Водная известково-магнезиальная суспензия и способ ее приготовления

Изобретение может быть использовано для приготовления водной суспензии на основе извести или известкового соединения. Известково-магнезиальная суспензия содержит частицы твердого вещества, удельная поверхность которых, рассчитанная по методу BET, перед суспендированием составляет не более 10 м²/г. Частицы твердого вещества отвечают формуле xCa(OH)₂·(1-x)MgO·yH₂O, где 0<х≤1 и у≤(1-х), при этом у и х означают мольные доли. Предложен способ приготовления такой суспензии. Изобретение позволяет приготовить известково-магнезиальную суспензию с низкой вязкостью. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 табл.

 

Настоящее изобретение относится к водной известково-магнезиальной суспензии и способу ее приготовления.

Одним из видов водной известково-магнезиальной суспензии является известковое молоко, представляющее собой жидкую суспензию гашеной извести, называемую также гидратированной известью (гидроксид кальция Са(ОН)₂) и способную очевидно содержать в себе примеси, в частности кремнезем, глинозем или оксид магния в количестве нескольких процентов. Такую суспензию получают либо гашением негашеной извести (оксида кальция СаО) избыточным количеством воды, либо смешением гашеной извести с водой, масса которой в несколько раз превышает массу извести. Полученная суспензия отличается концентрацией твердого вещества и распределением по размерам частиц в ней. Оба этих показателя определяют свойства известкового молока, в основном его вязкость и реакционную способность.

Вязкость - это свойство суспензии, определяющее применение и обращение с ней (перекачка, транспортировка по трубопроводу и пр.). Экспериментально было установлено, что динамическая вязкость не должна превышать 1,2 Па·с. Как правило, вязкость возрастает в том случае, когда концентрация твердого вещества увеличивается, а размер частиц в суспензии уменьшается.

Реакционная способность известкового молока - это показатель скорости растворения частиц при его разбавлении значительным объемом деминерализованной воды. Этот показатель, основанный на регистрации изменения удельной проводимости полученной жидкой фазы, был разработан для контроля за реакционной способностью разных видов известкового молока, предназначенных для умягчения питьевой воды (см. v. Van Eckeren и др. Improved milk-of lime for softening of drinking water: the answer to the carry-over problem (Улучшенное известковое молоко для умягчения питьевой воды: решение проблемы), Aqua, 1994 г., №43 (1), стр.1-10).

Реакционная способность известкового молока важна также для любой операции по нейтрализации или флокуляции.

Известно, что скорость растворения известковых частиц тем выше, чем меньше их размер. Кроме того, при большой дисперсности частиц, как правило, снижается осаждение твердой фазы в суспензии.

Как правило, экономически целесообразно располагать возможностью увеличения концентрации известкового молока для снижения транспортных расходов и размеров оборудования (резервуары-хранилища, насосы и пр.).

Очевидной является трудность сочетания между собой низкой вязкости, высокой концентрации и снижения размера частиц в суспензии.

Известен способ повышения концентрации известкового молока добавкой диспергирующего средства в присутствии небольшого количества гидроксида щелочного металла (US 5616283, US 4849128, US 4610801). Этот способ позволяет довести концентрацию сухого вещества до величины свыше 40% при динамической вязкости менее 1,2 Па·с. Однако использование диспергирующего средства ведет к удорожанию и не совместимо с некоторыми областями применения.

Также известен способ повышения концентрации твердой фазы в суспензии путем ограничения роста вязкости введением гашеной извести с более крупными частицами или путем гашения негашеной извести в условиях, благоприятных для роста зерен, например в результате ограничения повышения температуры при гашении, внесением добавок, таких как сульфаты, и пр. (BE 1006655, US 4464353). Такие виды известкового молока обладают меньшей реакционной способностью, что ограничивает области их применения. Однако эти суспензии быстрее осаждаются в том случае, когда в них не добавляется диспергирующее средство.

Целью настоящего изобретения является создание водной суспензии на основе извести или известкового соединения с контролируемой, предпочтительно низкой вязкостью для обеспечения возможности повышения концентрации твердого вещества и/или уменьшения размера частиц в суспензии.

Данная цель достигается согласно изобретению с помощью водной известково-магнезиальной суспензии, содержащей частицы твердого вещества, удельная поверхность которых, рассчитанная по методу BET, перед суспендированием составляет не более 10 м²/г.

Частицы твердого вещества в водной известково-магнезиальной суспензии согласно изобретению отвечают формуле

xCa(OH)₂·(1-x)MgO·yH₂O,

где 0<х≤1;

y≤(1-х),

при этом х и у являются мольными долями.

Предпочтительно, чтобы х имело значение от 0,8 до 1, особо предпочтительно 1.

Такую суспензию можно приготовить путем суспендирования известково-магнезиального твердого вещества с частицами с малой удельной поверхностью, составляющей не более 10 м²/г, измеренной методом адсорбции азота (метод BET). Неожиданно было найдено, что водная суспензия из такого типа твердого известково-магнезиального вещества может обладать очень низкой вязкостью, что в результате позволяет сильно увеличить концентрацию твердого вещества в суспензии, что почти невозможно было достигнуть ранее, или же уменьшить размер частиц в суспензии и, следовательно, получать концентрированное и реакционноспособное известковое молоко. Благодаря изобретению стало возможным выявить прямую связь между удельной поверхностью частиц и вязкостью таких суспензий при одинаковых концентрациях и размерах частиц.

Следует отметить, что гидратированная известь с такой удельной поверхностью стала известной лишь с недавнего времени. Ее можно получать, в частности, гашением негашеной извести в присутствии CaCl₂ (см. Holmberg, J., Slaking of lime (Гашение извести), документ, приведенный на сайте Интернета <http://server1.chemeng.lth.se/exjobb/009.pdf >(http://www.chemeng.lth.se/exjobb/009.pdf) в июне 2003 г.) или диспергирующего средства (см. JP 11-139850).

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения частицы твердого вещества имеют удельную поверхность, составляющую согласно методу BET не более 8 м²/г, предпочтительно не более 5 м²/г.

Оптимально, чтобы динамическая вязкость суспензии составляла не более 1,2 Па·с, предпочтительно не более 1,0 Па·с.

В таких условиях становится возможным приготовление суспензии согласно изобретению, содержание твердого вещества в которой составляет более 25%, предпочтительно более 40%, и/или гранулометрический показатель d₉₈ составляет менее 20 мкм, предпочтительно не более 5 мкм.

Следовательно, частицы суспензии согласно изобретению могут состоять только из гидратированной извести, а также из смешанного соединения, состоящего из гидратированной извести и окиси магния, которая может быть гидратирована полностью или частично или даже не гидратирована. Такой известково-магнезиальный материал может, очевидно, содержать кроме того примеси, упоминавшиеся ранее в связи с гидратированной известью.

Другие варианты выполнения продукта и способа согласно изобретению приведены в приложенной формуле изобретения.

Ниже изобретение подробнее поясняется с помощью не ограничивающих примеров.

Пример 1

Смешиванием 10 л воды и 5 кг гидратированной извести при 20°С приготовили три вида концентрированного известкового молока. Удельная поверхность одного из видов извести составляла 20 м²/г, двух других видов согласно настоящему изобретению - соответственно 10 и 5 м²/г. Удельную поверхность измеряли посредством адсорбции азота по методу BET. Смесь выдерживали при механическом размешивании в течение 30 минут.

Для приготовления разных видов известкового молока с сопоставимым гранулометрическим распределением последние были процежены через сито с размером ячеек 200 мкм; при необходимости подрешетный продукт подвергали влажному измельчению в дробилке со стеклянными шарами диаметром от 0,5 до 0,8 мм. Распределение по размерам частиц определяли лазерным гранулометром; распределения обозначены в терминах d₅₀, d₉₀ и d₉₈, являющихся величинами, интерполированными с кривой распределения размеров частиц. Размеры d₅₀, d₉₀ и d₉₈ соответствуют размерам, при которых соответственно 50%, 90% и 98% частиц меньше указанных размеров.

Процентное содержание твердого вещества в суспензиях задавалось разбавлением таким образом, чтобы из каждой гидратированной извести можно было получить три вида известкового молока, содержащего соответственно 20%, 25% и 30% твердого вещества. Вязкость этих видов молока измеряли вискозометром "Brookfield DV III Rheometer" со стрелкой №3 при скорости вращения 100 об/мин.

Показатели удельной поверхности трех видов гидратированной извести, использованной для приготовления известкового молока, а также гранулометрические характеристики и показатели вязкости соответствующих суспензий приведены в таблице 1.

Как и предполагалось, при сопоставимом гранулометрическом составе и идентичной удельной поверхности вязкость возрастает в зависимости от концентрации. Зато независимо от содержания твердого вещества вязкость очень сильно снижается в зависимости от удельной поверхности гидратированной извести. В частности, в том случае, когда концентрация твердого вещества в суспензии достигла 20%, вязкость уменьшилась с 1 до 0,08 Па·с, при этом удельная поверхность гидратированной базовой извести снизилась с 20 до 5 м²/г при сопоставимом гранулометрическом составе.

Однако в том случае, когда удельная поверхность составляет 20 м²/г, концентрация твердого вещества должна быть менее 25% для сохранения приемлемой вязкости (1,2 Па·с). Напротив можно легко приготовить известковое молоко с 30% твердого вещества и низкой вязкостью (0,6 Па·с) в том случае, когда удельная поверхность гидратированной извести не более 10 м²/г согласно настоящему изобретению.

Пример 2

По методике примера 1 было приготовлено три вида концентрированного известкового молока, один вид из гидратированной извести с удельной поверхностью 15 м²/г и два других в соответствии с настоящим изобретением из 2 видов гидратированной извести с удельной поверхностью соответственно 10 и 5 м²/г. Как и в примере 1, частицы суспензии имели сопоставимый гранулометрический состав, но были более мелкими. В примере 2 концентрация сухого вещества задавалась также путем разбавления, но с обеспечением 15%, 20% и 25% сухого вещества. Результаты приведены в таблице 2.

Результаты таблицы 2 согласуются с результатами примера 1: при одинаковом содержании твердого вещества и сопоставимом гранулометрическом составе (d₉₈=5 мкм) вязкость известкового молока уменьшалась с уменьшением удельной поверхности применявшейся гидратированной извести. Однако, как и ожидалось, из сравнения обеих таблиц 1 и 2 следует в отношении применявшихся видов гидратированной извести с удельной поверхностью 5 и 10 м²/г и содержанием сухого вещества в количестве 20 и 25%, что вязкость известкового молока возрастает с уменьшением размера частиц.

Из примера 2 можно заключить, что известковое молоко с вязкостью менее 1,2 Па·с при содержании твердого вещества в количестве равном или более 20% невозможно приготовить из гидратированной извести с большой дисперсностью (d₉₈=5 мкм) в том случае, когда удельная поверхность этой извести менее или равна 10 м²/г согласно настоящему изобретению.

Пример 3

Три вида концентрированного известкового молока, приготовленного в примере 1, разбавили с целью доведения вязкости до величины 1-1,2 Па·с. Затем определили концентрацию соответствующего сухого вещества. Результаты приведены в таблице 3.

При сопоставимых распределениях по размерам частиц и вязкости содержание сухого вещества тем выше, чем меньше удельная поверхность гидратированной извести. Таким образом, без применения диспергирующего средства можно вдвое увеличить содержание твердого вещества, т.е. с 20 до 40%, при условии, что удельная поверхность гидратированной извести снижена с 20 до 5 м²/г согласно настоящему изобретению.

Пример 4

Аналогично примеру 3 разбавили три вида концентрированного известкового молока, приготовленного, как описано в примере 2, с таким расчетом, чтобы вязкость составила 1-1,2 Па·с. Затем определили концентрацию сухого вещества. Результаты представлены в таблице 4.

Выводы из примера 3 применимы также и для известкового молока с большей гранулометрической дисперсностью (d₉₈=5 мкм). Содержание твердого вещества, составляющего 15% в гашеной извести с удельной поверхностью 15 м²/г, достигает 35% в гидратированной извести с удельной поверхностью 5 м /г согласно изобретению.

Пример 5

Целью этого примера является подтверждение эффективности данного изобретения по сравнению с известным способом промышленного получения концентрированного известкового молока (с добавкой диспергирующего средства). Известковое молоко в промышленности приготавливают из гидратированной извести с удельной поверхностью 20 м²/г, его вязкость составляет 1,2 Па·с. Эту суспензию сравнили с известковым молоком, приготовленным в соответствии с настоящим изобретением с применением гидратированной извести с удельной поверхностью 5 м²/г. Характеристики обоих видов известкового молока представлены в таблице 5.

Таким образом, без применения диспергирующего средства возможно приготовление в соответствии с настоящим изобретением известкового молока с той же вязкостью (1,2 Па·с) и с тем же содержанием твердого вещества (45%), что и в промышленном известковом молоке очень высокой концентрации, обеспечиваемой добавкой диспергирующего средства. Кроме того, следует отметить, что известковое молоко согласно изобретению обладает большей дисперсностью при одинаковой вязкости. При этом оно не содержит диспергирующего средства, что удешевляет производство и обеспечивает возможность применения в большем количестве областей.

Пример 6

По методике примера 1 приготовили три вида известкового молока из гидратированной извести с удельной поверхностью 5 м²/г, но при разном распределении по размерам частиц, с содержанием твердого вещества 34-45%. Вязкость этих видов известкового молока замерили сразу после его приготовления (начальная вязкость) и через 7 суток, в течение которых его выдерживали при перемешивании. Характеристики трех видов известкового молока приведены в таблице 6.

Существенного изменения вязкости в рассмотренном интервале времени не отмечено. Следовательно, приготовленные в соответствии с изобретением виды известкового молока могут храниться до момента применения без ущерба для своей способности к применению.

Пример 7

По методике примера 1 приготовили три вида известкового молока из гидратированной извести с удельной поверхностью 5, 10 и 15 м²/г с целью получения нескольких видов известкового молока с очень высокой дисперсностью и, следовательно, с очень высокой реакционной способностью.

Реакционную способность определяли измерением скорости растворения известного количества частиц извести в суспензии при очень высокой степени разбавления. В частности, речь идет об измерении времени t₉₀, необходимого для достижения удельной проводимости, соответствующей 90% от максимальной удельной проводимости, соответствующей равновесному состоянию раствора.

Тест проводился следующим образом. 5 см³ известкового молока разбавили до 2% сухого вещества, мгновенно добавили в 700 см³ деминерализованной воды, термостатировали при 25°С и выдерживали при перемешивании со скоростью 400 об/мин. Через каждые 0,3 секунды измеряли изменение удельной проводимости до получения ее устойчивой величины. Значение t₉₀ кривой удельной проводимости интерполировали.

Известковое молоко с низкой реакционной способностью имело показатель t₉₀ в несколько десятков секунд; напротив, известковое молоко может считаться очень реакционноспособным, если его показатель t₉₀ равен менее 3 секундам.

Результаты тестов на реакционную способность, полученные по трем видам известкового молока, приведены в таблице 7.

Можно видеть, что величина реакционной способности (t₉₀) не зависит от удельной поверхности гидратированной извести, используемой для приготовления известкового молока.

Необходимо иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается приведенными выше вариантами его осуществления и что в него могут быть внесены многочисленные изменения, не выходящие за пределы приложенной формулы изобретения.

1. Водная известково-магнезиальная суспензия, содержащая частицы твердого вещества, удельная поверхность которых, рассчитанная по методу BET, перед суспендированием составляет не более 10 м²/г, и частицы твердого вещества отвечают формуле:

xCa(OH)₂·(1-x)MgO·yH₂O,

где 0<х≤1 и у≤(1-х), при этом у и х означают мольные доли.

2. Суспензия по п.1, в которой упомянутые частицы имеют удельную поверхность, рассчитанную по методу BET, равную не более 8 м²/г, предпочтительно не более 5 м²/г.

3. Суспензия по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она обладает динамической вязкостью, составляющей не более 1,2 Па·с.

4. Суспензия по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит твердое вещество в количестве более 25%, предпочтительно более 40%.

5. Суспензия по п.3, отличающаяся тем, что она содержит твердое вещество в количестве более 25%, предпочтительно более 40%.

6. Суспензия по п.1 или 2, отличающаяся тем, что гранулометрический размер d₉₈ составляет менее 20 мкм, предпочтительно не более 5 мкм.

7. Суспензия по п.3, отличающаяся тем, что гранулометрический размер d₉₈ составляет менее 20 мкм, предпочтительно не более 5 мкм.

8. Способ приготовления водной известково-магнезиальной суспензии по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что он включает в себя суспендирование твердого известково-магнезиального вещества, частицы которого имеют удельную поверхность, рассчитанную по методу BET и составляющую не более 10 м²/г, в водной среде, и частицы твердого вещества отвечают формуле:

xCa(OH)₂·(1-x)MgO·yH₂O,

где 0<х≤1 и у≤(1-х), при этом у и х означают мольные доли.