Способ получения синтетического диоксида кремния высокой чистоты

Изобретение относится к способу получения синтетического диоксида кремния высокой чистоты. Способ включает взаимодействие кварцсодержащего сырья с фторидом, гидродифторидом аммония или их смесью, сублимационное отделение кремнефторида аммония для очистки от примесей металлов, улавливание газообразного кремнефторида аммония, его десублимацию, растворение кремнефторида аммония в воде, обработку раствора аммиачной водой с последующим отделением синтетического диоксида кремния. Очистку кремнефторида аммония от примесей неметаллов проводят на стадии улавливания газообразного кремнефторида аммония через его десублимацию при температуре 70-120°C. Технический результат: сокращение количества стадий проведения процесса. 5 пр.

 

Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано в случаях, когда необходимо получить высокочистый синтетический диоксид кремния.

Известен способ получения диоксида кремния [RU 2357925 C1, МПК C01B33/12 (2006.01), опубл. 10.06.2009], заключающийся в том, что проводят механическое смешение исходного кремнийсодержащего сырья и фторида - гидродифторида аммония при комнатной температуре до прекращения выделения аммиака и воды. Полученную шихту нагревают до температуры 320-340°С до полного отделения газообразного гексафторсиликата аммония. Гидролиз газообразного гексафторсиликата аммония проводят орошением аммиачной водой.

Этот способ позволяет получить диоксид кремния сорта «белая сажа».

Недостатками способа является отсутствие возможности очистки целевого продукта от примесей легколетучих соединений, в частности бора и фосфора; невозможность контроля процесса гидролиза кремнефторида аммония - стадии образования первичных частиц диоксида кремния, определяющей конечные свойства целевого конечного продукта (синтетического тонкодисперсного диоксида кремния) и ограничивает области его применения.

Известен способ получения синтетического диоксида кремния высокой чистоты [RU 2458006 C2, МПК C01B 33/12 (2006.01), опубл. 10.08.2012], выбранный в качестве прототипа, который включает взаимодействие исходного кварцсодержащего сырья с фторидом, гидродифторидом аммония или их смесью при нагревании с получением кремнефторида аммония и фторидов примесных элементов. Полученный кремнефторид аммония очищают от примесей металлов сублимационной перегонкой. Раствор кремнефторида аммония в воде очищают от примесей неметаллов экстракцией. Затем аммиачной водой осаждают из раствора кремнефторида аммония синтетический диоксид кремния.

Недостатком этого способа является сложность и многостадийность процесса, включающего очистку от примесей неметаллов экстракцией.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа получения синтетического диоксида кремния высокой чистоты, позволяющего сократить количество стадий проведения процесса.

Предложенный способ получения синтетического диоксида кремния высокой чистоты заключается в том, что кварцсодержащее сырье смешивают с фторидом, гидродифторидом аммония или их смесью в стехиометрическом соотношении для образования кремнефторида аммония по реакции:

SiO₂+6NH₄F=(NH₄)₂SiF₆+4NH₃+2H₂O.

Процесс ведут до прекращения выделения аммиака и воды. Для интенсификации фторирования возможно нагревание шихты, перемешивание шихты, понижение давления в реакторе фторирования. Для очистки кремнефторида аммония от примесей металлов проводят его сублимацию в интервале температур 280-350°C, при этом примеси металлов остаются в твердом виде. Очистку кремнефторида аммония от примесей неметаллов, в том числе бора и фосфора, проводят на стадии улавливания кремнефторида аммония при температуре 70-120°C через его десублимацию. Десублимированный кремнефторид аммония растворяют в воде, добавляют аммиачной воды в стехиометрическом количестве, необходимом для протекания реакции образования синтетического диоксида кремния:

(NH₄)₂SiF₆+4NH₄OH=SiO₂+6NH₄F+2H₂O.

Твердый диоксид кремния отделяют от раствора фторида аммония, проводят дегидратацию до товарного продукта с требуемой остаточной влажностью. Раствор фторида аммония после отделения диоксида кремния подвергают концентрированию, кристаллизации для использования в переработке следующей партии кварцсодержащего сырья.

Оптимальная температура 70-120°C улавливания газообразного кремнефторида аммония для очистки от примесей неметаллов определена в ходе исследований содержания примесей в образцах десублимированного кремнефторида аммония, полученных при разных температурах. Исследования проводили с использованием метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Исследования показали, что проведение улавливания газообразного кремнефторида аммония через его десублимацию при температуре выше 70°C обеспечивает очистку от примесей неметаллов, улавливание при температуре выше 120°C приводит к значительному снижению скорости процесса.

Таким образом, определены оптимальные температурные режимы улавливания газообразного кремнефторида аммония через его десублимацию, позволяющие получить синтетический диоксид кремния высокой чистоты. В предложенном способе для получения синтетического диоксида кремния высокой чистоты по сравнению с прототипом не требуется экстракция раствора кремнефторида аммония в воде для очистки от примесей неметаллов.

Пример 1. Навеску кварцсодержащего сырья (содержание SiO₂ 98,5%) массой 100 г смешивали с 285 г гидродифторида аммония и выдерживали при 95°C до прекращения выделения газообразных продуктов реакции. Полученный продукт нагревали до 320°C и выдерживали при этой температуре до полного удаления кремнефторида аммония в виде газа. Газообразный кремнефторид аммония улавливали через его десублимацию при температуре 100°C, растворяли в 1120 мл воды, смешивали с 350 г аммиачной воды (25% по NH₃). Твердый продукт реакции отфильтровывали, промывали водой, сушили, прокаливали. Масса полученного диоксида кремния составила 98,3 г.

Пример 2. Отличается от примера 1 тем, что смесь кварцсодержащего сырья и гидродифторида аммония выдерживали без нагревания до прекращения выделения газообразных продуктов реакции. Газообразный кремнефторид аммония улавливали через его десублимацию при температуре 70°C. Масса полученного диоксида кремния составила 97,8 г.

Пример 3. Отличается от примера 1 тем, что кварцсодержащее сырье (содержание SiO₂ 98,9%) смешивали с 380 г фторида аммония. Газообразный кремнефторид аммония улавливали через его десублимацию при температуре 120°C. Масса полученного диоксида кремния составила 98,4 г.

Пример 4. Отличается от примера 3 тем, что газообразный кремнефторид аммония улавливали через его десублимацию при температуре 80°C. Масса полученного диоксида кремния составила 98,6 г.

Пример 5. Отличается от примера 1 тем, что кварцсодержащее сырье (содержание SiO₂ 98,9%) смешивали со смесью из 145 г гидродифторида аммония и 190 г фторида аммония. Масса полученного диоксида кремния составила 98,4 г.

Способ получения синтетического диоксида кремния высокой чистоты, включающий взаимодействие кварцсодержащего сырья с фторидом, гидродифторидом аммония или их смесью, сублимационное отделение кремнефторида аммония для очистки от примесей металлов, улавливание газообразного кремнефторида аммония, его десублимацию, растворение кремнефторида аммония в воде, обработку раствора аммиачной водой с последующим отделением синтетического диоксида кремния, отличающийся тем, что очистку кремнефторида аммония от примесей неметаллов проводят на стадии улавливания газообразного кремнефторида аммония через его десублимацию при температуре 70-120°C.