Способ получения шлама пигмента двуокиси титана (его варианты)

 

Использование: при производстве бумаги. Сущность изобретения: шлам пигмента двуокиси титана, содержащий примерно 70 - 80 мас.% твердых частиц, получают при помощи обезвоживания при давлении выше атмосферного высокодиспергированного шлама пигмента, содержащего примерно 30 - 50 мас.% необработанного, нефлоккулированного пигмента двуокиси титана. Шлам имеет рН примерно ниже 4,0 или выше 8,0, чтобы получить влажную фильтровальную лепешку. Из влажной фильтровальной лепешки снова получают шлам в присутствии диспергирующего агента. Шлам с высоким содержанием твердых частиц в предпочтительном варианте получают из пигмента двуокиси титана рутил. 2 с. и 15 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к способу по- лучения пигментных шламов с высоким содержанием твердых частиц, более конкретно к способу получения пигментных шламов двуокиси титана с высоким содержанием твердых частиц, пригодных для использования при производстве бумаги.

Промышленность по производству бумаги уже длительное время использует пигмент двуокиси титана для улучшения оптических свойств, например поверхностной яркости и непрозрачности, различных бумажных продуктов. Пигментом двуокиси титана, который используют наиболее широко в виде шлама с высоким содержанием твердых частиц, является двуокись титана анатаз, измельченная в сухом виде. Этот пигмент получают при помощи регулируемого гидролиза водного раствора титановой соли, такой как сульфат титана, и после фильтрации и промывки, прокаливания, чтобы высушить пигмент и полностью проявить его анатазовую кристаллическую форму. С целью его использования при производстве бумаги прокаленный пигмент подвергают последующему сухому измельчению, чтобы раздробить большие и спекшиеся частицы. Прокаленный и измельченный пигмент затем диспергируют в воде в количествах, достаточных для того, чтобы получить шламы, имеющие содержание твердых частиц 60-80 мас.

Рутиловые пигменты двуокиси титана также используют при производстве бумаги. Их применение становится все более распространенным, так как производство пигментов двуокиси титана анатаз при помощи так называемого сульфатного способа снижается. Пигменты получают при помощи окисления четыреххлористого титана в паровой фазе. Полученный продукт окисления является неочищенным пигментом двуокиси титана, содержащим существенные количества больших, напоминающих песок, частиц двуокиси титана. Чтобы сделать этот сырой продукт пригодным для использования в качестве пигмента, его существенно измельчают сырым, подвергают гидроклассификации, сушат и, наконец, подвергают сухому измельчению, чтобы получить пигментный продукт с равномерной структурой. Когда его используют при производстве бумаги, этот высушенный и измельченный продукт диспергируют в воде в количествах, достаточных для того, чтобы получить шламы с содержанием твердых частиц 60-80 мас.

Получают ли пигменты двуокиси титана, используемые при получении шламов с высоким содержанием твердых частиц, при помощи описанного выше в общем случае сульфатного способа, или при помощи окислительного способа, их получают их сухого конечного пигмента, а именно из пигментов, которые были предварительно подвергнуты сушке и сухому измельчению.

Известен способ получения шлама пигмента двуокиси титана, в котором получают шламы с высоким содержанием твердых частиц с использованием при получении шлама с низким содержанием твердых частиц пигмента неочищенной двуокиси титана, который предварительно был влажным измельчен и подвергнут стадии удаления песка (а именно классификации), но не более. Этот способ содержит флокуляцию не содержащего песка шлама пигмента с низким содержанием твердых частиц, обезвоживание вышеупомянутого шлама пигмента после флокуляции под вакуумом и повторное образование шлама из обезвоженного пигмента для того, чтобы получить шламы по крайней мере 60 мас. твердых частиц. Хотя утверждается, что способ является более эффективным с точки зрения затрат, в результате исключения конечных стадий, сопряженных с дополнительными затратами средств и времени, он не лишен недостатков. Один недостаток заключается в дополнительных затратах по времени и материалам, связанных с необходимостью флокулировать пигмент, чтобы сделать его фильтруемым, используя известные приемы вакуумной фильтрации. Другой недостаток более низкие скорости получения, связанные со способом, как результат продолжительного цикла обезвоживания, требуемого для получения фильтровальной лепешки с высоким содержанием твердых частиц, используемой для получения финальных шламов.

Цель изобретения преодоление вышеупомянутых недостатков при помощи исключения стадии флокуляции и длительных циклов обезвоживания, необходимых для получения фильтровальных лепешек с высоким содержанием твердых частиц, из которых получают финальные шламы.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения шлама пигмента двуокиси титана, включающем смешение пигмента с водой и обезвоживание смеси с последующим суспендированием обезвоженного пигмента, смешивание пигмента с водой ведут в присутствии первого диспергирующего агента при рН, равном 4,0 и ниже или 8,0 и выше. Обезвоживание ведут фильтрацией при давлении выше атмосферного, достаточном для получения влажной фильтровальной лепешки. Суспендиpование ведут в присутствии второго диспергирующего агента до содержания пигмента не менее 70 мас. Содержание первого диспергирующего агента в смеси составляет 0,01-2,00 мас. В качестве первого диспергирующего агента используют полифосфат щелочного металла; рН смеси, равный 8,0 и выше, поддерживают гидратом окиси щелочного металла, а рН, равный 4,0 и ниже, хлористоводородной или серной кислотой. Преимущественно рН смеси поддерживают равным 8,5 и выше или 3,5 и ниже.

Смесь содержит пигмент двуокиси титана в количестве не менее 20 мас. Обезвоживание смеси ведут при давлении не менее 3,5 кг/см², преимущественно при давлении 35-17,5 кг/см².

Второй диспергирующий агент выбирают из группы: замещенные алифатические дикарбоновые кислоты, их соли щелочных металлов, многоатомные спирты и алканоламины.

В способе получения шлама пигмента двуокиси титана, включающем смешение пигмента с водой и обезвоживание смеси с последующим суспендированием обезвоженного пигмента, смешивание пигмента с водой ведут в присутствии 0,01-2,00 мас. полифосфата щелочного металла и гидрата окиси щелочного металла в количестве, необходимом для поддержания рН 8,5 и выше, до содержания пигмента не менее 20 мас. обезвоживают фильтрацией при давлении не менее 3,5 кг/см² и суспендирование ведут в присутствии 0,1-5,0 мас. второго диспергирующего агента, взятого из группы: замещенные алифатические карбоновые кислоты, их соли щелочных металлов, многоатомные спирты и алканоламины до содержания в шламе пигмента не менее 70 мас. Смесь содержит пигмент в количестве 20-50 мас. В качестве пигмента используют рутил. Второй диспергирующий агент присутствует в количестве 0,3-1,5 мас. Фильтрацию ведут при давлении 3,5-17,5 кг/см². В качестве второго диспергирующего агента используют алканоламин или 2-амино-2-метил-1-пропанол.

В соответствии с изобретением предлагается способ получения шламов пигмента с высоким содержанием твердых частиц, используемых при производстве бумаги или ее покрытии. Предлагается средство для получения шламов с высоким содержанием твердых частиц из пигментов двуокиси титана, в частности из необработанных и не подвергнутых флокуляции пигментов двуокиси титана. Термин "необработанный пигмент" относится к таким пигментам двуокиси титана, частицы которого не несут никакого поверхностного покрытия из водных окислов металлов, такие как двуокись кремния, окись титана, окись алюминия и т.п.

Необработанный не подвергнутый флокуляции пигмент двуокиси титана, к которому применим способ настоящего изобретения, включает любой пигмент двуокиси титана, независимо от того, какого он типа: анатаз, рутил или их смесь, полученная при помощи любой процедуры, например те, что получают при помощи одного из вышеупомянутых приемов: сульфатного или окисления в паровой фазе. В предпочтительном варианте способ особенно применим к получению шламов с высоким содержанием твердых частиц из необработанного, не подвергнутого флокуляции пигмента двуокиси титана рутил, полученного при помощи окисления в паровой фазе четыреххлористого титана.

В предпочтительном варианте необработанные, не подвергнутые флокуляции пигменты двуокиси титана, используемые при получении шламов пигментов с высоким содержанием твердых частиц в соответствии с настоящим изобретением, могут быть влажными раздроблены, а затем подвергнуты гидроклассификации, с тем чтобы получить пигмент с равномерным размером частиц. Этого достигают, во-первых, при помощи диспергирования сырого необработанного пигмента двуокиси кремния, который содержит существенное количество больших, агломерированных частиц пигмента, в воде, когда он покидает реактор для прокаливания или окисления, с тем чтобы получить шлам сырого пигмента. Количества необработанного пигмента, диспергированного в воде, достаточно для того, чтобы получить сырьевой шлам пигмента, содержащий примерно 20-50 мас. этого пигмента. После того, как сырой шлам получен, его подвергают сырому размолу (или размельчению) и гидроклассификации для того, чтобы разбить большие, агломерированные частицы пигмента, диспергированные в нем, и чтобы получить шлам, содержащий пигмент с одинаковым размером частиц. Влажное измельчение шлама может быть осуществлено при помощи многочисленных известных средств, которые ранее использовались каждым специалистом в этой области техники. Особенно эффективным средством для осуществления размола агломерированных частиц пигмента является песочная мельница Справочник химика-технолога Перри, 1963, с. 41). Гидроклассификацию можно также осуществить с использованием известных средств и приемов, например с использованием гидроциклонов.

Чтобы поддержать необработанный пигмент во влажно измельченном и гидроклассифицированном шламе в высокодиспергированном состоянии (условие, которое является критическим для последующей успешной фильтрации под давлением шлама), в шлам можно добавить первый диспергирующий агент. Это добавление может быть осуществлено либо перед, либо после влажного измельчения и гидроклассификации сырого шлама. Предпочтительно осуществить добавление в сырой шлам перед этими стадиями. В широком смысле диспергирующие материалы, которые можно использовать в качестве первого диспергирующего агента, могут включать любое из известных соединений фосфата щелочного металла, таких как гексаметафосфат натрия, полифосфат натрия и калия, пирофосфат натрия и т.п. Количество такого диспергирующего материала, добавляемого в сырой шлам в качестве первого диспергирующего агента, может изменяться в области 0,01-2,0 мас. в пересчете на сырой шлам. Более предпочтительное количество для таких диспергирующих материалов 0,1-1,0 мас.

В дополнение к использованию вышеупомянутых диспергирующих материалов можно добавить либо минеральную кислоту, такую как хлористоводородная или серная, либо неорганическое основание, такое как аммиак, гидрат окиси щелочноземельного или щелочного металла, карбонатное или бикарбонатное соединение, если это необходимо, в шлам, чтобы поддержать рН шлама на уровне ниже 4,0 и меньше либо выше 8,0 и больше. Общими примерами таких полезных соединений неорганического основания являются, например, гидрат окиси натрия, гидрат окиси калия, гидрат окиси аммония, гидрат окиси кальция, карбонат натрия, бикарбонат натрия и т.п. В общем случае либо хлористоводородную кислоту, либо серную кислоту можно использовать для того, чтобы поддержать рН шлама на уровне ниже 4,0 и меньше, в то время как предпочтительным соединением основания, используемым для поддержания рН шлама на уровне выше 8,0 и выше, может быть гидрат окиси щелочного металла, такой как гидрат окиси натрия.

Поддержание рН шлама при значении ниже 4,0 и меньше или выше 8,0 и больше является существенным для удерживания необработанного пигмента в нефлокуляционных условиях. Такое условие является решающим, если необходимо осуществить целевое обезвоживание вышеупомянутого шлама, используя фильтрацию под давлением. С другой стороны, когда используют известную вакуумную фильтрацию такую, как применение барабанного вакуум-фильтра, чтобы получить фильтровальную лепешку с высоким содержанием твердых частиц из шлама с низким содержанием твердых частиц, желательно поддерживать шлам при рН, равном 4-8. Внутри этой последней области рН частицы пигмента, содержащиеся в шламе, по существу не несут ионного заряда на своей поверхности. В результате частицы пигмента будут легко подвергаться флокуляции, что делает шлам, содержащий их, более легко поддающимся обезвоживанию при условиях вакуумной фильтрации. В предпочтительном варианте шлам будет поддерживать при рН примерно 3,5 и ниже или 8,5 и выше.

Высокодиспергированный, влажно измельченный и гидроклассифицированный шлам пигмента подвергают обезвоживанию. Это обезвоживание можно осуществить с использованием установки для фильтрации под давлением, функционирующей при давлении выше атмосферного. При этом получают влажную фильтровальную лепешку с высоким содержанием твердых частиц. Конкретная установка для фильтрации под давлением, используемая для получения влажной фильтровальной лепешки с высоким содержанием твердых частиц, не образует какой-либо части настоящего изобретения, и можно использовать любую из известных установок для фильтрации под давлением. К таким установкам относятся, например, фильтропрессы периодического действия различных типов и конструкций. Особенно предпочтительным фильтром-прессом является вертикально расположенный фильтр-пресс, производимый фирмой "Б. С. Хеш Индастриз, Инк". Этот специальный тип фильтр-пресса соединяет в себе необходимые свойства известного фильтр-пресса с преимуществом ротационного и ленточного фильтров и полностью автоматизирован.

Независимо от конкретного типа или конструкции устройства типа фильтр-пресс, используемого при осуществлении изобретения, такое устройство будет функционировать при давлениях, превышающих атмосферное давление. Для осуществления настоящего изобретения общей областью рабочих давлений будет примерно 3,5-17,5 кг/см², а в предпочтительном варианте примерно 7-15,8 кг/см².

После того, как водный шлам введен в фильтр-пресс, он выдерживается в фильтр-прессе при давлении выше атмосферного в течение времени, достаточного для того, чтобы получить влажную фильтровальную лепешку, содержащую твердые частицы в количестве не менее примерно 70 мас. и выше. Время, необходимое для получения такой влажной фильтровальной лепешки, будет изменяться от 10 до 30 мин. Это время представляет общий цикл фильтрации, который включает заполнение, сжатие, сушку и выгрузку влажной фильтровальной лепешки из пресса. Необходимо иметь в виду, что время может варьироваться в зависимости от содержания пигмента в исходном водном шламе, давлении, используемого в фильтр-прессе, и содержания твердых частиц, необходимого в полученной в результате фильтровальной лепешки для того, чтобы получить после повторного образования шлама из фильтровальной лепешки конечный шлам, имеющий конкретное высокое содержание твердых частиц. Однако любой специалист в этой области техники легко определит точное время, необходимое для того, чтобы получить влажную фильтровальную лепешку, содержащую необходимый уровень твердых частиц.

Из влажной фильтровальной лепешки, которая содержит твердые частицы в количестве не менее 70 мас. и выше, а в более предпочтительном варианте 70-80 мас. получают снова шлам, чтобы получить целевой финальный продукт в виде шлама. Из влажной фильтровальной лепешки можно снова получить шлам только при помощи добавления второго диспергирующего агента во влажную фильтровальную лепешку при механическом перемешивании. Диспергирующими материалами, пригодными для использования в качестве второго диспергирующего агента, могут быть любые известные растворимые в воде органические диспергирующие материалы, используемые для таких целей. Такие материалы включают, например, замещенные алифатические карбоновые кислоты, и их соли щелочных металлов и кислот, многоатомные спирты и алканоламины и т.п. Примеры таких материалов включают лимонную и винную кислоту, и их соли натрия и калия, сорбит, маннит, моноэтаноламин, триэтаноламин, 2-амино-2-метил-2-пропанол и т.п. Если необходимо, то можно использовать смеси двух и более таких материалов.

Количество диспергирующего материала, добавляемое в фильтровальную лепешку, может изменяться от 0,1 до 5 мас. в пересчете на массу пигмента двуокиси титана, содержащегося в конечном продукте шлама с высоким содержанием твердых частиц. В предпочтительном варианте это количество изменяется от 0,3 до 1,5 мас. Конечный продукт шлама с высоким содержанием твердых частиц может быть получен только при помощи добавления второго диспергирующего агента во влажную фильтровальную лепешку, извлеченную со стадии фильтрации под давлением. Полученный продукт шлама с высоким содержанием твердых частиц будет содержать то же количество твердых частиц, что и влажная фильтровальная лепешка, из которой он получен. Однако воду также можно добавлять во влажную фильтровальную лепешку наряду со вторым диспергирующим агентом, чтобы иметь возможность регулировать содержание твердых частиц в конечном продукте шлама и приводить его в соответствие с любым заранее определенным содержанием. Точное количество воды, добавляемой для осуществления регулирования, заданное содержание твердых частиц во влажной фильтровальной лепешке и содержание твердых частиц, необходимое в конечном продукте шлама, легко могут быть определены любым специалистом в этой области техники. Однако вода не может быть добавлена в количестве, которое эффективно снижало бы содержание твердых частиц в конечном продукте шлама до уровня ниже 70 мас. В предпочтительном варианте содержание твердых частиц в конечном продукте шлама, полученном в соответствии с настоящим изобретением, будет изменяться от 70 до 80 мас.

Наряду с указанными выше диспергирующими материалами, используемыми в качестве второго диспергирующего материала, можно включать в шлам с высоким содержанием твердых частиц в этот момент другие материалы. К таким материалам относятся различные бактерициды, фунгициды, связывающие агенты и т.п. При включении в шламы с высоким содержанием твердых частиц количества этих материалов будут изменяться в сумме от 0,1 до 5 мас. от шлама.

П р и м е р. Шлам пигмента с высоким содержанием твердых частиц получали в соответствии с настоящим изобретением следующим образом. Высокодиспергированный сырьевой шлам с низким содержанием твердых частиц получали при помощи диспергирования в воде сырого, необработанного пигмента двуокиси титана рутил при помощи окисления в паровой фазе TiCl₄. Достаточные количества этого сырья пигмента диспергировали в воде так, что полученный в результате сырой шлам пигмента содержал твердые частицы в концентрации 32-35 мас. Чтобы облегчить дисперсию сырого пигмента в воде, в качестве добавки к нему вводят гексаметафосфат натрия. Чтобы предотвратить флокуляцию сырого пигмента, рН шлама обеспечивали на уровне примерно 10 добавлением в него гидрата окиси натрия, и шлам, наконец, подвергали влажному измельчению и гидроклассификации. Полученный в результате шлам время от времени закачивали в вертикальный пресс-фильтр Хеш Модели ПФI-2,5 (производимый фирмой "Б.С. Хеш Индастриз, Инк. "), имеющий общую фильтрующую площадь примерно 2,5 м², в котором шлам обезвоживали при давлении примерно 7,8 кг/см² при номинальной скорости фильтрации 48 кг/ч/м² фильтрующей поверхности. Обезвоживание шлама продолжали до тех пор, пока не было получено приблизительно 2437 кг влажной фильтровальной лепешки. Содержание твердых частиц во влажной фильтровальной лепешке, извлеченной из пресс-фильтра, составляло примерно 78,9 мас. Эту влажную фильтровальную лепешку переносили в высокоскоростной диспергатор емкостью 3785 л, в который добавляли 261 л воды, 20 кг 2-амино-2-метил-1-пропанола, 6 кг лимонной кислоты (50%-ный раствор) и 1,8 кг доуцила (бактерицида, производимого фирмой "Доу Кемикал Ко"). Влажную фильтровальную лепешку и добавленные материалы подвергали перемешиванию с высокой скоростью в течение примерно 20 мин. Получали текучий (с возможностью перекачивания) конечный шлам с высоким содержанием твердых частиц.

Анализ полученного конечного шлама показал, что он имеет содержание твердых частиц 71 мас. вязкость 658 сП (которую измеряли при помощи вискозиметра типа Брукфельд модели РБТ, используя вал N 3 со скоростью 100 об/мин), рН 10,3 и удельное сопротивление 400 Ом˙см. Этот шлам затем, если его будут далее использовать для заполнения и покрытия бумаги, дает хорошую поверхностную яркость и непрозрачность.

Как можно видеть из приведенного примера, шлам пигмента с высоким содержанием твердых частиц может быть получен при помощи экономичной и эффективной процедуры. Кроме того, шлам с высоким содержанием твердых частиц легко получают без необходимости подвергать флокуляции исходный сырьевой шлам и без необходимости длительной фильтрации, чтобы добиться необходимых уровней содержания твердых частиц.

Совершенно очевидно, что можно осуществить различные изменения и усовершенствования, не выходя из области и сущности настоящего изобретения.

Формула изобретения

1. Способ получения шлама пигмента двуокиси титана, включающий смешение пигмента с водой и обезвоживание смеси с последующим суспендированием обезвоженного пигмента, отличающийся тем, что смешение пигмента с водой ведут в присутствии первого диспегирующего агента при рН, равном 4,0 и ниже или 8,0 и выше, обезвоживание ведут фильтрацией при давлении выше атмосферного, достаточным для получения влажной фильтровальной лепешки, и суспендирование ведут в присутствии второго диспергирующего агента до содержания пигмента не менее 70 мас.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание первого диспергирующего агента в смеси составляет 0,01 - 2,00 мас.%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого диспергирующего агента используют полифосфат щелочного металла.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рН смеси, равный 8,0 и выше, поддерживают гидратом щелочного металла, а рН, равный 4,0 и ниже, - хлористоводородной или серной кислотой.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что рН смеси поддерживают равным 8,5 и выше или 3,5 и ниже.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь содержит пигмент двуокиси титана в количестве не менее 20 мас.%.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что обезвоживание смеси ведут при давлении не менее 3,5 кг/см².

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что обезвоживание ведут при давлении 3,5 - 17,5 кг/см².

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй диспергирующий агент выбирают из группы: замещенные алифатические дикарбоновые кислоты, их соли щелочных металлов, многоатомные спирты и алканоламины.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что второй диспергирующий агент присутствует в количестве 0,1 - 5,0 мас.%.

11. Способ получения шлама пигмента двуокиси титана, включающий смешение пигмента с водой и обезвоживание смеси с последующим суспендированием обезвоженного пигмента, отличающийся тем, что смешение пигмента с водой ведут в присутствии 0,01 - 2,00 мас.% полифосфата щелочного металла и гидрата окиси щелочного металла в количестве, необходимом для поддержания рН 8,5 и выше до содержания пигмента не менее 20 мас.%, обезвоживают фильтрацией при давлении не менее 3,5 кг/см² и суспендирование ведут в присутствии 0,1 - 5,0 мас.% второго диспергирующего агента, взятого из группы: замещенные алифатические карбоновые кислоты, их соли щелочных металлов, многоатомные спирты и алканоламины - до содержания в шламе пигмента не менее 70 мас. %.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что смесь содержит пигмент в количестве 20 - 50 мас.%.

13. Способ по пп.11 и 12, отличающийся тем, что в качестве пигмента используют рутил.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что второй диспергирующий агент присутствует в количестве 0,3 - 1,5 мас.%.

15. Способ по п.11, отличающийся тем, что фильтрацию ведут при давлении 3,5 - 17,5 кг/см².

16. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве второго диспергирующего агента используют алканоламин.

17. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве второго диспегирующего агента используют 2-амино-2-метил-1-пропанол.