Способ получения жидкого стекла

Изобретение относится к технологии получения жидкого стекла с различным силикатным модулем, применяемого в мыловаренной, жировой, химической, машиностроительной, текстильной, бумажной промышленности, а также в строительной индустрии, металлургии. Жидкое стекло получают гидротермальной обработкой кремнеземсодержащего вещества с водным раствором гидроксида натрия. В качестве исходного кремнеземсодержащего вещества используют остаток, полученный после выщелачивания серпентинита соляной кислотой - аморфный диоксид кремния, имеющий удельную поверхность не менее 250 м²/г и содержащий не менее 4 гидроксильных групп на 1 (нм)² и не более 0,1% растворимых в щелочах примесей, крупностью не более 800 мкм, и раствор гидроксида натрия концентрацией 100-150 г/дм³, взятый в количестве 110-130% от стехиометрии. Полученную суспензию фильтруют для удаления непрореагировавшего остатка, раствор концентрируют для получения жидкого стекла с заданными модулем и плотностью. Результат изобретения: расширение сырьевой базы для производства жидкого стекла и улучшение его качества. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к технологии получения жидкого стекла с различным силикатным модулем, применяемого в мыловаренной, жировой, химической, машиностроительной, текстильной, бумажной промышленности, а также в строительной индустрии и металлургии.

Жидкое стекло представляет собой водный раствор силикатов щелочных металлов общей формулы Me₂О·nSiO₂, где Me - натрий или калий, n - силикатный модуль (1,5-3,6 для натриевого и 4,0-4,5 - для калиевого стекла). Жидкое стекло получают либо растворением кремнеземсодержащего сырья в едких щелочах при высоких температуре и давлении в течение нескольких часов, либо растворением растворимого стекла в виде силикат-глыбы в горячей воде под давлением.

Для получения жидкого стекла гидротермальным способом кремнеземсодержащие материалы обрабатывают раствором щелочи определенной концентрации.

Известен способ /Пат. РФ №2220906/ получения жидкого стекла путем взаимодействия кремнеземсодержащего вещества с водным раствором гидроксида натрия при температуре 200-250°С. 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°С (2,9-2,5 МПа).

Недостатки данных способов связаны с высокими параметрами водяного пара (давление выше 2,1 МПа), необходимостью сверхтонкого размола трудноизмельчаемого кварцевого песка.

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 и осмелившимися органическими веществами. 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/, аморфного кремнезема /А.с. СССР №865795, А.с. СССР №1801945/.

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°С /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°С, то создается избыточное давление /А.с. СССР №919992/.

Основным недостатком рассмотренных способов получения жидкого стекла с использованием природных кремнеземсодержащих материалов является 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 №1801946/ получения натриевого жидкого стекла. Сущность способа заключается в следующем. Сначала готовят суспензию из фторсодержащего кремнегеля, воды и концентрированного раствора гидроксида натрия, проводят гидротермальную обработку и отделяют непрореагировавший осадок.

Недостатком данного способа является использование кремнезема, содержащего фтор, на нейтрализацию которого дополнительно используется гидроксид натрия.

Технический результат заключается в расширении сырьевой базы для производства жидкого стекла и улучшения его качества.

Технический результат достигается следующим образом. Аморфный диоксид кремния, получаемый путем выщелачивания серпентинита соляной кислотой, смешивают с раствором гидроксида натрия с последующей гидротермальной обработкой, фильтрованием и концентрированием. Получаемое при этом жидкое натриевое стекло имеет широкий диапазон силикатного модуля и плотности и находит применение в различных отраслях промышленности.

Проведенный заявителем анализ уровня техники по патентным и научно-техническим источникам информации позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем признакам аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе получения жидкого стекла, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Сущность предлагаемого способа заключается в следующей совокупности существенных признаков: для получения жидкого стекла в качестве кремнезем содержащего вещества используют аморфный диоксид кремния, полученный путем выщелачивания серпентинита соляной кислотой. В результате кислотной обработки получаемый диоксид кремния обладает высокой активностью за счет удельной поверхности частиц не менее 250 м²/г и содержит не менее 4 гидроксильных групп на 1 (нм)² и не более 0,1% растворимых в щелочах примесей.

Отличительными признаками также является то, что аморфный диоксид кремния имеет крупность не более 800 мкм, а раствор гидроксида натрия с концентрацией 100-150 г/дм³ используется в количестве 110-130% от стехиометрии для получения жидкого стекла с различным силикатным модулем и плотностью.

Варку стекла осуществляют при температуре 90-95°С, атмосферном давлении в течение 0,25-1,0 ч.

На основании проведенных исследований установлено, что при использовании аморфного кремнезема крупностью >800 мкм уменьшается скорость взаимодействия диоксида кремния с гидроксидом натрия и, следовательно, увеличивается продолжительность варки стекла.

При использовании раствора гидроксида натрия с концентрацией <100 г/дм³ получается жидкое стекло с низкой плотностью и при последующем его концентрирование необходимо выпаривать значительное количество воды, что потребует большого расхода электроэнергии. При концентрации >150 г/дм³ образуются вязкие, плохо отстаивающиеся и фильтрующиеся пульпы.

Расход раствора гидроксида натрия в количестве 110-130% от стехиометрии позволяет получать жидкое стекло с заданными силикатным модулем и плотностью.

Диоксид кремния, полученный солянокислотным выщелачиванием серпентинита, является аморфным, практически не содержит растворимых в щелочах примесей, обладает высокой активностью и большой удельной поверхностью, что позволяет вести процесс получения стекла при температуре 90-95°С, при атмосферном давлении в течение 0,25-1,0 ч.

Ниже приведены примеры осуществления данного способа.

Пример 1. Аморфный диоксид кремния, полученный путем выщелачивания серпентинита соляной кислотой и имеющий химический состав, % мас.: 84,4 SiO₂, 7,34 MgO, 2,86 CaO, 1,86 Fe₂О₃, 0,22 Al₂О₃, 0,053 Cl^-, крупностью не более 800 мкм, взятый в количестве 135,5 г, смешали с 300 см³ раствора гидроксида натрия концентрацией 150 г/дм³. Суспензию подвергают обработке при 95°С в течение 20 минут при перемешивании пульпы. Образовавшуюся пульпу с плотностью 1,305 г/см³ и объемом 360 см³ фильтровали для отделения нерастворившегося остатка массой 17,1 г.

Раствор, полученный после фильтрования, направляли на концентрирование при температуре 100°С.

Получено 235 см³ жидкого стекла плотностью 1,415 г/см³, содержащего, % мас.: 28,03 SiO₂; 9,71 Na₂O; 0,005 ∑Al₂O₃+Fe₂O₃; 0,0017 Fe₂О₃; 0,0014 CaO; 0,10 водонерастворимых веществ. Силикатный модуль жидкого стекла 2,9.

Пример 2. 90,22 г аморфного кремнезема, состава, приведенного в примере 1, смешали с 300 см³ гидроксида натрия концентрацией 100 г/дм³ при температуре 95°С в течение 15 минут при перемешивании пульпы. Норма гидроксида натрия составила 130%.

Образовавшуюся пульпу с плотностью 1,173 г/см³ и объемом 370 см³ фильтровали для отделения нерастворившегося остатка массой 9,41 г.

Раствор, полученный после фильтрования, концентрировали при температуре 100°С. Получено 150 см³ жидкого стекла, с плотностью 1,401 г/см³, содержащего, % мас.: 29,67 SiO₂; 9,95 Na₂O; 0,004 ∑Al₂O₃+Fe₂О₃; 0,002 Fe₂О₃; 0,005 CaO; 0,09 водонерастворимых веществ. Силикатный модуль жидкого стекла 3,0.

Таким образом, предлагаемый способ получения жидкого стекла позволяет получать натриевое жидкое стекло высокого качества с заданными силикатным модулем и плотностью, а также с низким содержанием примесей (Al₂O₃, Fe₂О₃, CaO) и водонерастворимых веществ (<0,10 мас.%) и соответствующее требованиям ГОСТ 13078-81 «Стекло натриевое жидкое».

1. Способ получения жидкого стекла, включающий смешение кремнеземсодержащего вещества и раствора гидроксида натрия, гидротермальную обработку полученной суспензии, отделение не прореагировавшего остатка, концентрирование жидкого стекла, отличающийся тем, что в качестве кремнеземсодержащего вещества используют остаток после солянокислотного выщелачивания серпентинита - аморфный диоксид кремния, имеющий удельную поверхность не менее 250 м²/г и содержащий не менее 4 гидроксильных групп на 1 нм² и не более 0,1% растворимых в щелочах примесей, а раствор гидроксида натрия имеет концентрацию 100-150 г/дм³.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что аморфный диоксид кремния имеет крупность не более 800 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что раствор гидроксида натрия используется в количестве 110-130% от стехиометрии для получения жидкого стекла с различными силикатным модулем и плотностью.