СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФИЛЬТРОВАЛЬНОГО ПОРОШКА Российский патент 2013 года по МПК C01B33/00 

Изобретение относится к получению порошка на основе соединений кремния и может быть использовано в пищевой промышленности для фильтрации напитков.

Известен способ получения высокодисперсного диоксида кремния по патенту РФ №2079429, публ. 20.05.1997. В соответствии с известным способом осуществляют карбонизацию водного раствора силиката натрия [Na₂SiO₃], отделение диоксида кремния [SiO₂] фильтрованием, обработку влажного осадка соляной кислотой в количестве, обеспечивающем массовое соотношение ионов H⁺:CO^2- ₃=1:(9÷15). Далее осуществляют промывку водой, содержащей поверхностно-активное вещество. Благодаря нейтрализации влажного осадка диоксида кремния кислотой и применения ПАВ снижается массовая доля соды Na₂CO₃ в продукте и сокращается расход кислоты и промывной воды.

Как указано в описании, в конечном продукте примесное содержание соды 0,5% и хлорида натрия 0, 23% не превышают допустимые количества по ГОСТу, однако, для применения в пищевой промышленности, например, при изготовлении фильтров для жидкостей, указанные показатели продукта неудовлетворительны.

Известен способ получения диоксида кремния по патенту RU 2179153, согласно которому затравку кремнезема SiO₂ суспендируют в минеральной кислоте, например, в серной кислоте, при нагреве не ниже 50°C; в суспензию дозируют при перемешивании кремнезем, содержащий раствор силиката натрия со скоростью до 2 л/ч на 1 л суспензии. Осадок фильтруют, промывают и сушат. При этом влажность осадка диоксида кремния составляет примерно 55-70 %, расход горячей воды на промывку 8-12 кг на 1 л сухого продукта. Использование затравки способствует увеличению съема осадка продукта с фильтра.

Однако описанная технология многооперационна и энергозатратна на операциях сушки и промывки горячей водой, внесения затравки кремнезема при температуре 50°С. Продукт по этому способу может быть использован, как заявлено, в химической промышленности, а для использования в пищевой промышленности в качестве фильтровального порошка способ получения диоксида кремния требует усовершенствования.

Техническая задача изобретения состоит в том, чтобы упростить технологию, снизить энергозатраты и при этом обеспечить достижение органолептических, физико-химических и технологических нормативных показателей фильтровального порошка на основе диоксида кремния.

Заявляется способ получения фильтровального порошка, включающий обработку кремнеземосодержащего продукта минеральной кислотой, фильтрацию осадка, промывку и сушку, отличающийся тем, что в реакторе с мешалкой приготавливают водный раствор жидкого стекла при объемном соотношении "жидкое стекло:вода"=1:(2,5÷3), затем в реактор при перемешивании подают раствор соляной кислоты до достижения pH смеси равной 6÷6,5, осуществляют мокрое измельчение образующейся суспензии кремниевой кислоты, затем порошок кремниевой кислоты одновременно промывают водой и разделяют на фракции, контролируя отсутствие в промывной воде ионов хлора путем достижения отрицательной реакции на азотнокислое серебро, сушку влажных фракций порошка осуществляют в две стадии: на первой стадии порошок выдерживают при температуре 105-110°C в течение 2-3 часов, затем температуру в сушильной камере поднимают до 220-250°C и выдерживают при этой температуре до постоянной массы.

Сырьем для производства фильтровального порошка являются соляная кислота (ГОСТ 3118-77, квалификации «ч» или «хч») и жидкое натриевое стекло (ГОСТ 13078-81, квалификации «ч» или «хч»). Для приготовления рабочих растворов исходных веществ и промывки промежуточных продуктов используется питьевая вода из сети городского водопровода.

В основе процесса получения кремниевой кислоты лежит реакция нейтрализации жидкого натриевого стекла соляной кислотой по уравнению:

$$N{a}_{2}O\cdot mSi{O}_2\cdot n{H}_{2}O+HCl\to mSi{O}_2\cdot n{H}_{2}O+NaCl+H_{2}O$$

В результате реакции образуется белый осадок кремниевой кислоты.

Получение кремниевой кислоты производится в вертикальном цилиндрическом стальном реакторе, снабженном механической мешалкой пропеллерного типа, патрубками ввода исходных реагентов и вывода продуктов реакции.

В реактор объемом $$\approx \mathrm{2,5}{м}^3$$ вводится 250…300 л жидкого стекла и 700…800 л питьевой воды. Объем жидкого стекла, загружаемый в реактор, контролируется счетчиком жидкости или мерником. Смесь тщательно перемешивают механической мешалкой в течение 5…10 мин при кратности перемешивания 2…3. После этого при продолжающемся перемешивании в реактор в середину реакционной смеси подают раствор соляной кислоты (1:2) со скоростью 50…70 л/мин до тех пор пока pH смеси не достигнет величины, равной 6,0…6,5. Объемное соотношение воды и жидкого стекла удовлетворяет условиям повышения химической активности жидкого стекла, быстрого и равномерного перемешивания и распределения вводимой соляной кислоты по всему объему реактора. В более концентрированном растворе, чем указанный, мономерные анионы кремниевой кислоты находятся в виде полимерных цепочек, более стойких к действию кислоты. Объем раствора соляной кислоты, необходимый для нейтрализации жидкого стекла, контролируется с помощью промышленных pH-метров любого типа.

Образующаяся в реакторе суспензия кремниевой кислоты поступает на мокрое измельчение в шаровую мельницу, футерованную резиной. Время помола определяется заданным выходом нужной фракции (I, II или III) и составляет 10…20 мин. Контроль тонкости помола осуществляется периодическим экспресс-анализом проб суспензии в лаборатории. На время анализа измельчение суспензии прекращается.

Разделение порошка кремниевой кислоты на фракции I, II, III и отмывка их от примесей производится в ситовом классификаторе, снабженным системами подачи суспензии и питьевой воды. Для интенсификации процесса, каждое сито аппарата снабжено вибратором. После заполнения одного из сит на $$\raisebox{1ex}{$3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.$$ его объема подача суспензии в классификатор прекращается и продолжается промывка продукта питьевой водой.

Полнота отмывки контролируется по отсутствию в промывной воде ионов хлора (Cl^-) методом добавления к пробе воды в пробирке 2…3 капель 0,1-молярного раствора азотнокислого серебра (AgNO₃). При достаточной промывке визуально в пробирке не должно наблюдаться помутнения пробы вследствие образования нерастворимого осадка хлористого серебра (AgCl). Если в пробирке наблюдается помутнение воды, промывку порошка продолжают до отрицательной реакции на азотнокислое серебро.

Сушка влажных фракций порошка, полученных при классификации и промывке кремниевой кислоты, производится в сушильной камере в две стадии.

На первой стадии после загрузки в камеру контейнеров с порошком устанавливается предельная температура сушки 105…110°C, после чего порошок выдерживается при данной температуре в течение 2…3 часов.

По окончании сушки порошка температуру в сушильной камере поднимают до 220…250°C и выдерживают до постоянной массы, которую определяют с помощью образца-свидетеля. Последний представляет собой пробу данного порошка массой 50…100 г в химическом стакане, который располагается в контейнере с основным объемом порошка. Сушка считается законченной, если разница в двух соседних взвешиваниях стакана с образцом-свидетелем не превышает 0,5%. Высушенный порошок подается на затаривание. Порошок при нормальных условиях стабилен, химически неактивен, устойчив к воздействию внешней среды и окислению.

Указанная температура первой стадии соответствует режиму выпаривания свободной воды из влажного порошка. Ввиду увеличенной плотности влажного тонкоизмельченного порошка процесс выпаривания продолжается 2-3 часа, в том числе если установить температуру более 200°C. Поэтому минимальная температура сушки 105-110°C на первой стадии обеспечивает технологическую и экономическую целесообразность процесса сушки. Температура около 250°C на второй стадии сушки достаточна для получения фильтровального порошка требуемого качества.

Описанным способом был получен порошок, соответствующий следующим физико-химическим и технологическим показателям, представленным в таблице

Наименование показателя Показатели для фракций порошка I-II-III 1. Скорость фильтрации, л/м²·мин 60-100 150-250 350-500 2. Объемно-насыпная масса, кг/м³ 250 290 290 3. Техническая влажность, % 2 1 1 4. Гранулометрический состав, %, не более       - 0,25 мм 0 0 0 - 0,045 мм 3 12 15 5. pH водной вытяжки 6-8 6-8 6-8 6. Химический состав, %       - SiO₂, не менее 90 90 90 - Al₂O₃, не более 8 8 8 - Fe₂O₃, не более 1,5 1,5 1,5 7. Потери при прокаливании, %, не более 0,5 0,5 0,5

Заявленный способ позволил получить высокодисперсный фильтровальный порошок на основе диоксида кремния, существенно снижая затраты электроэнергии при подготовке реакционной смеси и сушке порошка. Преимущества мокрого помола проявились в том, что одновременно осуществляется разделение кремниевой кислоты на фракции, гомогенное перемешивание и очистка через очень тонкие сита в виде суспензий. Обеспечивается быстрая разгрузка барабана мельницы без образования пыли, что улучшает экологию производства.

Способ может быть осуществлен с использованием стандартного оборудования и материалов.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. В водную смесь жидкого стекла при объемном соотношении «жидкое стекло:вода»=1:(2,5-3) при перемешивании подают раствор соляной кислоты до достижения pH смеси, равного 6-6,5. Осуществляют мокрое измельчение суспензии кремниевой кислоты, затем порошок кремниевой кислоты промывают водой и разделяют на фракции. Отсутствие в промывной воде ионов хлора контролируют реакцией на азотнокислое серебро. Сушку влажных фракций порошка осуществляют в две стадии: на первой стадии порошок выдерживают при температуре 105-110°C в течение 2-3 часов, затем температуру в сушильной камере поднимают до 220-250°C и выдерживают при этой температуре до постоянной массы. Предложенное изобретение позволяет упростить технологию и снизить энергозатраты при получении фильтровального порошка на основе диоксида кремния. 1 табл.

Способ получения фильтровального порошка, включающий обработку кремнеземосодержащего продукта минеральной кислотой, фильтрацию осадка, промывку и сушку, отличающийся тем, что в реакторе с мешалкой приготавливают водный раствор жидкого стекла при объемном соотношении жидкое стекло:вода=1:(2,5÷3), затем в реактор при перемешивании подают раствор соляной кислоты до достижения pH смеси 6÷6,5, осуществляют мокрое измельчение образующейся суспензии кремниевой кислоты, затем порошок кремниевой кислоты одновременно промывают водой и разделяют на фракции, контролируя отсутствие в промывной воде ионов хлора путем достижения отрицательной реакции на азотнокислое серебро, сушку влажных фракций порошка осуществляют в две стадии: на первой стадии порошок выдерживают при температуре 105-110°C в течение 2-3 ч, затем температуру в сушильной камере поднимают до 220-250°C и выдерживают при этой температуре до постоянной массы.