proportion de magnésium dans le composite final, une quantité prédéterminée de Mg(OH)2 est ajoutée, préalablement à la carbonatation, à ladite dolomie au moins partiellement hydratée en suspension ou non, de manière à obtenir une phase solide mixte présentant un rapport molaire Ca/Mg compris entre 0,4 et 1 ,2. On peut également envisager d'ajouter de la même manière une quantité de MgO comprise entre 1 et 5 % en poids, par rapport au poids de la dolomie entièrement hydratée afin notamment de renforcer la morphologie sphérique des agrégats.
Il faut noter que la dolomie au moins partiellement hydratée de départ peut contenir une certaine fraction de CaCO3, signe d'une calcination incomplète, et de CaO, en raison d'une extinction (hydratation) incomplète, ainsi que des impuretés.
L'hydratation au moins partielle de la dolomie peut être réalisée par voie sèche en ajoutant à une unité de masse de dolomie calcinée une quantité de phase aqueuse (généralement de l'eau, éventuellement un lait de chaux et/ou de dolomie, ou de l'eau avec des additifs), comprise entre 0,2 et 1 ,0 unité de masse, de préférence 0,4 à 0,8 unité de masse. Dans ce cas, le produit d'hydratation obtenu (à l'étape i)) est une poudre comprenant moins de 30 % d'humidité relative.
Cette hydratation au moins partielle peut aussi être réalisée par voie humide en ajoutant à une unité de masse de la dolomie calcinée une quantité de phase aqueuse, notamment d'eau, comprise entre 1 ,1 et 6 unités de masse, de préférence entre 2 et 5 unités de masse, plus particulièrement 4 unités de masse. Dans ce cas d'hydratation par voie humide, une variante du procédé selon l'invention consiste à effectuer, en une seule étape, l'hydratation de la dolomie calcinée présentant par exemple un rapport molaire Ca/Mg compris entre 0,8 et 1 ,2 par calcination d'une dolomie crue et ladite mise en suspension dans une phase aqueuse de ladite dolomie au moins partiellement hydratée, par extinction de ladite dolomie calcinée avec un excès suffisant d'eau afin d'obtenir directement ladite suspension.
Avantageusement, lors de la mise en suspension de la dolomie au moins partiellement hydratée on peut prévoir une proportion de 7 à 10 % en poids de matière solide par rapport au poids total de la suspension.
Dans une variante du procédé selon l'invention, l'étape i) ou ladite calcination d'une dolomie crue de l'étape i) ou encore l'étape i) et l'étape ii) sont effectuées préalablement et indépendamment des étapes suivantes, en particulier des étapes iii) et iv).
Après mise en suspension correspondant à l'étape ii), le procédé peut comprendre en outre un tamisage, notamment à une taille de particules égale ou inférieure à 250 μιτι ou un broyage, en particulier à une taille de particules inférieure ou égale à 90 μιτι de ladite dolomie au moins partiellement hydratée en suspension dans une phase aqueuse, éventuellement additionnée de MgO et/ou de Mg(OH)2 avant carbonatation.
Une dilution de la suspension peut également avoir lieu.
La composition selon l'invention peut comprendre en outre des additifs facilitant la préparation, la filtration, le stockage et/ou le broyage (la désagglomération) de la dite composition, en particulier afin d'améliorer la stabilité des suspensions selon l'invention.
La carbonatation de la dolomie en suspension est avantageusement effectuée à une température comprise entre 60 et 80 °C, de préférence inférieure ou égale à 70 °C, en particulier inférieure ou égale à 65 0.
Lors de cette étape on prévoit de préférence que le C02 soit injecté pur à 100 % en volume ou dilué dans un gaz porteur, en particulier de l'air, à une concentration volumique de C02 dans le gaz porteur de 15 à 50 %, en particulier de 15 à 25 %. Le débit total d'injection (gaz porteur éventuel et C02) peut avantageusement être de l'ordre de 15 à 55 dm3/min/kg de de matière solide en suspension. Le débit de C02 (gaz porteur exclus) est avantageusement compris entre 2,5 et 9,5 dm3/min/kg de matière solide en suspension.
L'augmentation de la conductivité électrique dans la suspension carbonatée, après la période de stabilisation, indique une formation de bicarbonate de magnésium MgHC03 soluble et le début d'une dissolution indésirée de l'hydromagnésite. La carbonatation est alors arrêtée. De façon générale, on observe que le pH est inférieur ou égal à 8,5.
Pendant la mise en suspension et la carbonatation, la suspension de dolomie peut avantageusement être maintenue sous agitation, par exemple à une vitesse de 350 à 650 rpm.
Suivant une forme de réalisation de l'invention, le procédé comprend en outre, une étape de séparation solide-liquide entre ladite phase solide mixte carbonatée et ladite phase aqueuse.
Cette phase solide mixte séparée peut ensuite être séchée. Avantageusement, la phase solide mixte peut être broyée ou désagglomérée pour obtenir des particules de taille inférieure ou égale à 2 mm, de préférence inférieure ou égale à 1 mm, de manière plus préférentielle inférieure ou égale à 200 μιτι et en particulier inférieure ou égale à 80 μιη. L'opération de séchage peut être effectuée simultanément à celle de désagglomération ou de broyage.
Suivant une forme de réalisation de l'invention, le procédé comprend en outre un soutirage d'une quantité prédéterminée de suspension après carbonatation, une alimentation d'une suspension fraîche de dolomie semi-hydratée non carbonatée et une carbonatation ultérieure.
La présente invention concerne également une utilisation d'une composition minérale suivant l'invention ou telle qu'obtenue par le procédé suivant l'invention dans des matériaux de construction.
On peut envisager en particulier cette composition comme constituant de matériaux d'isolation thermique, en particulier dans des panneaux d'isolation thermique.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après d'exemples non limitatifs, dans lesquels les pourcentages donnés sont massiques, lorsqu'ils ne sont pas précisés.
Les figures annexées illustrent la structure cristalline des compositions obtenues dans les exemples. Les figures ont la même numérotation que les exemples à deux agrandissements différents 2000 x (figures A) et 10.000 x (figures B), par microscopie électronique à balayage (MEB).
Dans les exemples, la masse volumique en vrac est mesurée d'après la norme EN 459.2. Lors de la mesure de la conductivité thermique, qui dépend du degré de tassement de l'échantillon, apparaît une seconde valeur de masse volumique non normalisée qu'il est impératif de mentionner afin de connaître les conditions de la mesure de conductivité thermique.
La conductivité thermique est mesurée sur un matériau en vrac en suivant les enseignements des normes ISO 8301 ou NF EN 12664. Plus précisément, la conductivité thermique telle que mentionnée dans la présente invention est mesurée sur la phase solide mixte de la composition minérale objet de la présente invention, c'est-à-dire sur une poudre préalablemet séchée à 105°C et dont la teneur en humidité est inférieure à 4 % en poids. Dans le cas où la composition selon l'invention se trouve sous la forme d'une suspension ou d'une pâte, ladite poudre est obtenue à partir de cette composition en suivant les étapes décrites plus haut dans la présente invention ou décrites dans les exemples.
La mesure est réalisée dans un appareil à fluxmètre (Netzsch Heat Flow Meter H FM 463/3/IE Lambda Séries) sur une poudre en vrac placée dans un moule dont la taille est supérieure à la taille du fluxmètre. La préparation du lit de poudre dans le moule est telle que la surface du lit de poudre est la plus plate possible et que la masse volumique du lit de poudre sur lequel sera effectuée la mesure de conductivité thermique est égale à la masse volumique en vrac mesurée au préalable sur chaque poudre selon la méthode décrite dans la norme EN 459.2 à 20 % près, si possible à 15 % près. Une seule mesure est effectuée à 20 °C avec un écart de température de 20 °C entre les deux faces de l'échantillon (soit 10°C pour une face et 30 °C pour l'autre).
La surface spécifique est mesurée selon la méthode BET basée sur une mesure de manométrie d'adsorption d'azote après dégazage de l'échantillon à 190°C et le volume des pores < à 100 μιτι est mesuré par intrusion de mercure.
Exemple 1 : carbonatation d'une dolomie semi-hydratée (4% Mg(OH)2, 28 % MgO) à 70 °C.
A/ La matière première
La dolomie semi-hydratée utilisée pour cet exemple a été préparée industriellement à partir de dolomie naturelle par calcination puis extinction dans un hydrateur industriel classique avec un faible excès d'eau (hydratation en voie sèche). D'après une analyse de thermogravimétrie complétée par une analyse chimique par spectrométrie de fluorescence X, cette dolomie semi-hydratée contient 45 % ± 0,5 % de Ca(OH)2, 4 % ± 0,5 % de Mg(OH)2 et 28 % ± 0,5 % de MgO. Elle contient également 15 % ± 0,5 % de CaCO3 résiduel, la calcination de la dolomie ayant été incomplète, 5 % ± 0,5 % de CaO résiduel, l'hydratation de la dolomie ayant été incomplète, ainsi que des impuretés, exprimées notamment sous la forme de Si02, Al203, Fe203.... Cette dolomie a un rapport molaire Ca/Mg de 1 ,1 .
B/ Préparation du lait
Un lait de dolomie (suspension aqueuse de particules de dolomie semi-hydratée) est préparé en mélangeant 10 dm3 d'eau déminéralisée à 20 °C avec 1 100 g ± 15 g de dolomie semi-hydratée (soit une teneur en matière sèche de 10 % environ). Ce lait est maintenu sous agitation pendant 10 minutes avant d'être tamisé à 250 μιτι. Le lait passé au travers du tamis est alors introduit dans un réacteur d'une capacité de 12 dm3, équipé d'une double enveloppe et muni d'un système d'agitation et d'un système de chauffage. Ce réacteur est aussi équipé d'une sonde de pH, d'une sonde de conductivité électrique et d'une sonde de température. Le refus au tamisage (> 250 μιτι) est considéré comme un déchet de la réaction. Le lait est maintenu sous agitation et sa température est portée à 70 °C ± 2 °C.
Cl Carbonatation
Lorsque le lait a atteint la température de 70 °C ± 2 °C, l'injection de C02 sous la forme d'un gaz composé de 15 % en volume de C02 et de 85 % en volume d'air est démarrée. Le gaz porteur de C02 est injecté par une buse qui se trouve dans le bas du réacteur. Les débits de gaz dans la suspension correspondent à 3,4 dm3/min de C02 et 19,6 dm3/min d'air par kg de dolomie semi-hydratée de départ. Pendant toute la carbonatation, la conductivité électrique du lait ainsi que son pH sont enregistrés. Le lait a un pH de 12,3 avant carbonatation. Au cours de celle-ci, la conversion des hydroxydes en carbonates s'accompagne a) d'une diminution du pH par étapes et b) d'une diminution, d'une phase stabilisée et finalement d'une augmentation de la conductivité électrique. La réaction est arrêtée lorsque la conductivité électrique commence à augmenter, cette augmentation intervenant simultanément à une chute du pH à moins de 9, dans ce cas 8,6. La conductivité électrique au début de la carbonatation était de 9,9 mS/cm, pendant la phase stabilisée elle était de 1 ,0-1 ,3 mS/cm et la réaction a été arrêtée à une conductivité électrique de 2,8 mS/cm.
L'augmentation de la conductivité électrique autour d'un pH de 8,6 (pH entre 7,5 et 9) indique une formation de bicarbonate de magnésium soluble et le début de la dissolution non désirée de l'hydromagnésite.
D/ Traitements post-synthèse
A l'issue de la carbonatation, la suspension est filtrée sur buchner, placée dans une étuve à 105 °C pour un séchage d'une nuit, puis le solide séché est broyé afin d'obtenir une poudre de granulométrie inférieure à 2 mm et dont le taux d'humidité est inférieur à 3 %.
D'après une analyse thermogravimétrique et une analyse par diffraction des rayons X, le produit ainsi obtenu contient 54 ± 2 % de CaC03, quasiment exclusivement sous la forme de calcite (seulement des traces d'aragonite), 41 ± 2 % d'hydromagnésite, et aucune autre phase de type brucite, périclase, Mg302(OH)2 ou encore portlandite en proportion significative. Sa masse volumique en vrac mesurée d'après la norme EN 459.2 est de 148 kg/m3. Sa surface spécifique est de 26,3 m2/g (méthode BET basée sur une mesure de manométrie d'adsorption d'azote) et le volume de ses pores < à 100 μιτι, mesuré par intrusion de mercure, est de 3,8 cm3/g. Sa conductivité thermique est de 37 mW/K/m pour une masse volumique au moment de la mesure de 163 kg/m3. Voir figures 1 A et 1 B.
Exemple 2 : carbonatation d'une dolomie semi-hydratée (15 % Mg(OH)2, 21 % MgO) à 70 °C.
Cet exemple est comparable à l'exemple 1 . Les seules différences sont :
- la matière première a été remplacée par une autre dolomie semi- hydratée ayant une composition et une origine différentes, - le réacteur utilisé pour la carbonatation est un réacteur d'un volume de 3 dm3 au lieu des 12 dm3 du réacteur décrit dans l'exemple 1 , ce qui implique une adaptation des masses de réactifs et des débits de C02.
Tous les autres paramètres et toutes les autres étapes du procédé sont similaires à ceux décrits dans l'exemple 1 .
A/ La matière première
La dolomie semi-hydratée utilisée pour cet exemple a à nouveau été préparée industriellement à partir de dolomie naturelle par calcination puis extinction dans un hydrateur industriel classique avec un faible excès d'eau (hydratation en voie sèche). Cette dolomie semi- hydratée contient 41 % ± 0,5 % de Ca(OH)2, 15 % ± 0,5 % de Mg(OH)2 et 21 % ± 0,5 % de MgO. Elle contient également 19 % ± 0,5 % de CaC03 résiduel, la calcination de la dolomie ayant été incomplète, 2 % ± 0,5 % de CaO résiduel, l'hydratation de la dolomie ayant été incomplète, ainsi que des impuretés (Si02, Al203, Fe203...). Cette dolomie a un rapport molaire Ca/Mg de 1 ,0.
B/ Préparation du lait
Cette fois, le lait est préparé en mélangeant 2 dm3 d'eau déminéralisée à 20 °C avec 270 g ± 5 g de dolomie semi-hydratée (soit une teneur en matière sèche de 12 % environ). Il est ensuite agité et tamisé comme décrit dans l'exemple 1 . A l'issue de l'étape de tamisage, le lait passé au travers du tamis est introduit dans un réacteur d'une capacité de 3 dm3, à nouveau équipé d'une double enveloppe, muni d'un système d'agitation, d'un système de chauffage, d'une sonde de pH, d'une sonde de conductivité électrique et d'une sonde de température. Comme dans l'exemple 1 , le lait est maintenu sous agitation et sa température est portée à 70 °C ± 2 °C.
Cl Carbonatation
Comme dans l'exemple 1 , la carbonatation se fait à 70 °C ±
2 °C. Les débits de gaz dans la suspension correspondent cette fois à 0,86 dm3/min de C02 et 4,90 dm3/min d'air. Le lait a un pH de 1 1 ,4 avant carbonatation. Au cours de celle-ci, la conversion des hydroxydes en carbonates s'accompagne a) d'une diminution du pH par étapes et b) d'une diminution, d'une phase stabilisée et finalement d'une augmentation de la conductivité électrique. La réaction est arrêtée lorsque la conductivité commence à réaugmenter après une chute simultanée du pH à 8,2. La conductivité électrique au début de la carbonatation était 8,2 mS/cm, pendant la phase stabilisée elle était de l'ordre de 1 ,0 mS/cm et la réaction a été arrêtée à une conductivité électrique de 1 ,8 mS/cm.
L'augmentation de la conductivité électrique autour d'un pH de 8,6 (ou moins) indique une formation de bicarbonate de magnésium soluble et le début de la dissolution non désirée de hydromagnésite.
D/ Traitements post-synthèse
A l'issue de l'étape de carbonatation, la suspension est filtrée et le produit est séché dans les mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1 ci-dessus, afin d'obtenir une poudre sèche (humidité inférieure à 3 %) et de granulométrie inférieure à 2 mm.
D'après une analyse quantitative par diffraction des rayons X confirmée par des résultats d'analyse thermogravimetrique, le produit ainsi obtenu contient 56 ± 1 % de CaC03, dont 41 ± 1 % sous la forme de calcite et 15 ± 1 % sous la forme d'aragonite, 42 ± 1 % d'hydromagnésite, 0,5 ± 0,5 % de brucite et 1 ,1 ± 0,5 % de portlandite. Sa masse volumique en vrac est de l'ordre de 188 kg/m3. Sa surface spécifique est de 27,3 m2/g et le volume de ses pores < à 100 μιτι est de 1 ,2 cm3/g. Sa conductivité thermique est de 38 mW/K/m pour une masse volumique au moment de la mesure de 188 kg/m3.
Voir figures 2A et 2B.
Exemple 3 : carbonatation d'une dolomie semi-hydratée (31 % Mg(OH)2 et 8 % MgO) à 70 °C. L'exemple 3 est similaire à l'exemple 2, seule la matière première utilisée pour la carbonatation est différente, la dolomie semi- hydratée de l'exemple 2 étant remplacée par une autre dolomie semi- hydratée ayant des propriétés différentes.
Dans cet exemple, la dolomie semi-hydratée n'est plus un échantillon industriel. Elle a cette fois été préparée en laboratoire par hydratation d'une dolomie vive (obtenue par calcination industrielle d'une dolomie crue) en voie humide avec un large excès d'eau : 1 masse de dolomie vive et 5 masses d'eau déminéralisée à 70 °C sont mélangées pendant 10 minutes, ce qui conduit à l'obtention d'un lait de dolomie. Les particules solides contenues dans ce lait sont des particules de dolomie semi-hydratée contenant 55 % ± 0,5 % de Ca(OH)2, 31 % ± 0,5 % de Mg(OH)2 et 8 % ± 0,5 % de MgO. Elles contiennent également 3 % ± 0,5 % de CaC03 résiduel, la calcination de la dolomie ayant été incomplète, ainsi que des impuretés (Si02, Al203, Fe203...). Cette dolomie a un rapport molaire Ca/Mg de 1 ,1 .
Le lait obtenu à l'issue des 10 minutes d'hydratation est tamisé à 250 μιτι. Le lait passé au travers du tamis est ensuite introduit dans le réacteur d'une capacité de 3 dm3 décrit dans l'exemple 2. Il est dilué avec de l'eau déminéralisée à 20 °C afin d'obtenir une teneur en matière sèche de l'ordre de 12 % dans le lait. La suite de la réaction est effectuée conformément aux informations de l'exemple 2. La carbonatation se fait à 70 °C ± 2 °C.
Le lait a un pH de 12,0 avant carbonatation. Au cours de celle-ci, la conversion des hydroxydes en carbonates s'accompagne a) d'une diminution du pH par étapes et b) d'une diminution, d'une phase stabilisée et finalement d'une augmentation de la conductivité électrique. La réaction est arrêtée lorsque la conductivité électrique commence à augmenter simultanément à une chute du pH à 8,6. La conductivité électrique au début de la carbonatation était de 7,0 mS/cm, pendant la phase stabilisée elle était de l'ordre de 0,5 mS/cm et la réaction a été arrêtée à une conductivité électrique de 1 ,4 mS/cm.
D'après une analyse quantitative par diffraction des rayons X confirmée par des résultats d'analyse thermogravimétrique, le produit obtenu après les étapes de filtration, séchage et broyage telles que décrites dans l'exemple 1 , se présente sous la forme d'une poudre sèche contenant 53 ± 2 % de CaC03 quasiment exclusivement sous la forme de calcite (uniquement des traces d'aragonite), 45 ± 2 % d'hydromagnésite, 2,0 ± 1 % de portlandite. Sa masse volumique en vrac est de 181 kg/m3. Sa surface spécifique est de 28,9 m2/g et le volume de ses pores < à 100 μιτι est de 2,5 cm3/g. Sa conductivité thermique est de 39 mW/K/m pour une masse volumique au moment de la mesure de 187 kg/m3.
Voir figures 3A et 3B.
Exemple 4 : carbonatation d'une dolomie totalement hydratée (39 % Mg(OH)2 et moins de 1 % de MgO) à 70 °C.
L'exemple 4 est similaire à l'exemple 2, seule la matière première utilisée pour la carbonatation est différente, la dolomie semi- hydratée étant remplacée par une dolomie totalement hydratée.
La dolomie totalement hydratée est un produit industriel obtenu par calcination de dolomie crue suivie d'une hydratation sous pression. La dolomie totalement hydratée utilisée dans cet exemple contient 54 % ± 0,5 % de Ca(OH)2, 39 % ± 0,5 % de Mg(OH)2 et moins de 1 % ± 0,5 % de MgO résiduel. Elle contient également 5 % ± 0,5 % de CaCO3 résiduel et moins de 1 % d'impuretés (SiO2, AI2O3, Fe2O3...). Cette dolomie a un rapport molaire Ca/Mg de 1 ,1 .
Le lait préparé selon les indications de l'exemple 2 a un pH de 12,2 avant carbonatation. La carbonatation se fait à 70 °C. Au cours de celle-ci, la conversion des hydroxydes en carbonates s'accompagne a) d'une diminution du pH par étapes et b) d'une diminution, d'une phase stabilisée et finalement d'une augmentation de la conductivité électrique. La réaction est arrêtée lorsque la conductivité électrique commence à augmenter simultanément à une chute du pH à 8,8. La conductivité électrique au début de la carbonatation était de 9,6 mS/cm, pendant la phase stabilisée elle était de l'ordre de 1 ,4 mS/cm et la réaction a été arrêtée à une conductivité électrique de 2,0 mS/cm.
D'après une analyse quantitative par diffraction des rayons X confirmée par des résultats d'analyse thermogravimétrique, le produit obtenu après les étapes de filtration, séchage et broyage telles que décrites dans l'exemple 1 , se présente sous la forme d'une poudre sèche contenant 54 ± 1 % de CaC03, quasiment exclusivement sous la forme de calcite (uniquement des traces d'aragonite), 40 ± 1 % d'hydromagnésite, 5 ± 1 % de brucite et 1 ,0 ± 0,5 % de portlandite. Sa masse volumique en vrac est de 161 kg/m3. Sa surface spécifique est de 27,3 m2/g et le volume de ses pores < à 100 μιτι est de 3,7 cm3/g. Sa conductivité thermique est de 36 mW/K/m pour une masse volumique au moment de la mesure de 151 kg/m3.
Voir figures 4A et 4B.
Exemple 5 : carbonatation d'une dolomie totalement hydratée (39 % Mg(OH)2 et moins de 1 % de MgO) avec ajout de MgO à 70 °C.
L'exemple 5 est similaire à l'exemple 4, la matière première et le procédé étant identiques à ceux décrits dans l'exemple 4. La seule différence avec cet exemple 4 est que, cette fois, une faible quantité de MgO a été ajoutée dans le lait de dolomie totalement hydratée avant l'injection de CO2. La proportion de MgO correspond à 3 % de la masse de dolomie hydratée. Le MgO a été obtenu par calcination pendant 2h à 400 °C d'un Mg(OH)2 commercial en poudre.
D'après une analyse quantitative par diffraction des rayons X confirmée par des résultats d'analyse thermogravimétrique, le produit obtenu après les étapes de filtration, séchage et broyage telles que décrites dans l'exemple 1 , se présente sous la forme d'une poudre sèche contenant 54 ± 2 % de CaC03, quasiment exclusivement sous la forme de calcite (uniquement des traces d'aragonite), 46 ± 2 % d'hydromagnésite, et aucune autre phase en proportion significative. Sa masse volumique en vrac est de 158 kg/m3. Sa surface spécifique est de 25,4 m2/g et le volume de ses pores < à 100 μιτι est de 2,6 cm3/g. Sa conductivité thermique est de 36 mW/K/m pour une masse volumique au moment de la mesure de 156 kg/m3.
Voir figures 5A et 5B.
Exemple 6 : carbonatation de dolomie semi-hydratée (15 % Mg(OH)2, 21 % MgO) à plus basse température (60 C).
A/ La matière première :
La dolomie semi-hydratée utilisée pour cet exemple est la même que celle utilisée dans l'exemple 2 (rapport molaire Ca/Mg = 1 ,0). B/ Préparation du lait :
Un lait de dolomie est préparé en mélangeant 10,2 dm3 d'eau déminéralisée à 20 °C avec 770 g ± 5 g de dolomie semi-hydratée (soit une teneur en matière sèche de 7 %). Ce lait est ensuite maintenu sous agitation pendant une dizaine de minutes, puis broyé et désaggloméré à l'aide d'un agitateur de type Ultra Turrax (marque IKA) pendant 30 secondes afin de réduire la taille des agglomérats en suspension en dessous de 90 μιτι. Le lait ainsi préparé est alors introduit dans le réacteur de capacité de 12 dm3 décrit dans l'exemple 1 . Le lait est maintenu sous agitation et sa température est portée à 60 °C ± 2 °C. Cl Carbonatation :
Lorsque le lait a atteint la température de 60 °C ± 2 °C, l'injection de C02 sous la forme d'un gaz composé de 20 % en volume de C02 et de 80 % en volume d'air est démarrée. Le gaz porteur de C02 est injecté par une buse qui se trouve dans le bas du réacteur. Les débits de gaz dans la suspension correspondent à 3,0 dm3/min de C02 et 12,0 dm3/min d'air par kg de dolomie semi-hydratée de départ. Le lait a un pH de 12,1 avant carbonatation. Au cours de celle-ci, la conversion des hydroxydes en carbonates s'accompagne a) d'une diminution du pH par étapes et b) d'une diminution, d'une phase stabilisée et finalement d'une augmentation de la conductivité électrique. La réaction est arrêtée lorsque la conductivité électrique commence à augmenter simultanément à une chute du pH à 8,5. La conductivité électrique au début de la carbonatation était de 10,1 mS/cm, pendant la phase stabilisée elle était de l'ordre de 3,9 mS/cm et la réaction a été arrêtée à une conductivité électrique de 4,5 mS/cm.
D/ Traitements post-synthèse :
Les traitements post-synthèse effectués pour cet échantillon sont similaires à ceux effectués dans les exemples 1 à 5 et permettent l'obtention d'une poudre sèche.
D'après une analyse quantitative par diffraction des rayons X, le produit ainsi obtenu contient 58 ± 1 % de CaC03, dont 43 ± 1 % sous la forme de calcite et 16 ± 1 % sous la forme d'aragonite, 38 ± 1 % d'hydromagnésite, 2 ± 1 % de brucite, 1 ± 0,5 % de portlandite et 0,5 ± 0,5 % de Mg302(OH)2. Sa masse volumique en vrac est de 146 kg/m3. Sa surface spécifique est de 25,0 m2/g. Sa conductivité thermique est de 39 mW/K/m pour une masse volumique au moment de la mesure de 189 kg/m3.
Voir figures 6A et 6B.
Exemple 7 : carbonatation de dolomie semi-hydratée (15 % Mg(OH)2, 21 % MgO) avec ajout de Mg(OH)2 à 75 °C ± 2 °C.
Cet exemple est tout à fait similaire à l'exemple 6, mis à part que, cette fois, les 770 g de dolomie semi-hydratée utilisés pour préparer le lait de dolomie ont été remplacés par un mélange de 534 g de cette même dolomie semi-hydratée et de 236 g de Mg(OH)2 commercial en suspension aqueuse à 50 %, de façon à obtenir la même teneur en solide totale que dans l'exemple 6. Cela conduit à un rapport molaire Ca/Mg de 0,5 dans la phase solide de la suspension. Par ailleurs, contrairement à l'exemple 6, la réaction de carbonatation est ici réalisée à 75 °C ± 2 °C. La suspension a un pH de 1 1 ,8 avant carbonatation.
Comme dans l'exemple 6, le réacteur de 12 dm3 est utilisé. Lorsque la suspension a atteint une température de 75 °C ± 2 °C, l'injection d'un gaz contenant 20 % en volume de C02 et le reste d'air commence. Les débits de gaz dans la suspension correspondent à 2,6 dm3/min de C02 et 10,4 dm3/min d'air par kilogramme de matière solide en suspension (dolomie et Mg(OH)2).
Au cours de la carbonatation, la conversion des hydroxydes en carbonates s'accompagne a) d'une diminution du pH par étapes et b) d'une diminution, d'une phase stabilisée et finalement d'une augmentation de la conductivité électrique. La conductivité électrique au début de la carbonatation était de 10,0 mS/cm, pendant la phase stabilisée, elle était de l'ordre de de 2,3 mS/cm et la réaction est arrêtée à une conductivité de 2,9 mS/cm.
D'après une analyse quantitative par diffraction des rayons X, le produit obtenu après les étapes de filtration, séchage et broyage telles que décrites dans l'exemple 1 , se présente sous la forme d'une poudre sèche contenant 39 ± 1 % de CaC03, dont 35 ± 1 % sous la forme de calcite et 4 ± 1 % sous la forme d'aragonite, 26 ± 2 % d'hydromagnésite, 33 ± 2 % de brucite, 1 ± 0,5 % de portlandite et 1 ,0 ± 0,5 % de périclase. Sa masse volumique en vrac est de 132 kg/m3. Sa surface spécifique est de 18 m2/g. Sa conductivité thermique est de 37 mW/K/m pour une masse volumique au moment de la mesure de 154 kg/m3.
Voir figures 7a et 7B.
Exemple 8 : carbonatation à 70 °C ± 2 °C d'un produit dolomitique calciné.
Cet exemple est comparable à l'exemple 3. Seule la matière première est différente, ainsi que quelques détails du procédé. Dans cet exemple, un produit naturellement composé de dolomie (CaC03.MgC03), de calcaire (CaC03) et de brucite (Mg(OH)2), ayant un rapport molaire Ca/Mg de 1 ,0, a été calciné dans un four de laboratoire à 980 °C de manière à obtenir un oxyde mixte à base de CaO et de MgO, contenant de faibles quantités de CaC03 résiduel. Cet oxyde a ensuite été hydraté en laboratoire en voie humide avec un large excès d'eau : 1 masse d'oxyde et 7 masses d'eau déminéralisée à 20 °C sont mélangées pendant 30 minutes, conduisant à l'obtention d'un lait, les particules solides contenues dans ce lait étant apparentées à des particules de dolomie semi-hydratée.
Contrairement à l'exemple 3, le lait n'est pas tamisé. Comme il a déjà une teneur en matière sèche de l'ordre de 12 %, il n'est pas non plus dilué. La carbonatation peut être directement effectuée dans le réacteur de 3 dm3 selon les conditions de l'exemple 3.
Le lait a un pH de 12,6 avant carbonatation. La carbonatation se fait à 70 °C ± 2 °C. Au cours de celle-ci, la conversion des hydroxydes en carbonates s'accompagne a) d'une diminution du pH par étapes et b) d'une diminution, d'une phase stabilisée et finalement d'une augmentation de la conductivité électrique. La réaction est arrêtée lorsque la conductivité électrique commence à augmenter simultanément à une chute du pH à 8,5. La conductivité électrique au début de la carbonatation était de 8,0 mS/cm, pendant la phase stabilisée elle était de l'ordre de 1 ,2 mS/cm et la réaction a été arrêtée à une conductivité électrique de 2,5 mS/cm.
Le produit obtenu après les étapes de filtration, séchage et broyage telles que décrites dans l'exemple 1 , se présente sous la forme d'une poudre sèche. Sa masse volumique en vrac est de 157 kg/m3. Sa surface spécifique est de 19,6 m2/g et le volume de ses pores < à 100 μιτι, est de 3,5 cm3/g. Sa conductivité thermique est de 36 mW/K/m pour une masse volumique au moment de la mesure de 168 kg/m3.
Voir figures 8A et 8B. Exemple 9 : carbonatation à 70 °C ± 2 °C de dolomie semi-hydratée (15 % Mg(OH)2 et 21 % MgO) à l'échelle pilote.
L'exemple 9 est similaire à l'exemple 2, mais la réaction a été réalisée dans un réacteur de 100 dm3 au lieu du réacteur de 3 dm3 utilisé dans l'exemple 2. Cette fois, le lait est préparé en mélangeant 80 dm3 d'eau déminéralisée à 20 °C avec 9,6 kg de la dolomie semi- hydratée décrite dans l'exemple 2 (soit une teneur en matière sèche dans le lait de 10,7 %). Le reste du procédé de synthèse décrit dans l'exemple 2 reste inchangé. Seuls les débits de C02 sont adaptés afin de réaliser la carbonatation des 9,6 kg de dolomie semi-hydratée en un temps proche de celui utilisé pour la carbonatation des 240 g de dolomie semi-hydratée dans le réacteur de 3 dm3 de l'exemple 2, c'est-à-dire environ 3 heures : 55 dm3/min de C02 et 314 dm3/min d'air par kg de dolomie semi-hydratée de départ.
Le produit obtenu après les étapes de filtration, séchage et broyage telles que décrites dans l'exemple 1 , se présente sous la forme d'une poudre sèche. D'après une analyse quantitative par diffraction des rayons X, confirmée par une analyse thermogravimétrique, ce produit contient 57 ± 1 % de CaC03, dont 52 ± 1 % sous la forme de calcite et 5 ± 1 % sous la forme d'aragonite, 42 ± 1 % d'hydromagnésite et 1 ± 0,5 % de portlandite. Sa masse volumique en vrac est de 188 kg/m3. Sa surface spécifique est de 25,6 m2/g et le volume de ses pores < à 100 μιτι est de 1 ,2 cm3/g. Sa conductivité thermique est de 39 mW/K/m pour une masse volumique au moment de la mesure de 220 kg/m3.
Voir figures 9A et 9B.
Exemple 10 : carbonatation de dolomie semi-hydratée et broyage du carbonate.
L'exemple 10 est similaire à l'exemple 2, mais à l'issue de l'étape de séchage, le produit est broyé afin d'atteindre une granulométrie non plus < à 2 mm, mais < à 80 μιτι. La composition minéralogique de cette poudre est similaire à celle de la poudre de 2 mm obtenue dans l'exemple 2, tout comme sa surface spécifique. En revanche, le broyage permet d'augmenter le volume des pores < 100 μιτι de 1 ,2 à 2,6 cm3/g et la distribution en taille de ces pores est nettement modifiée, les pores étant plus larges après broyage. La masse volumique en vrac du produit est quant à elle nettement diminuée en comparaison de la poudre de 2 mm, tout comme sa conductivité thermique : masse volumique en vrac de 1 18 kg/m3 et conductivité de 32 mW/K/m pour une masse volumique de 148 kg/m3 au moment de la mesure.
Voir figures 10A et 10B.
Exemple 11
Dans le cadre de l'optimisation du produit et du procédé objets de la présente invention, un plan d'expériences a été réalisé. Ce plan d'expériences porte sur l'optimisation de l'étape de carbonatation d'une suspension aqueuse dans un réacteur d'une capacité de 100 dm3, réacteur qui avait déjà été utilisé dans l'exemple 9. Quatre paramètres sont étudiés : i) la proportion volumique de C02 dans la phase gazeuse (de 13,9 à 46,1 %), ii) le débit de C02 par rapport à la masse de dolomie au moins partiellement hydratée à carbonater (de 3,8 à 12,9 dm3/min/kg de dolomie), iii) l'extrait sec du lait de dolomie avant carbonatation (de 5,2 à 14,8 %) et iv) la température de carbonatation (de 57 à 73 °C).
Pour l'ensemble des expériences, une étape d'hydratation d'une dolomie vive de calibre inférieur à 3 mm est réalisée dans un premier temps dans un réacteur de 40 dm3 dans les conditions suivantes : température initiale de l'eau d'hydratation fixée à 54 °C, rapport massique eau/dolomie de 3,2 (soit un extrait sec initial de 23,8 %) et une vitesse d'agitation de 275 rpm. La durée de l'hydratation est de 30 à 40 minutes.
A l'issue de l'hydratation, le lait de dolomie obtenu est tamisé à 200 μιτι. Le lait passant à 200 μιτι est ensuite dilué avec de l'eau afin d'ajuster l'extrait sec du lait de dolomie au moins partiellement hydratée à la valeur souhaitée et afin d'obtenir un volume total de 80 dm3 de lait de dolomie. Ces 80 dm3 de lait dilué sont alors introduits dans le réacteur de carbonatation de 100 dm3. La température du lait est ensuite amenée à la température souhaitée pour la carbonatation en faisant circuler un liquide de température contrôlée dans la double enveloppe du réacteur de 100 dm3. Cette température est maintenue constante pendant toute la durée de la carbonatation à ± 2 °C. Lorsque la température du lait de dolomie est stabilisée, l'injection de la phase gazeuse (air + CO2) commence. Au préalable, les régulateurs de débit de CO2 et d'air ont été réglés afin de pouvoir se placer dans les conditions souhaitées de débit de CO2 par rapport à la masse de dolomie au moins partiellement hydratée à carbonater et de proportion volumique de CO2 dans la phase gazeuse. Pendant la carbonatation, le pH de la suspension ainsi que sa conductivité électrique sont enregistrés. On peut observer une diminution par étape du pH jusqu'à une valeur inférieure à 9 avec, en paralèlle, successivement une diminution de la conductivité éléctrique, une phase de stabilisation telle que définie plus haut et finalement une augmentation de la conductivité électrique de la suspension. La carbonatation est arrêtée lorsque la conductivité électrique commence à augmenter à la fin de la phase de stabilisation.
A la fin de la réaction de carbonatation, la suspension est récupérée et, dans un premier temps, la taille des particules en suspension est mesurée par granulométrie laser en plaçant quelques gouttes de la suspension dans du méthanol (d-i0, dso; dgo dans le tableau ci-dessous). Puis, une partie de la suspension est filtrée sur buchner, séchée en étuve à 70 °C pendant 2 à 3 jours avant d'être finalement broyée à une taille inférieure à 2 mm (100 % de passant dans une maille de tamis de 2 mm). Sur ce produit broyé, sont mesurées la masse volumique en vrac d'après la méthode décrite dans EN459-2, la conductivité thermique, la surface spécifique BET et la proportion d'hydromagnésite d'après les résultats de thermogravimétrie (rampe de température depuis la température ambiante jusqu'à 950 °C, à raison de 5 °C/min sous azote). Quelques résultats correspondant aux conditions opératoires extrêmes de ce plan d'expériences sont indiqués dans le tableau ci-dessous.
Puis, deux autres essais de carbonatation ont été réalisés dans des conditions tout à fait comparables mais en ajustant les conditions de carbonatation aux conditions optimales déterminées lors du plan d'expériences. Les conditions opératoires et les résultats de ces deux essais sont repris dans les deux dernières lignes du tableau ci- dessous et montrent que les conditions déterminées d'après le plan d'expériences sont bien les meilleures puisqu'elles ont permis la synthèse de produits de plus faible masse volumique en vrac et de plus faible conductivité thermique.
De manière générale, sur la base notamment des résultats présentés dans ce tableau, on observe une relation entre la taille des particules en suspension mesurée par granulométrie laser et la conductivité thermique mesurée sur la poudre issue de ladite suspension. Globalement, la conductivité thermique a tendance à être d'autant plus faible que les particules en suspension sont grossières.
Conditions opératoires Résultats
Concentration Extrait sec de
Masse
de C02 dans la Débit de C02 la suspension Surface Conductivité
Température % volumique d10 d50 d90
phase (dm3/min/kg avant spécifique thermique
(Ό) Hydromagnésite en vrac (μπη) (μπη) (μπη)
gazeuse dolomie) carbonatation (m2/g) (mW/K/m)
(kg/m3)
(% vol.) (% mass.)
Les extrêmes du plan d'expériences
13,9 6,5 10 65 45,4 180,4 26,1 2,9 7,3 12,3 39,1
46,1 6,5 10 65 46,1 1 12,3 25,5 4,4 12,1 21 ,8 35,6
40 3,8 13 60 35,6 135,3 25,6 4,0 9,6 17,0 36,6
30 12,9 5,2 65 42,7 193,4 20,4 3,9 1 1 ,8 21 ,4 38,6
30 4,3 14,8 65 40,6 159,8 28,2 3,2 7,2 1 1 ,9 38,9
30 6,5 10 57 46,9 126,6 26,8 4,1 10,3 19,6 35,7
30 6,5 10 73 43,7 121 ,7 24,1 4,5 1 1 ,2 20,5 36,0
Nouvelles synthèses selon conditions optimisées par le plan d'expériences
40 5,9 8,1 55 45,6 117,6 22,4 6,3 25,5 88,2 34,8
20 6,9 7,8 60 43,5 97,0 23,5 7,0 26,9 60,2 33,5
Il doit être entendu que l'invention n'est en aucune façon limitée à ces exemples et que bien des modifications peuvent y être apportées dans le cadre des revendications annexées.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Composition minérale à base d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnésium de synthèse, formée d'une partie calcique cristallisée et d'une partie magnésienne cristallisée sous forme de plaquettes, les cristaux de la partie calcique et ceux de la partie magnésienne étant agrégés sous forme d'agrégats composites, ces agrégats étant eux-mêmes au moins partiellement agglomérés sous forme d'agglomérats, ladite partie calcique comprenant au moins un carbonate choisi parmi le groupe constitué de la calcite, de l'aragonite et de leurs mélanges, ladite partie magnésienne comprenant de l'hydromagnésite sous forme plaquettaire, ladite phase solide mixte de carbonates de ladite composition minérale présentant une masse volumique en vrac inférieure ou égale à 250 kg/m3, et supérieure ou égale à 80 kg/m3, mesurée selon la norme EN 459.2.
2. Composition minérale selon la revendication 1 , dans laquelle la partie magnésienne comprend en outre un ou plusieurs autres composés magnésiens choisis dans le groupe constitué du périclase, de l'oxyhydroxyde de magnésium et de la brucite.
3. Composition minérale selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle la partie calcique comprend en outre de l'hydroxyde de calcium, par exemple sous forme de portlandite.
4. Composition minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la phase solide mixte de ladite composition minérale présente une surface spécifique mesurée par manométrie d'adsorption d'azote et calculée selon la méthode BET supérieure ou égale à 15 m2/g.
5. Composition minérale selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une phase aqueuse, ladite composition minérale étant sous forme de suspension ou de pâte.
6. Composition minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle ladite composition minérale est sous forme solide, en particulier pulvérulente, et présente un taux d'humidité compris entre 0 et 4 % en poids d'eau par rapport au poids total de la composition.
7. Composition minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle ladite hydromagnésite est représentée par la formule Mg5(C03)4(OH)2.4H20 et est présente à une teneur comprise entre 10 et 60% en poids par rapport au poids de ladite phase solide mixte.
8. Composition minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la partie calcique est présente en une quantité allant de 35 à 75 % en poids par rapport au poids total de la phase solide mixte et dans laquelle la partie magnésienne est présente en une quantité allant de 25 à 65 % en poids par rapport au poids total de la phase solide mixte.
9. Composition minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la phase solide mixte présente un rapport molaire Ca/Mg compris entre 0,4 et 1 ,2.
10. Composition minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et 7 à 9, dans laquelle la phase solide mixte est présente en une proportion comprise dans la plage allant de 5 à 65 % en poids par rapport au poids total de la composition et dans laquelle un milieu liquide est présent en une proportion comprise dans la plage allant de 35 à 95 % en poids par rapport au poids total de la composition minérale.
1 1 . Composition minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle la masse volumique en vrac de la phase solide mixte est inférieure ou égale à 200 kg/m3 ou supérieure ou égale à 100 kg/m3.
12. Composition minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 , dans laquelle la conductivité thermique de la phase solide mixte est comprise entre 25 et 45 mW/K/m,
13. Composition minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle ladite phase solide mixte est composée d'agglomérats broyés en particules de taille inférieure ou égale à 2 mm.
14. Composition minérale suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que les agrégats de la phase solide mixte sont constitués d'un cœur calcique sur lequel sont agrégées des plaquettes d'hydromagnésite.
15. Procédé de fabrication d'une composition minérale à base d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnésium, comprenant
- i) une préparation de dolomie au moins partiellement hydratée par calcination d'une dolomie crue puis hydratation au moins partielle de la dolomie ainsi calcinée,
- ii) une mise en suspension dans une phase aqueuse de ladite dolomie au moins partiellement hydratée, cette suspension présentant une proportion comprise entre 5 et 15 % en poids de matière solide par rapport au poids total de la suspension,
- iii) une carbonatation de ladite dolomie en suspension par injection d'un gaz contenant du C02 dans ladite suspension chauffée à une température de 55 à 90 °C à un débit de C02 de 2,5 à 15 dm3/min/kg de ladite matière solide de la suspension, avec une diminution par étapes du pH de la suspension jusqu'à une valeur inférieure à 9 et avec, en parallèle, successivement une diminution de la conductivité électrique de la suspension, puis une stabilisation de celle-ci et finalement une augmentation de la conductivité électrique stabilisée, la carbonatation étant stoppée dès que cette augmentation de conductivité électrique est observée,
- iv) une obtention d'une phase solide mixte de carbonates de calcium et de magnésium de synthèse formée d'une partie calcique cristallisée et d'une partie magnésienne cristallisée sous forme de plaquettes, les cristaux de la partie calcique et ceux de la partie magnésienne étant agrégés sous forme d'agrégats composites, ces agrégats étant eux-mêmes au moins partiellement agglomérés sous la forme d'agglomérats, ladite partie calcique comprenant au moins un carbonate choisi parmi le groupe constitué de la calcite, de l'aragonite et de leurs mélanges, ladite partie magnésienne comprenant de l'hydromagnésite sous forme plaquettaire, ladite phase solide mixte de carbonates de ladite composition minérale présentant une masse volumique en vrac inférieure ou égale à 250 kg/m3, et supérieure ou égale à 80 kg/m3, mesurée selon la norme EN 459.2.
16. Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce que la dolomie crue se trouve, avant calcination, dans un produit minéral dolomitique en association avec une ou des substances calciques, une ou des substances magnésiennes ou un mélange de ces substances en formant un rapport molaire Ca/Mg compris entre 0,8 et 1 ,2 dans le produit minéral dolomitique et en ce que la matière solide de la suspension obtenue après les étapes de calcination, hydratation et mise en suspension contient, outre des particules de dolomie au moins partiellement hydratée, des particules apparentées à celles-ci, issues des substances associées dans le produit minéral dolomitique.
17. Procédé suivant l'une des revendication 15 et 16, caractérisé en ce que la calcination de la dolomie crue est partielle et en ce que la matière solide de la suspension contient une fraction de CaC03.
18. Procédé selon l'une des revendications 15 à 17, comprenant en outre une étape d'addition de MgO et/ou de Mg(OH)2 à ladite dolomie au moins partiellement hydratée en suspension ou non, de manière à obtenir une phase solide mixte présentant un rapport molaire Ca/Mg compris entre 0,4 et 1 ,2.
19. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 15 à 18, caractérisé en ce que l'hydratation de la dolomie calcinée et la mise en suspension dans une phase aqueuse de la dolomie hydratée sont effectuées en une seule étape par extinction de la dolomie calcinée avec un excès d'eau.
20. Procédé selon l'une des revendications 15 à 19, comprenant en outre, dans ladite suspension carbonatée, une étape de séparation solide-liquide entre ladite phase solide mixte carbonatée et ladite phase aqueuse.
21 . Procédé selon la revendication 20, dans lequel ladite phase solide mixte est ensuite séchée.
22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 21 , dans lequel ladite phase solide mixte est broyée pour obtenir des particules de taille inférieure ou égale à 2 mm.
23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 22, dans lequel ladite température de carbonatation est comprise entre 60 et 80 °C.
24. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 15 à 23, caractérisé en ce que le gaz injecté dans ladite suspension contient du C02 à une concentration de 10 à 100 % en volume.
25. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 24, comprenant en outre un tamisage à une taille de particules égale ou inférieure à 250 μιτι ou un broyage à une taille de particules inférieure ou égale à 90 μιτι de ladite matière solide de la suspension destinée à la carbonatation..
26. Utilisation d'une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, ou d'une composition obtenue selon le procédé suivant l'une quelconque des revendications 15 à 21 , dans des matériaux de construction.
27. Utilisation d'une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, ou d'une composition obtenue selon le procédé suivant l'une quelconque des revendications 15 à 21 , comme constituant de matériaux d'isolation thermique, en particulier dans des panneaux d'isolation thermique.
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