СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОДИСПЕРСНОГО КРЕМНЕЗЕМА Российский патент 2011 года по МПК C01B33/18 B82B3/00 

Изобретение относится к области технологических процессов в области химической промышленности и может быть использовано для получения высокочистого нанодисперсного кремнезема с размером частиц от одного до нескольких сотен нанометров.

Известен способ изготовления высокодисперсного кремнезема типа «Аэросил», средний размер частиц в котором составляет 5-40 нм [Аэросил. Технические условия. ГОСТ 14922-77. НИК Издательство стандартов. Москва. 1977].

Недостатком способа является относительно низкие безопасность и экологичность способа, вызванные образованием при реализации способа побочного продукта - соляной кислоты и связанное с этим вредное воздействие паров соляной кислоты и других компонентов на окружающую среду.

Известен также способ, в котором микродисперсную двуокись кремния выделяют из выходящих из плавильной печи газов, в качестве которой используют плавильную печь для производства ферросилиция или кремния с использованием шихты, содержащей источник SiO₂ и твердый углеродсодержащий восстановитель, причем загружаемый в печь твердый углеродсодержащий восстановитель содержит летучие вещества в количестве менее 1,25 кг на 1 кг получаемой микродисперсной двуокиси кремния, а температуру в газовой атмосфере печи над шихтой поддерживают выше 500°С [RU 2097323, С1, С01В 33/18, С09В 33/025, С08С 33/04, 27.11.1997].

Недостатком способа является его сложность, обусловленная необходимостью использования плавильных печей для производства ферросилиция или кремния с использованием шихты.

Наиболее близким по своей сущности к предложенному является способ, включающий взаимодействие силиката с подкисляющим агентом для получения суспензии осажденной двуокиси кремния и последующее выделение и высушивание полученной суспензии, при этом взаимодействие силиката с подкисляющим агентом осуществляют путем подготовки раствора, включающего силикат и электролит (аккумуляторную кислоту), причем концентрация силиката в расчете на SiO₂ в растворе ниже 100 г/л, а концентрация электролита ниже 17 г/л, далее в вышеуказанный раствор вводят подкисляющий агент до достижения значения рН реакционной среды по меньшей мере около 7, затем к реакционной среде добавляют одновременно подкисляющий агент и силикат, высушивают суспензию с содержанием сухого вещества не более 24 мас.%, причем после добавления к реакционной среде одновременно подкисляющего агента и силиката дополнительно осуществляют одну из следующих стадий (а) или (б): (а) в реакционную среду вводят по меньшей мере одно соединение цинка, затем агент основного характера и, когда вышеуказанное разделение осуществляют путем операций, включающих фильтрацию и расслаивание осадка, полученного после фильтрации, вышеуказанное расслаивание предпочтительно осуществляют в присутствии, по меньшей мере, одного соединения алюминия; (б) в реакционную среду одновременно вводят силикат и по меньшей мере одно соединение цинка и, когда вышеуказанное разделение осуществляют путем операций, включающих фильтрацию и расслаивание осадка, полученного после фильтрации, расслаивание предпочтительно осуществляют в присутствии по меньшей мере одного соединения алюминия [RU 2130425, C1, C01B 33/193, С09С 1/30, С08К 3/36, 20.05.1999].

Недостатком этого технического решения также является относительно высокая сложность, обусловленная необходимостью осуществления, по крайней мере, одной из следующих стадий (а) или (б): (а) в реакционную среду вводят по меньшей мере одно соединение цинка, затем агент основного характера и, когда вышеуказанное разделение осуществляют путем операций, включающих фильтрацию и расслаивание осадка, полученного после фильтрации, вышеуказанное расслаивание предпочтительно осуществляют в присутствии, по меньшей мере, одного соединения алюминия; (б) в реакционную среду одновременно вводят силикат и по меньшей мере одно соединение цинка и, когда вышеуказанное разделение осуществляют путем операций, включающих фильтрацию и расслаивание осадка, полученного после фильтрации, расслаивание предпочтительно осуществляют в присутствии по меньшей мере одного соединения алюминия.

Кроме того, известный способ имеет относительно узкую область применения, поскольку не обеспечивает относительно малые по размерам частицы кремнезема. Готовый продукт получается из мелких взвешенных в воде первородных частиц путем высушивания воды. При высушивании вода между первородными частицами относительно медленно испаряется, причем в процессе испарения происходит сближение первородных частиц в результате действия сил поверхностного натяжения и в результате последующей агломерации они стягиваются в плотные шарообразные частицы с мелкими порами. Дальнейшее использование такого готового продукта в виде компоненты различных субстанций не позволяют обеспеченить высокотиксотропные свойства последних и устранить седиментацию (осаждение готового продукта под действием силы тяжести).

Требуемый технический результат заключается в упрощении способа и расширени области применения.

Требуемый технический результат достигается тем, что по способу, включающему взаимодействие водного раствора кремнесодержащего сырья с водным раствором подкислителя и последующее выделение и высушивание готового продукта, раствор кремнесодержащего сырья получают путем добавления в профильтрованную воду силиката натрия с селикатным модулем 2,8-3,7 при тщательном перемешивании, подогревом до 100°С и поддержании плотности раствора не менее 1,09 г/см.куб, водный раствор подкислителя получают путем добавления в профильтрованную воду подкислителя при тщательном перемешивании и поддержании плотности раствора не менее 1,02 г/ см.куб, подвергают созреванию гель, образованный при взаимодействии водного раствора кремнесодержащего сырья с водным раствором подкислителя, в течение не менее 20 мин, а выделение и высушивание готового продукта производят путем резкого снижения давления в среде образованного геля.

В качестве подкислителя допускается использование кислот, их растворов, а также растворов в воде кислотообразующих газов и солей.

Приведем пример реализации предложенного способа получения нанодисперсного кремнезема.

1. Приготовляют водный раствор кремнесодержащего сырья путем добавления в профильтрованную воду, например, в количестве 400 литров 100 литров силиката натрия с силикатным модулем 2,8-3,7 при тщательном перемешивании и подогреве до 100°С, поддерживая плотность раствора не менее 1,09 г/ см.куб.

2. Приготовляют водный раствор подкислителя путем добавления в профильтрованную воду, например, в количестве 486 литров 14 литров серной кислоты стандартной плотности 1,835 г/см.куб при тщательном перемешивании и поддерживая плотность раствора не менее 1,02 г/ см.куб.

3. В реактор пускают 50 л раствора приготовленного кремнесодержащего сырья (силиката натрия) со скоростью не менее 20 л/мин и затем осуществляют подачу приготовленного раствора подкислителя со скоростью не менее 8 л/мин. После полного вытекания этого раствора с целью повышения качества готового продукта доводят рН образованного геля до значения 3,0-4,0 и дают время на его созревание минимум на 20 минут, практически от 0,5 до 1,5 часов.

4. После созревания геля выделяют и высушивают готовый продукт путем обеспечения испарения воды одновременно во всем объеме частиц, образующих гель. Это можно обеспечить, например, путем резкого снижения давления в среде образованного геля, находящегося до этого при атмосферном давлении. Можно несколько подогреть гели и повысить давление с последующим резким снижением давления до атмосферного. И, наконец, можно использовать динамические области, в которых будет устанавливаться пониженное давление, что приведет к резкому испарению воды внутри частиц в этих областях.

Поскольку во всех этих случаях вода из геля испаряется одновременно во всем объеме частиц, то размеры пор не успевают существенно уменьшиться и агломерат первородных частиц остается не плотным, а рыхлым. В результате образуется рыхлый сухой агломерат первородных частиц, что позволяет расширить область применения способа и использовать его для получения готового продукта, обеспечивающего при его применении высокотиксотропные свойства различных субстанций при слабовыраженном седиментационном эффекте (отсутствие осаждения готового продукта под действием силы тяжести).

Готовый продукт состоит из рыхлых частиц, которые при незначительном механическом воздействии легко распадаются на частицы размерами от единиц до нескольких сотен нанометров.

Таким образом, благодаря предложенной совокупности операций способа и режимов их выполнения достигается требуемый технический результат упрощения способа, поскольку отпадает необходимость осуществления, по крайней мере, одной из следующих стадий (а) или (б): (а) в реакционную среду вводят по меньшей мере одно соединение цинка, затем агент основного характера и, когда вышеуказанное разделение осуществляют путем операций, включающих фильтрацию и расслаивание осадка, полученного после фильтрации, вышеуказанное расслаивание предпочтительно осуществляют в присутствии, по меньшей мере, одного соединения алюминия; (б) в реакционную среду одновременно вводят силикат и по меньшей мере одно соединение цинка и, когда вышеуказанное разделение осуществляют путем операций, включающих фильтрацию и расслаивание осадка, полученного после фильтрации, расслаивание предпочтительно осуществляют в присутствии по меньшей мере одного соединения алюминия.

Кроме того, расширяется область применения способа, поскольку обеспечивается получение рыхлого сухого агломерата первородных частиц размером от единиц до сотен нанометров, что позволяет расширить область применения способа и использовать его для получения готового продукта, обеспечивающего высокотиксотропные свойства различных субстанций при слабовыраженном седиментационном эффекте (отсутствие осаждения готового продукта под действием силы тяжести).

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Раствор кремнийсодержащего сырья получают путем добавления в профильтрованную воду силиката натрия с силикатным модулем 2,8-3,7 при тщательном перемешивании, подогреве до 100°С и поддержании плотности раствора не менее 1,09 г/см³. Водный раствор подкислителя получают путем добавления в профильтрованную воду подкислителя при тщательном перемешивании и поддержании плотности раствора не менее 1,02 г/см³. После взаимодействия водного раствора кремнийсодержащего сырья с водным раствором подкислителя полученный гель созревает в течение не менее 20 минут. Выделение и высушивание готового продукта производят путем резкого снижения давления в среде геля. Изобретение позволяет получать нанодисперсный диоксид кремния, обеспечивающий высокотиксотропные свойства при слабовыраженном седиментационном эффекте. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения нанодисперсного кремнезема, включающий взаимодействие водного раствора кремнесодержащего сырья с водным раствором подкислителя и последующее выделение и высушивание готового продукта, отличающийся тем, что раствор кремнесодержащего сырья получают путем добавления в профильтрованную воду силиката натрия с силикатным модулем 2,8-3,7 при тщательном перемешивании, подогреве до 100°С и поддержании плотности раствора не менее 1,09 г/см³, водный раствор подкислителя получают путем добавления в профильтрованную воду подкислителя при тщательном перемешивании и поддержании плотности раствора не менее 1,02 г/см³, а выделение и высушивание готового продукта производят путем резкого снижения давления в среде геля, образованного при взаимодействии водного раствора кремнесодержащего сырья с водным раствором подкислителя, после предварительного созревания геля в течение не менее 20 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подкислителя используют серную кислоту стандартной плотности 1,835 г/см³.