Bentonite: Applications avec du charbon comme bentonite-argile dans les applications de fonderie, et d’autres

Loin d’être utilisé uniquement pour fabriquer des briques, la bentonite est une forme d’argile qui a trouvé de nombreuses utilisations au cours de ses milliers d’années d’utilisation - mais peut-être plus particulièrement dans les réfractaires à partir des années 1900, aux côtés du charbon en poudre parmi une multitude d’autres applications. Le plus commun d’entre eux est la nécessité de la meilleure qualité d’argile bentonite et de charbon anthracite - tels que ceux disponibles à partir de pegmatite africaine.

Introduction

Les bentonites sont des argiles phyllosilicates en aluminium qui sont composées principalement de montmorillonite. Montmorillonite elle-même est un type de smectite dioctaèdre - dont la structure cristalline est une couche portant la géométrie octaèdre prise en sandwich entre deux couches de géométrie tétraèdre. Les types de bentonite sont délimités par le nom du métal le plus répandu en eux, par exemple la bentonite de sodium (Na-bentonite) et la bentonite de calcium (Ca-bentonite). La na-bentonite est l’une des plus courantes, et est prisée pour sa capacité à gonfler, la tolérance des températures élevées et est considéré comme généralement un meilleur liant(1). La na-bentonite provient de cendres volcaniques qui ont été déposées dans les milieux marins il y a longtemps. La ca-bentonite, quant à elle, n’est pas connue pour ses propriétés de gonflement et elle-même dérivée des cendres volcaniques déposées dans les milieux d’eau douce(2). En ce qui concerne l’eau, l’eau structurelle est éliminée des bentonites par chauffage de l’ordre de 400 à 500°C, et la structure cristalline est complètement changée au-delà de 900°C. Par rapport à la kaolin chimiquement similaire, la bentonite est considérée comme beaucoup plus facilement moulée et sinterée.

Les bentonites ont une grande variété d’utilisations des cosmétiques aux détergents, et desdiccants aux engrais. Ici, nous nous concentrerons principalement sur l’utilisation de la bentonite dans
les applications de fonderie,
surtout quand elle a été mélangée avec du charbon. Typiquement avec des argiles de bentonite, le charbon de choix est anthracite. Lui-même un matériau largement utilisé, en dehors des carburants qu’il a trouvé l’utilisation dans les fonderies et autres environnements à haute température.

Les mélanges bentonite-charbon sont peu coûteux, ce qui, en plus de leur large utilisation détaillée ci-dessous, ajoute à leur attrait dans les milieux industriels.

Utilisation de la bentonite dans les environnements de fonderie avec du charbon

Moulages de sable vert et sec

L’utilisation la plus vaste et la plus courante pour les mélanges d’anthracite bentonite se trouve dans le secteur de la coulée de fonderie. Il est indiqué qu’environ 70 % des coulées ferreuses sont faites de sable de moulage vert(3). Dans les coulées de sable vert, le sable est maintenu ensemble avec la bentonite / argile et l’eau comme liants; on dit qu’il est « er » que les moules sont en grande partie réutilisables et recyclables. Ce sable de moulage vert contient dans la région de à 10% par masse d’argile de bentonite, jusqu’à deux pour cent de carbone (c.-à-charbon), jusqu’à 5% d’eau avec le reste étant le sable. On dit que la montmorillonite est essentielle dans le processus de production de moulage, en particulier avec déférence pour la régénération des moisissures(4).

Une étude portant sur la flowability du sable vert pour les applications de moulage a révélé que la bentonite est essentielle pour permettre un bon débit de sable (et donc un meilleur moule de coulée) et que le rapport idéal de la bentonite au matériau carboné est de 3:1(5) et une teneur en eau d’au plus 3%. D’autres études ont trouvé des charges optimales de bentonite de 5% par masse; donnant une force de compression de 53 kN/m² tout en restant facile à manipuler(6).

La résistance chaude et sèche est des exigences clés pour la coulée de sable vert, et donc la bentonite de sodium est l’itération préférée de l’argile(7). Dans le processus de coulée, seules de très petites quantités de montmorillonite se décomposent, et la bentonite contenant plus de 70% de montmorillonite par masse est préférée pour les applications de moulage. Les matériaux carbonés tels que le charbon sont utilisés dans la coulée des sables moulés comme additifs, et sont la plupart du temps brûlés. La raison de l’utilisation du matériau carbonacé (charbon) est d’assurer une meilleure finition de surface sur le métal en empêchant le mélange de métal fondu avec le sable dans un processus appelé mouillage. Typiquement pour le sable vert, le charbon est sous forme de poussière et provient de l’anthracite - l’une des formes de charbon avec une plus grande teneur en carbone et en soufre.

Dans
les réfractaires castables, où le charbon de bentonite a été utilisé, les
propriétés d’expansion thermique ont été vus pour être améliorées. La résistance au choc thermique a également été augmentée(8) dans un réfractaire calciné.

En ce qui concerne les coulées de sable sec, les principes sont en grande partie les mêmes, sauf que la recyclabilité n’est pas prioritaire. La bentonite de calcium peut être employée dans des applications de coulée de sable, mais elles sont plus sensibles à l’érosion et sont plus enclines au scabbing et à d’autres défauts provoqués par l’expansion(9). Dans l’ensemble, on peut dire que l’ajout de bentonite aux moules de coulée de sable vert et sec augmente sa maniabilité et sa résistance compressive, tout en conservant une tolérance à la chaleur élevée. On estime que le moulage industriel utilise plus de 25 % de l’offre mondiale de bentonite chaque année(10). La résistance compressive humide (c.-à-d. pré-durcissement ou repos du moule) est plus élevée avec des quantités accrues de bentonite et de charbon(11) - qui est une propriété utile si tout type d’extrusion ou de processus de compactage mécanique est utilisé dans la formation de moules.

Le sable et l’argile bentonite peuvent être récupérés à partir de procédés de fonderie(12). À l’aide d’un procédé d’oxydation avancé, la remise en état et le recyclage de la bentonite usagée sont améliorés(13). Le processus prend la bentonite usée et le sable du processus de coulée, le traite oxydativement et en utilisant cette méthodologie supprime la bentonite détruite thermiquement dans le canal de déchets. Par rapport à un système traditionnel, ce traitement avancé d’oxydation n’envoie que 3% de bentonite (en poids) à la perte, contre 30-50%. Un tel processus est avantageux car il réduit la quantité de bentonite fraîche nécessaire pour « ade u » lors de la formation d’un nouveau moule de coulée.

Autres utilisations de Bentonite-Charbon

Dans la littérature sur les brevets, la bentonite aux côtés de la poussière de charbon a été utilisée pour réparer les revêtements des hauts fourneaux(14) et les parties endommagées des coureurs par des fours ou des coupoles(15). Les deux méthodes, en substance, utilisent le charbon de bentonite avec d’autres matériaux tels que le graphite et le chlorure de calcium pour produire un mastic qui est appliqué à la rupture, et guérit rapidement in situ. Ces réparations sont conçues pour être à petite échelle.

Utilisation de la bentonite dans des environnements réfractaires sans charbon

La pelletisation du minerai de fer est l’une des principales utilisations des argiles de bentonite dans les réfractaires sans charbon. La bentonite est utilisée comme flux, ce qui rend le tir moins énergivore, et permet l’oxydation de la magnétite à l’hématite devant le haut fourneau(16). La pelletisation permet un processus de fusion plus efficace grâce à un plus grand rapport surface/volume, et se déroule dans un four à tunnel, conduisant à des granulés en forme de boule. Il a été signalé que la proportion d’additifs (c.-à-d. la bentonite et l’anthracite) a un impact profond sur le processus global de formation des granulés, informant des propriétés telles que la force compressive froide et la porosité entre autres(17).

Dans la production de briques d’argile de feu, juste un 1,5% par l’addition de poids de la bentonite aux matériaux habituels a augmenté la force compressive de manière significative - on pense que la bentonite augmente la coagulation du mélange. L’augmentation de la porosité et de la surface intérieure permet d’améliorer les performances réfractaires(18).

bentonite utilisé pour faire ces briques

En outre, dans la production de briques réfractaire à base principalement de kaolin, il a été démontré que l’ajout de bentonite dans des proportions de 2 % augmente à la fois la force et la densité des briques produites - tout en réduisant les coûts(19). Dès les années 1970, l’URSS expérimentait le remplacement partiel de l’argile et du sable conventionnels dans du kaolin contenant des briques pour des applications décoratives et de haute performance. Les auteurs ont indiqué que la densité et la force des briques produites étaient de l’ordre de 19 %, tout en réduisant le coût global des centaines de milliers de roubles, une valeur importante à l’époque. Les mêmes principes continuent d’être appliqués aujourd’hui.

Autres utilisations de la bentonite et du charbon

Les mélanges bentonite-anthracite (où l’anthracite est un type supérieur de charbon) sont utilisés depuis longtemps pour la séparation de l’huile et l’élimination des liquides. Un concept clé qui fait de la bentonite un matériau viable pour cette région est qu’elle est une excellente sorbente en soi(20). La nature sorbente s’appuie sur le remplacement de la contre-ion Na ou Ca par l’azote sur une amine quaternaire. Cela améliore l’organophillicité (voir plus tard). On dit que la bentonite est modérément sélective pour les matières organiques, y compris le benzène, le pétrole brut et les produits pétroliers. Comme l’anthracite a une densité similaire à celle de l’argile bentonite, ils se mélangent bien, l’anthracite empêchant toute absorption avancée dans l’argile bentonite déjà gonflée. L’absorption liquide du système diminue toutefois considérablement à des températures élevées(21).

Une étude a utilisé un mélange de 30% en argile de bentonite de poids et 70% de poussière de charbon pour enlever l’huile des huiles synthétiques et des émulsions d’huile/eau avec des gains d’efficacité allant jusqu’à 98%. De telles propriétés sont dues au profil de porosité de la bentonite, et au fait qu’elle est organophile(22). L’anthracite a une densité en vrac similaire à l’argile bentonite et ralentit l’absorption prématurée des huiles dans l’argile enflée. Une telle absorption n’est efficace qu’à basse température - la capacité d’absorber les liquides diminue rapidement après le chauffage, même après un modeste 100 °C(23). Cela a des applications potentielles dans les déversements de pétrole et le nettoyage industriel général.

Le fait que les mélanges d’anthracite bentonite soient très organophiles explique leur grande efficacité et leur efficacité dans la séparation de l’huile et le nettoyage de l’espace. La facilité d’utilisation entre également en jeu avec les tailles de particules à l’échelle macro de 0,85 à 2,36 mm pré-gonflées, ce qui signifie qu’une fois gonflée et pleine de contaminants, la filtration d’exclusion de taille simple est plus que suffisante pour tout enlever(24).

À grande échelle, les mélanges de bentonite et de charbon sont utilisés comme doublures d’enfouissement et toppers. À la suite du comportement absorbant susmentionné des mélanges bentonite-anthracite, dans une décharge, il est prisé pour sa capacité à absorber les matières nocives qui s’inséchent hors de la pile de déchets, comme les métaux lourds(25), y compris le cadmium, le plomb et le nickel. Dans cette étude, la bentonite a été utilisée dans un rapport de 2:1 au charbon, et tout à fait utilisé à côté du sable. La résistance globale du matériau global à la pression est cruciale dans de telles applications, et il a été constaté que le sable-bentonite-charbon présente une bonne résistance compressive et une forte densité lorsque les trois composants sont utilisés ensemble(26). Dans d’autres études semblables, il a été démontré que la bentonite et le charbon sont de bons sorbents pour une variété de contaminants liquides provenant des flux de déchets et des sites d’enfouissement - mais les auteurs ont noté qu’il n’y a pas d’effet du matériau de type carbone à lui seul, mais qu’il exige plutôt que la bentonite soit présente pour absorber efficacement les contaminants(27). Ce comportement a été adopté ailleurs avec des résultats efficaces contre la lixiviation du plomb montrant l’efficacité du système houiller bentonite(28).

En ce qui concerne le nettoyage industriel et minier, les mélanges bentonite-anthracite trouvent des utilisations étendues, en particulier dans le domaine du drainage des mines acides - un problème courant auquel est confronté le secteur minier. Les eaux souterraines peuvent facilement être contaminées par divers résidus et ruissellements provenant d’exploitations minières et doivent être empêchées d’entrer dans les cours d’eau locaux. Il a été démontré que les eaux souterraines situées près des mines de charbon en Afrique subsaharienne atteignent des concentrations toxiques et nocives de 1 300 mg^L-1 de fer. Il a été démontré que la simple filtration de l’eau à l’aide d’argile bentonite, d’anthracite et de cendres volantes réduit considérablement les niveaux de fer dans l’eau(29).

Toutefois, les résidus miniers ne se limitent pas à un système relativement facile à traiter avec le fer. D’autres ions de métaux lourds - y compris les sulfures - sont des polluants connus et doivent également être éliminés. La recherche a montré que la filtration anthracite de bentonite est efficace pour éliminer plus de 80 % des espèces de fer (y compris les sulfures) dans une étude utilisant une colonne de filtre anthracite bentonite(30). Bien qu’elles n’aient pas été aussi performantes que les filtres à zéolite de qualité commerciale, les eaux usées industrielles ont été en grande partie dépourvues de contaminants lorsqu’une colonne de filtre combinée bentonite-anthracite portant une surface d’environ 1 m² g^-1 a été utilisée. Les auteurs ont noté une performance particulièrement bonne en termes d’enlèvements de toutes les matières organiques résiduelles, où il a surpassé la zéolite.

Pour de telles installations, l’ajout d’aussi peu que 10% d’argile bentonite par poids à un mélange de sable et de charbon est efficace pour améliorer les niveaux d’absorption du système argileux-sable-charbon. Il a été noté que l’anthracite présent limitait les capacités de gonflement du mélange - ce qui a été jugé bénéfique(31).

Dans la production de briquettes de charbon, il a été constaté que l’ajout de kaolin et surtout d’argiles bentonites a augmenté la température de fusibilité des cendres, rendant la gazéification plus efficace(32). Parfois négligée comme une argile qui se comporte traditionnellement, la bentonite peut être formée en briques et monolithes comme n’importe quel autre matériau de type argileux. Lorsqu’ils sont combinés avec des déchets de production de ferrochrome et une source de carbone (par exemple, poudre d’anthracite), des matériaux réfractaires en céramique peuvent être produits qui sont capables de résister à des températures d’environ 200 à 300 °C plus élevées que lorsque des argiles «normales» sont utilisées - c’est probablement dû à l’effet de la bentonite et des matériaux chromés résiduels des déchets ferrochromes(33).

Dans de nombreux cas, un ensemble combinant filtration bentonite-anthracite à côté d’une autre méthode (comme une zéolite ou un verre moulu) peut être le plus approprié.

Résumé

La bentonite est un type d’argile qui est prisé pour sa porosité, sa maniabilité et sa nature non toxique.
Dans les applications de fonderie, il est utilisé avec le charbon (bentonite-charbon) dans le sable / moulage de sable vert pour les coulées métalliques; où il améliore les propriétés réfractaires du moule tout en augmentant la force et la flowability
La bentonite et le charbon peuvent être utilisés ensemble pour la réparation de petits fours
Pour les applications réfractaires sans charbon, la bentonite est utilisée dans la pelletisation du minerai de fer et dans la production de briques d’argile de feu pour augmenter la résistance
D’autres applications avec le charbon incluent les processus de séparation du pétrole dans les déversements de pétrole et le nettoyage industriel; revêtements d’enfouissement et l’amélioration de la production de briquettes de charbon

La combinaison de la bentonite et du charbon (ou anthracite) est très efficace dans un éventail de contextes, de la coulée métallique au nettoyage industriel. African Pegmatite est l’un des principaux fournisseurs d’anthracite, d’argile bentonite et une foule d’autres minéraux adaptés et adaptés à une variété d’applications. Bénéficiant de l’expérience la plus large et la meilleure des technologies maison, Pegmatite africain est le partenaire industriel préféré.

Référence

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27 J. Sobti et S. K. Singh, Int. J. Geotech. Eng., 2019, 13, 411

28 Y.-G. Chen et coll., Adv. Civ. Eng., 2019, 1