Способ получения жидкого стекла Российский патент 2023 года по МПК C01B33/32 C03B23/53 C04B33/00 

Известны способы получения жидкого стекла гидротермальной обработкой в щелочной среде кремнистых опал-кристобалитовых пород.

В [1] кремнеземистый материал обрабатывают раствором щелочи при нагревании 90-105 ºС при соотношении Ж:Т = (3-4):1, выдержку полученной суспензии при перемешивании с последующим отделением продукта, после выдержки суспензию разбавляют водой.

В [2] опоку, содержащую аморфный кремнезем 63-73%, предварительно прокаливают при 500- 600 ºС в течение 15-20 мин для удаления органических и красящих веществ, обрабатывают водным раствором щелочи при соотношении Ж:Т = 3:1 , декантируют полученный продукт в течение 1 суток. Нерастворимый осадок промывают водой 2 раза при соотношении Т:Ж=1:2, промывные воды смешивают со щелочью для следующей обработки.

В [3] для получения жидкого стекла опоку, содержащую свободный SiO₂ от 65 до 79%, без предварительной термообработки обрабатывают щелочным раствором NaOH 8 мас. % при температуре 95-105 ºС в течение 2 часов при Т:Ж= 1:3, с последующим отделением твердой части от жидкой и декантацией полученного раствора. Твердый осадок промывается 2 раза при соотношении Т:Ж=1:1.

В [4] для получения жидкого стекла используют трепел, содержащий SiO₂ 47,4-61,4 и отходы производства перманганата калия при температуре 100-105 ºС в течение 12-14 часов при соотношении Т:Ж=1:14.

Общим недостатком приведенных способов получения жидкого стекла из аморфных источников кремнезема гидротермальным способом, является длительное время, необходимое для разделения суспензии из сырья, подвергнутого обработке в щелочной среде или при растворении щелочных силикатов, на твердую и жидкую фазы (от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от физико-химических свойств сырья и технологических особенностей способов получения жидкого стекла).

В случае использования опал-кристобалитовых пород с содержанием кремнезема менее 60 % вязкость суспензии увеличивается вследствие увеличения глинистой фракции. Разделение вязкой суспензии отстаиванием с последующей декантацией не обеспечивает полного разделения жидкой и твердой фаз (в виде непрореагировавшего сырья и нерастворимых побочных продуктов химических реакций), что делает необходимым увеличение соотношения Т:Ж суспензии, а потом упаривание продукта после декантации. Остаточные нерастворимые соединения в жидком стекле ухудшают его качественные показатели (химический состав, прозрачность), что лимитирует использование жидкого стекла, полученного по выше приведенным способам, для использования в детергентах, красках и т.п.

Для более глубокой очистки раствора жидкого стекла, которую не обеспечивает отстаивание, используют фильтрацию при высоком давлении в фильтр-прессах. Если процесс растворения не обеспечивает высокой плотности жидкого стекла, используют непроизводительные и энергоемкие выпарные аппараты [5].

Часть жидкой фазы, остающейся после декантации ввиду не уплотнённости верхнего слоя нерастворимого остатка, осложняет промывку нерастворимого остатка и требует использование большего количества воды.

Задачей изобретения является получение жидкого стекла из опал-кристобалитовых пород с содержанием глинистой фракции более 50%, способом позволяющем сократить время получения готового продукта с одновременным улучшением качественных характеристик, уменьшить количество воды и время, необходимое для промывки нерастворимого остатка, сократить энергозатраты и техногенное воздействие на окружающую среду.

Заявленные преимущества достигаются тем что способ получения жидкого стекла из опал-кристобалитовых пород, включает гидротермальную обработку пород в щелочной среде, причем в качестве опал-кристобалитовой породы используют трепел Котово-Гудовского месторождения Курской области, содержащий глинистую фракцию 52-63 %, гидротермальную обработку ведут при весовом соотношении трепел : гидроксид натрия = 1:(0,2-0,3), соотношении твердой фазы к жидкой Т:Ж = 1:(1,5-2), а отделение готового продукта осуществляют в центрифугатном поле в течение 1-3 мин при 2500-3000 об/мин.

Поставленная задача также достигается тем, что суспензия после отделения жидкого стекла однократно промывается водой при весовом соотношении суспензии и промывных вод 1:1, а разделение промывных вод и остатка проводят в центрифугатном поле в течение 1-3 мин при 2500-3000 об/мин.

Центрифугирование обладает более высокой скоростью и способностью к разделению на твердую и жидкую фазы неоднородных дисперсных жидких систем, чем отстаивание и фильтрование. В процессе центрифугирования дисперсная система разделяется на фракции, что в случае разделения полученной суспензии позволяет не только выделить твердую и жидкую фазы, но и получить отдельные фракции твердой фазы, отличающиеся по плотности, размеру, форме и как следствие - химическому составу.

Промышленностью предлагается разнообразные конструкции центрифуг, предусматривающих выгрузку материала в автоматическом непрерывном режиме (вертикальные и горизонтальные, по типу выгрузки: ручной, гравитационный, шнековый, ножами и скребками, пульсирующими поршнями).

Тип центрифуги определяется формой и размером твердых частиц и зависит от типа используемого сырья. Так, для разделения суспензии содержащей глинистую фракцию – центрифуга с полной нижней выгрузкой.

Под сырьем, содержащим аморфный кремнезем, в настоящем изобретении понимаются минеральные источники в виде опал-кристобалитовых пород, а также техногенные отходы.

Под гидротермальной обработкой понимается взаимодействие кремнезем –содержащего сырья в твердой фазе, с гидроксидами щелочных металлов, таких как гидроксид натрия, калия, лития, их смеси, а также техногенные щелочесодержащие отходы в жидкой фазе, а также а также стекловидных щелочных силикатов с водой или щелочного силиката средах при нормальном, пониженном или избыточном атмосферном давлении при температуре от 70-200 ºС.

Преимущества раскрываемого способа получения жидкого стекла поясним на примере.

Пример 1. Для получения натриевого жидкого стекла использовали трепел Котово-Гудовского месторождения в Курской области, содержащего аморфный кремнезем – 47,7%, остальное - глинистые включения. Навеска трепела массой 20 г была измельчена в фарфоровой ступке и помещена в плоскодонную колбу объемом 100 мл. Далее в колбу поместили 6 г. чешуированного NaOH и 40 мл дистиллированной воды. Колбу с содержимым и обратным холодильником поместили на магнитную мешалку с подогревом и проводили синтез при Т=90 ºС в течение 2 часов. По окончании синтеза содержимое колбы разделили на 2 равных части, одну из которых поместили в лабораторную центрифугу MPW-2 (образец №1), а другую отстаивали (образец №2). Центрифугирование проводили на лабораторной центрифуге при 3000 об/мин в течение 2 мин. По окончании центрифугирования жидкая часть была декантирована. Жидкая часть не содержала включений, осадок на дне пробирки был уплотнен и при декантированнии не смешивался с жидкой частью. Объем жидкого стекла составил (ρ=1,18 г/см³,μ =1,2) 16,2 мл.

После этого к осадку массой 16,2 г прибавили 16,2 мл дистиллированной воды, перемешивали в течение 5 мин и поместили в центрифугу. Центрифугирование проводили 3000 об/мин в течение 2 мин, pH промывных вод составил 12, после повторной промывки осадка - 7.

Образец №2 отстаивался 1 сутки до разделения суспензии на жидкую и твердую части. Жидкую часть отделяли декантированием до вовлечения верхнего неуплотненного слоя твердой части в раствор. Объем жидкого стекла составил (ρ=1,18 г/см3,μ =1,2) = 8,4 мл. Визуальный осмотр показал, что жидкое стекло содержало включения.

После этого к осадку массой 18,1 г прибавили 36,2 мл дистиллированной воды перемешивали в течение 5 мин и отстаивали в течение 1 суток. Жидкую часть декантировали, pH промывных вод составил 13, после повторной промывки осадка таким же объёмом воды - 10.

Пример 2. Для получения натриевого жидкого стекла использовали трепел Котово-Гудовского месторождения в Курской области, содержащего аморфный кремнезем – 37,1 %, остальное - глинистые включения. Навеска трепела массой 20 г была измельчена в фарфоровой ступке и помещена в плоскодонную колбу объемом 100 мл. Далее в колбу поместили 4 г. чешуированного NaOH и 30 мл дистиллированной воды. Колбу с содержимым и обратным холодильником поместили на магнитную мешалку с подогревом и проводили синтез при Т=90 ºС в течение 2 часов. По окончании синтеза содержимое колбы разделили на 2 равных части, одну из которых поместили в лабораторную центрифугу (образец №1), а другую отстаивали (образец №2). Центрифугирование проводили на лабораторной центрифуге MPW-2 при 2500 об/мин в течение 3 мин. По окончании центрифугирования жидкая часть была декантирована. Жидкая часть не содержала включений, осадок на дне пробирки был уплотнен и при декантировании не смешивался с жидкой частью. Объем жидкого стекла составил (ρ=1,16 г/см3,μ =1,1) 10,8 мл.

После этого к осадку массой 16.2 г прибавили 16.2 мл дистиллированной воды, перемешивали в течение 5 мин и поместили в центрифугу. Центрифугирование проводили 3000 об/мин в течение 2 мин, pH промывных вод составил 11, после повторной промывки осадка - 7.

Образец №2 при отстаивании за 1 сутки слабо разделился на жидкую и твердую части, при декантировании вовлекался верхний неуплотненный слой осадка.

Приведенные примеры показывают, что при использовании центрифугатного поля для разделения суспензии из трепела, содержащего глинистые включения, осложняющие фильтрование, сокращается время для разделения суспензии и увеличивается выход конечного продукта (Пример №1 - с 1 суток до 3 мин, увеличение в 1,9 раза), уменьшается обьем промывок нерастворимого остатка и необходимого количество воды (Пример №1 - с 1 суток до 3 мин, достаточно однократного промывания, уменьшение количества воды в 3 раза). При соотношения Т:Ж = 1:1,5 (Пример №2) при проведении синтеза жидкого стекла в случае использования трепела с глинистыми включениями отстаивание суспензии в течение суток не дало положительный результат, выход продукта по способу получения жидкого стекла в соответствии с настоящим изобретением с приведенными характеристиками составил 40 %.

Список использованных источников

1.А.С. СССР № 1118613. Способ получения жидкого стекла. Кл. С01В 33/32. 1981.

2.Патент РФ. № 2188793. Способ получения жидкого стекла. Кл. С01В 33/32. 2002.

3.Патент РФ. № 2081826. Способ получения жидкого стекла. Кл. С01В 33/32. 1997.

4.Патент РФ. № 2023665. Способ получения жидкого стекла. Кл. С01В 33/32. 1994.

5.В.И.Корнеев, В.В.Данилов. Растворимое и жидкое стекло. С.162-163.

Изобретение относится к способу получения жидкого стекла гидротермальной обработкой в щелочной среде кремнистых опал-кристобалитовых пород. Способ получения жидкого стекла из опал-кристобалитовых пород заключается в гидротермальной обработке пород в щелочной среде, при этом в качестве опал-кристобалитовой породы используют трепел Котово-Гудовского месторождения Курской области, содержащий глинистую фракцию 52-63%, гидротермальную обработку ведут при весовом соотношении трепел:гидроксид натрия=1:(0,2-0,3), соотношении твердой фазы и жидкой Т:Ж=1:(1,7-2), а отделение готового продукта осуществляют в центрифугатном поле в течение 1-3 мин при 2500-3000 об/мин. Технический результат заключается в получении жидкого стекла из опал-кристобалитовых пород с содержанием глинистой фракции более 50% способом, позволяющим сократить время получения готового продукта с одновременным улучшением качественных характеристик, уменьшить количество воды и время, необходимое для промывки нерастворимого остатка, сократить энергозатраты и техногенное воздействие на окружающую среду. 1 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Способ получения жидкого стекла из опал-кристобалитовых пород, включающий гидротермальную обработку пород в щелочной среде, отличающийся тем, что в качестве опал-кристобалитовой породы используют трепел Котово-Гудовского месторождения Курской области, содержащий глинистую фракцию 52-63%, гидротермальную обработку ведут при весовом соотношении трепел гидроксид натрия=1:(0,2-0,3), соотношении твердой фазы к жидкой Т:Ж=1:(1,7-2), а отделение готового продукта осуществляют в центрифугатном поле в течение 1-3 мин при 2500-3000 об/мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что суспензия после отделения жидкого стекла однократно промывается водой при весовом соотношении суспензии и промывных вод 1:1, а разделение промывных вод и остатка проводят в центрифугатном поле в течение 1-3 мин при 2500-3000 об/мин.