КРИСТАЛЛОГИДРАТЫ ПОЛИСИЛИКАТА НАТРИЯ И СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК C08G77/02 C01B33/14 C30B7/04 

Изобретение относится к кристаллогидрату полисиликата натрия и способу его получения, который может быть использован в качестве гелеобразующего компонента, как например, в нефтедобывающей промышленности при гидроизоляции скважин, при создании высококачественных минеральных уплотнительных слоев из связанных грунтов, при изготовлении теплоизоляционных материалов.

Известен растворимый в воде кристаллогидрат силиката натрия формулы Na₂O•SiO₂•9H₂O, используемый в различных отраслях промышленности [1].

Недостатком известного кристаллогидрата силиката натрия является то, что его использование не позволяет получить материалы с высокими физико-механическими свойствами.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности являются кристаллогидраты полисиликата натрия формулы Na₂O•XSiO₂•YH₂O, где X = 12,5; 19,5 Y = 22,5; 23,0.

Известные кристаллогидраты полисиликата натрия получают путем введения в гидрогель кремниевой кислоты с влажностью 60-65% раствора щелочи (NaOH) до молярного соотношения Na₂O:SiO₂:H₂O в пределах 1:(4-5):(30-60), после чего помещают данную смесь в герметичный сосуд из молибденового стекла и выдерживают в термостате при 85±1^oC с периодическим встряхиванием в течение 1-1,5 месяца [2].

Недостатками известных кристаллогидратов является то, что они не растворимы в воде и не могут быть использованы в качестве гелеобразующего компонента. Способ их получения продолжителен и трудоемок.

Задачей изобретения является получение водорастворимых кристаллогидратов в качестве гелеобразующего компонента с широким температурным диапазоном использования.

Техническая задача решается новым химическим соединением, представляющим собой кристаллогидраты полисиликата натрия формулы Na₂O•(4-6)SiO₂•(8-10)H₂O, являющимся гелеобразующим компонентом, а также способом его получения.

Кристаллогидраты полисиликата натрия указанной формулы получают путем введения при перемешивании в 20-30 мас.% водный раствор силиката натрия 10-16 мас.% гидрозоля диоксида кремния при 70 - 100^oC, которые берут в соотношении 1:(1-1,5) соответственно, затем выдерживают при данной температуре не более 0,5 ч и удаляют влагу до содержания 29,4-32,9 мас.%, что позволяет выделить кристаллогидраты полисиликата, способные растворятся в воде.

Полученные кристаллогидраты полисиликата натрия усредненной формулы Na₂O•(4-6)SiO₂•(8-10)H₂O имеют следующие характеристики:
Температура плавления - 70-80^oC
элементный состав, мас.%
Кремний (Si) - 21,3 - 32,06
Натрий (Na) - 8,7
Вода кристаллизационная - 19,08 - 28,8
Вода связанная - 6,36 - 7,2
Вещества, используемые для получения кристаллогидратов полисиликата натрия: гидрозоль диоксида кремния - коллоидный раствор двуокиси кремния с плотностью 1114-1118 кг/м³; силикат натрия (жидкое стекло) с плотностью 1380-1450 кг/м³ по ГОСТ 13078-81.

Растворимость кристаллогидратов полисиликата натрия позволяет использовать данные вещества в качестве гелеобразующего компонента.

Данное изобретение иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.

Пример 1. Берут 20 мас.% водный раствор силиката натрия плотностью 1250 кг/м³ и 16 мас.% гидрозоль диоксида кремния плотностью 1100 кг/м³. Вводят в водный раствор силиката натрия гидрозоль диоксида кремния и соотношении 1: 1,5 при непрерывном перемешивании при 95^oC и с выдержкой при этой температуре 0,5 ч.

Из полученного раствора полисиликата натрия с силикатным модулем 6,5 удаляют влагу до содержания 30,0 мас.%. Полученный продукт представляет собой кристаллогидрат полисиликата натрия формулы Na₂O•6Si₂O•10H₂O.

Примеры 2 и 3 осуществляют аналогично примеру 1, соотношения компонентов, режимные условия и полученные кристаллогидраты приведены в табл. 1 и 2.

Полученные кристаллогидраты полисиликата натрия характеризуются силикатным модулем - отношением числа моль двуокиси кремния к числу моль окиси натрия. Силикатный модуль (СМ) и концентрацию двуокиси кремния в полисиликатах определяют по методике, приведенной в монографии (Айлер Р. Химия кремнезема - М.: Мир, 1982, ч. 1, с. 265).

Элементный состав полученных кристаллогидратов полисиликата натрия определяют с помощью физико-химических методов анализа:
- массовую концентрацию ионов натрия Na⁺ определяют титрованием водных растворов кристаллогидратов;
- содержание влаги (кристаллизационной и связанной) определяют методом ДТА на приборе Паулик, Паулик и Эрдели марки Q-1500;
- массовую концентрацию кремния Si определяют весовым методом путем превращения оксида кремния в летучий тетрафторид кремния взаимодействием с плавиковой кислотой.

Как видно из примеров конкретного выполнения и данных по элементному составу, кристаллогидраты полисиликата натрия имеют структурную формулу Na₂O•(4-6)SiO₂•(8-10)(H₂D>O).

Полученные кристаллогидраты полисиликата натрия сохраняют свою структуру и свойства в диапазоне температур от минус 15^oC до плюс 70^oC.

Использование кристаллогидратов полисиликата натрия позволяет получить материалы с высокими физико-механическими свойствами.

Полученные кристаллогидраты полисиликата натрия можно использовать в качестве гелеобразующего компонента при проведении гидроизоляционных работ в нефтяных скважинах для ограничения водопритоков.

Определение водоизолирующих свойств водных растворов кристаллогидратов полисиликата в качестве гидроизолирующего материала при водоизоляционных работах в нефтяных скважинах проводят следующим образом.

Исследования проводят при температуре 20^oC. Водопроницаемость измеряют на стандартной установке определения проницаемостей искусственных и естественных кернов по общепринятой методике, основными характеристиками закупоривающих свойств состава принимают гидроизолирующий эффект (изменение проницаемости пористой среды для воды) W и остаточный фактор сопротивления S
W = ((K₁-K₂)/(K₁)•100%,
S = K₁/K₂,
где K₁ и K₂ - водопроницаемость модели соответственно до закачки исследуемого состава и после образования гидроизолирующего экрана,
а также величина градиента давления на начало фильтрации воды ΔP/ΔL (ΔP/ΔL - перепад давления на модели, L - длина модели). В качестве образцов используют линейную модель пласта длиной 1,0 м и диаметром 0,03 м. В качестве пористой среды используют смесь различных фракций кварцевого песка.

Пример по использованию 1. Модель пласта заполняют пластовой водой с плотностью 1180 кг/м³, определяют исходную проницаемость модели. Готовят раствор кристаллогидрата полисиликата с силикатным модулем равным 5,0 и концентрацией 1 мас.% (по SiO₂), затем закачивают последовательно потоки пресной воды в качестве буферной жидкости и водный раствор полисиликата натрия. Модель пласта выдерживают в течение 48 ч и определяют проницаемость модели после образования гидроизолирующего экрана. Рассчитывают изменение проницаемости пористой среды для воды W и остаточный фактор сопротивления S.

Пример по использованию 5 аналогичен примеру 4, при концентрации полисиликата натрия 2,0 мас.%.

Пример по использованию 6 аналогичен примеру 4, при концентрации полисиликата натрия 5,0 мас.%.

Пример по использованию 7 аналогичен примеру 4, при концентрации полисиликата натрия 10,0 мас.%.

Пример 8 (по объекту для сравнения). Модель пласта заполняют пластовой водой с плотностью 1180 кг/м³, определяют исходную проницаемость модели, затем последовательно закачивают потоки 45,5 мас.% жидкого стекла, 18 мас.% водного раствора гипана, воды, 22,4 мас.% раствора кислоты. После смешения потоков в пористой среде, в модель пласта дополнительно закачивают водный раствор кислоты с концентрацией, равной концентрации второго потока в количестве 25% от общего объема закачиваемого состава. После смешения потоков и закачки состава, содержащего, мас.%:
Гипан - 1,0
Жидкое стекло - 2,0
Кислота - 4,0
Вода - 93,0
модели пласта выдерживают в течение 48 ч и определяют проницаемость модели после образования гидроизолирующего экрана. Рассчитывают изменение проницаемости пористой среды для воды W и остаточный фактор сопротивления S.

Или объектом для сравнения является состав, мас.%:
Гипан - 1,0
Жидкое стекло - 2,0
Кислота соляная - 4,0
Вода - 93,0
Патент РФ N 1774689, кл. E 21 B 33/138, 1991.

Данные сведены в табл. 3, где номер примера означает примеры по использованию.

Как видно из примеров конкретного выполнения, использование предлагаемого способа увеличивает гидроизолирующий эффект (изменение проницаемости пористой среды для воды W) на 12 - 15%, исходя из средней величины по заявляемому объекту и объекту для сравнения, а остаточный фактор сопротивления S возрастает в 2-100 раз, кроме того способ прост за счет уменьшения числа закачиваемых потоков.

Полученные кристаллогидраты полисиликата натрия можно использовать в качестве гелеобразующего компонента при изготовлении теплоизоляционного материала, что позволяет снизить плотность, повысить водостойкость и прочность теплоизоляционного материала.

Теплоизоляционные материалы с использованием кристаллогидрата полисиликата натрия получают следующим образом.

Пример по использованию 6. Для изготовления теплоизоляционного материала берут следующее соотношение компонентов, мас.ч.:
Кристаллогидрат полисиликата натрия с содержанием двуокиси кремния 30-50 мас.% - 100
Диатомит - 5,0
Состав для изготовления теплоизоляционного материала получают путем перемешивания компонентов до однородной массы. Полученную однородную массу помещают в форму, коэффициент заполнения форм составляет 0,3 - 0,35 объема.

Заполненные формы подвергают термообработке в СВЧ-печи при частоте 2450 МГц и удельной мощности излучения 40 кВт/л в течение 20 мин.

Испытание полученных образцов теплоизоляционного материала осуществляют через 48 ч после термообработки.

Плотность теплоизоляционного материала определяют как отношение массы материала к его естественному объему, включая объем пор (Тепловая изоляция: Справочник по специальным работам. - М.: Стройиздат, 1973, с. 75).

Предел прочности при сжатии и водопоглощении за 24 ч определяют по ГОСТ 17177-87 "Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы контроля.".

Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии при температуре 20±5^oC по ГОСТ 7076-87 "Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности.

Группа горючести по ГОСТ 12.1.044-89 ССБТ "Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения".

Примеры 7-12 осуществляют аналогично примеру 6 при соотношении компонентов, представленных в табл. 4. Физико-механические свойства теплоизоляционного материала на его основе в табл. 5.

Объектом для сравнения служил состав Японский патент N 53-39890, МПК C 04 B 21/00, (кл. 22 E 42), опубл. 24.10.78.

Теплоизоляционные материалы с использованием кристаллогидрата полисиликата натрия обеспечивает получение материала с равномерной пористостью. Низкая получаемая плотность теплоизоляционных материалов гарантирует высокие теплоизолирующие свойства. Добавка гидроокиси алюминия позволяет повысить прочность теплоизоляционного материала.

Таким образом, как видно из примеров по использованию, теплоизоляционный материал на основе заявляемого состава имеет меньшую плотность, до 125 - 300 кг/м³, повышенную водостойкость и прочность до 3,5 - 3,9 МПа по сравнению с объектом для сравнения.

Источники информации:
1. Корнеев В.И., Данилов В.В. Растворимое и жидкое стекло. - С. - Пб.: Стройиздат, 1996, с. 23.

2. Ильин В.Г. и др.// ДАН СССР, 1973, т. 209, с. 1102.

Изобретение относится к кристаллогидрату полисиликата натрия и способу его получения, который может быть использован в качестве гелеобразующего компонента, например, при изготовлении теплоизоляционных материалов, при создании высококачественных минеральных уплотнительных слоев из связанных грунтов, в нефтедобывающей промышленности при гидроизоляции. Задачей изобретения является получение водорастворимых кристаллогидратов с широким температурным диапазонам использования в качестве гелеобразующего компонента. Техническая задача решается новым химическим соединением, представляющим собой кристаллогидраты полисиликата натрия формулы Na₂O•(4-6)SiO₂•(8-10)H₂O в качестве гелеобразующего компонента, а также способом его получения. Кристаллогидраты полисиликата натрия указанной формулы получают путем введения при перемешивании в 20-30 мас.% водный раствор силиката натрия 10-16 мас.% гидрозоля диоксида кремния при 70 - 100^oC, который берут в соотношении 1: (1: 1,5) соответственно, выдерживают при данной температуре не более 0,5 ч, а затем удаляют влагу до содержания 25,4-35,9 мас.%. Изобретение позволяет получить водорастворимые кристаллогидраты с широким диапазонам использования в качестве гелеобразующего компонента и материалы с высокими физико-механическими свойствами. 2 с.п.ф-лы, 5 табл.

1. Кристаллогидраты полисиликата натрия, отличающиеся тем, что они имеют формулу
NA₂O•(4-6)SiO₂•(8 - 10)H₂O. 2. Способ получения кристаллогидратов полисиликата натрия по п. 1, отличающийся тем, что в водный раствор силиката натрия 20 - 30 мас.% вводят при перемешивании 10 - 16 мас.% гидрозоля диоксида кремния при 70 - 100^oС, которые берут в соотношении 1 : (1 - 1,5) соответственно, выдерживают при данной температуре не более 0,5 ч и затем удаляют влагу.