СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСТВОРОВ СИЛИКАТОВ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ И СИЛИКАТА АММОНИЯ Российский патент 2015 года по МПК C01B33/32 

Предложен способ получения растворов силикатов щелочных металлов и силиката аммония, а также их смесей, которые могут быть использованы в химической, металлургической, текстильной, бумажной и лакокрасочной промышленности.

Известен способ /Пат. РФ №2220906/ получения жидкого стекла путем взаимодействия кремнеземсодержащего вещества с водным раствором гидроксида натрия при температуре 200-250°C. В качестве исходного кремнеземсодержащего вещества используют кварцевый песок фракции 0,1-0,315 мм, содержащий 95,5-98,15% SiO₂.

Известен способ /Фишман И.Р. Современные способы производства жидкого стекла. // Технология, экономика, организация производства и управления. Сер. 8. Вып. 37. М.: 1989, 40 с./ получения жидкого стекла, в основе которого лежит использование шлама-отхода электрохимической очистки крупного литья, содержащего свыше 50% щелочных оксидов, используемого для получения щелочного раствора. В качестве кремнеземсодержащего сырья используют кварцевый песок, который подвергают виброизмельчению, после чего смешивают со щелочным раствором и водой в требуемых соотношениях. Варку стекла осуществляют при температуре 215-225°C (2,9-2,5 МПа). Недостатки данных способов связаны с высокими параметрами водяного пара.

Известен способ /Пат. США №6524543/ получение растворимых силикатов из кремнезема биогенного происхождения путем растворения золы рисовой шелухи в растворе сильной щелочи в присутствии активного углеродсодержащего материала. Недостатками данного способа является то, что жидкое стекло представляет собой жидкость с непостоянным составом, окрашенную в темный цвет коллоидными частицами углерода. Очистка и осветление таких жидкостей затруднительна.

Известны способы получения жидкого стекла на основе природного кремнеземсодержащего сырья, например, с использованием диатомита /Пат. РФ №2064431, а.с. СССР №1296509/, трепела /Пат. РФ №2063665/, перлита /А.с. СССР №1636336, а.с. СССР №1551650, а.с. СССР №1296509, а.с. СССР №1244092/, смеси диатомита и перлита /А.с. СССР №1296509, а.с. СССР №1244092/, синтетического аморфного кремнезема /А.с. СССР №865795, а.с. СССР №1801945, пат. РФ 2285665, пат. РФ 2314997.

Известные способы получения жидкого стекла из разнообразного кремнеземсодержащего материала направлены на упрощение процесса, увеличение выхода готового продукта и повышение модульности жидкого стекла. Для этого либо используют дополнительные компоненты /Пат. РФ №2023655, а.с. СССР №1636336, а.с. СССР №1243883/, либо предварительно измельчают сырье /А.с. СССР №1634636, а.с. СССР №1551650, а.с. СССР №865795/, либо обрабатывают его водой или слабым раствором щелочи. Основной процесс ведут при температуре 80-100°C /Пат. РФ №2023655, а.с. СССР №1611860, а.с. СССР №1118613/ с использованием крепких растворов щелочей /А.с. СССР №1118613, а.с. СССР №1244092/. Если варка стекла происходит при температуре выше 100°C, то создается избыточное давление /А.с. СССР №919992/. Основным недостатком рассмотренных способов получения жидкого стекла с использованием природных кремнеземсодержащих материалов является необходимость проведения процессов при высоких давлениях (до 2,5 МПа), присутствие растворимых примесей и красящих веществ, которые при гидротермальной обработке переходят в стекло, ухудшая, таким образом, его качество.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ а.с. СССР №865795 получения высокомодульного жидкого стекла. Сущность способа заключается в следующем. Низкомодульное жидкое стекло смешивается с аморфной двуокисью кремния, которая растворяется при давлении 0,5-0,6 атм. Недостатком данного способа является использование избыточного давления при растворении аморфного кремнезема, а также отсутствие возможности получения продуктов различного химического состава.

Технический результат предлагаемого метода заключается в возможности получения чистых растворов силикатов щелочных металлов и силикатов аммония, а также их смесей с модулем от 1 до 4,5, плотностью от 1100 до 1500 кг/м³ и вязкостью 50-10000 мПа·с.

Технический результат достигается следующим образом. В качестве кремнеземсодержащего вещества используется кварцевая мука крупностью менее 50 мкм, полученная измельчением кварцевого песка, которая взаимодействует с водными растворами гидроксидов щелочных металлов или аммония по отдельности или в смеси в зависимости от вида получаемого жидкого стекла. При этом в измельченный кварц добавляется от 5 до 20% кварцевой муки крупностью -0,15+0,05 мм, при которой он практически не растворим в щелочах. Это делается для создания намывного слоя при фильтрации готовой суспензии, что позволяет получать чистые фильтраты. Растворы гидроксидов щелочных металлов готовятся из твердых едких щелочей непосредственно перед проведением процесса получения жидкого стекла, что позволяет использовать теплоту их растворения, тем самым уменьшая энергозатраты на нагрев. В случае получения аммониевых жидких стекол используется гидроксид аммония. При необходимости получения смешанных жидких стекол, содержащих силикат аммония, гидроксид аммония добавляется в приготовленный раствор щелочей. Процесс взаимодействия производится при температуре 120-170°C и давлении до 0.8 МПа в течение 1,5-5 часов. При этом получаются растворы силикатов щелочных металлов, аммония или их смеси с силикатным модулем от 1 до 2.6, различными химическим составом и физическими свойствами. Полученные низкомодульные жидкие стекла благодаря своей низкой вязкости относительно легко фильтруются под давлением с получением чистых фильтратов, что позволяет в дальнейшем, при использовании синтетических аморфных кремнеземов, получать чистые жидкие стекла с высокими плотностями и вязкостью, исключая при этом низкоэффективные методы отстаивания или дорогостоящее упаривание. Для получения жидких стекол более высокого модуля от 2,6 до 4,5 в полученный при растворении кварца фильтрованный раствор добавляется синтетический кремнезем с аморфной структурой или природные минералы, его содержащие, с последующей выдержкой при перемешивании 30-200 мин и температуре 50-95°C.

Отличительными особенностями предложенного метода являются:

1. Использование в качестве сырья для получения низкомодульного жидкого стекла кварцевого песка крупностью менее 0,05 мм, что позволяет проводить процесс при давлении не более 0,8 МПа, что значительно ниже (в 3 раза) чем в имеющихся прототипах. Это позволяет осуществлять процессы на стандартном оборудовании.

2. Использование теплоты растворения едких щелочей для уменьшения энергетических затрат на нагрев реакционной суспензии.

3. Возможность получения растворов силикатов щелочных металлов и силиката аммония с заданными свойствами.

4. Возможность получения чистых фильтратов жидких стекол путем создания искусственного намывного слоя.

5. Получения фильтрованных растворов жидких стекол высокой плотности и вязкости без применения энергоемкой операции упаривания, путем использования двухстадийного способа увеличения модуля с применением полностью растворимого кремнезема на второй стадии.

Ниже представлен пример осуществления данного способа.

Пример 1. 1100 г кварца смешивается с 2500 г воды, 200 г едкого калия и 350 г каустической соды. Полученная суспензия нагревается до 120-160°C (P=0,6-0,8 МПа) и выдерживается при постоянном перемешивании в течение 1,5-3 часов, по истечении данного времени суспензия охлаждается до 90°C и фильтруется. В результате получилось 3,2 кг Na-K жидкого стекла с модулем 2.5. Далее в полученный фильтрат с температурой 70-90°C добавляется аморфный кремнезем с содержанием SiO₂ - 90% в количестве 200-270 г и перемешивается в течение 0,5-1,5 часов, в результате получается 3,4 кг Na-K жидкого стекла с модулем 3.3.

Изобретение может быть использовано в химической, металлургической, текстильной, бумажной и лакокрасочной промышленности. Сначала в измельченный до крупности менее 50 мкм кварц добавляют нерастворимый кварцевый песок крупностью -0,15+0,05 мм в количестве 5-20% от массы кварца и растворяют в растворах щелочей при температуре 120-170°C и давлении до 0,8 МПа. Полученную суспензию охлаждают и фильтруют. Растворы щелочей можно готовить непосредственно перед получением растворов силикатов щелочных металлов и силиката аммония. В фильтрат можно добавить аморфный кремнезем для повышения модуля. Получают чистые растворы силикатов щелочных металлов и силиката аммония, а также их смесей, с модулем 1-4,5, плотностью 1100-1500 кг/м³ и вязкостью 50-10000 мПа·с. 2 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ получения растворов силикатов щелочных металлов и силиката аммония, а также их смесей, отличающийся тем, что в измельченный до крупности менее 50 мкм кварц добавляют нерастворимый кварцевый песок крупностью -0,15+0,05 мм в количестве 5-20% от массы кварца, растворяют в растворах щелочей при температуре 120-170°C и давлении до 0,8 МПа с последующим охлаждением полученной суспензии и ее фильтрацией.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что растворы щелочей готовят из едких щелочей непосредственно перед получением растворов силикатов щелочных металлов и силиката аммония.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что повышают модуль путем добавления в фильтрат аморфного кремнезема.