Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНОГО РАСТВОРА БИКАРБОНАТА МАГНИЯ

Изобретение относится к неорганической химии, а именно, к получению раствора бикарбоната и может быть использовано в промышленности строительных материалов в качестве жидкости затворения для получения водостойкого магнезиального вяжущего и изделий на его основе, а также в химической промышленности при получении чистых магнезиальных материалов бикарбонатным способом.

Известен способ получения водного раствора бикарбоната магния [US 20050255174 A1, МПК A61K 33/10, опубл. 17.11.2005], по которому получают раствор бикарбоната магния с оптимальной концентрацией по бикарбонат-иону 500-700 мг/л с рН не более 8,0-8,6. Для приготовления такого раствора используют магнезиальные вещества, карбонат магния, гидроксид магния или гидроксокарбонаты магния. Наиболее подходящим является пентагидрат гидроксикарбоната магния или диппенгит 4MgCO₃⋅Mg(OH)₂⋅5H₂O, полученный искусственным путем. Общее давление карбонизации составляет 0,05-0,5 МПа. Длительность процесса карбонизации до 6 часов. По указанному способу получают водный раствор бикарбоната магния для перорального применения лекарственных средств при снижении кислотности организма, поэтому концентрация раствора низкая.

Способ является дорогостоящим из-за необходимости многократного очищения воды и использования искусственных, специально полученных, чистых карбонатов магния.

Известен способ получения водного раствора бикарбоната магния [RU 2404144 C1 МПК C04B 9/00 (2006.01), опубл. 20.11.2010], включающий карбонизацию суспензии каустического магнезита в автоклаве при давлении углекислого газа 0,5-1,0 МПа. При контакте суспензии каустического магнезита с углекислым газом, растворенным в воде, протекают реакции, в результате которых образуется раствор бикарбоната магния с концентрацией до 35 г/л, определенной методом выпаривания по сухому остатку. Для получения раствора бикарбоната магния используют каустический магнезит, полученный при температуре 800°C. Для обеспечения протекания реакций и получения раствора Mg(HCO₃)₂ необходимой концентрации углекислый газ подают в автоклав под большим давлением.

Известен способ получения раствора бикарбоната магния [SU 1495300 A1, МПК4 C01F 5/24, опубл. 23.07.1989], выбранный в качестве прототипа, включающий репульпирование измельченного магнезиального сырья водой в автоклаве с мешалкой и карбонизацию полученной суспензии диоксидом углерода. Раствор бикарбоната магния получают при общем давлении 0,5 МПа и парциальном давлении диоксида углерода 0,2 МПа углекислого газа из каустического магнезита, который получен при температуре 800°C.

Такой каустический магнезит должен обладать высокой активностью при содержании активного MgO не менее 93-95%. Концентрация получаемого по данному способу раствора бикарбоната магния составляет 24,8-26,8 г/л (метод выпаривания по сухому остатку).

К магнезиальному сырью предъявляют повышенные требования по содержанию активного MgO в каустическом магнезите, что вызывает необходимость применения только свежеобожженого при 800°C высокомагнезиальной породы. Процесс карбонизации в автоклаве протекает при повышенном давлении углекислого газа - 0,5 МПа.

Предложенное изобретение позволяет осуществить получение раствора бикарбоната магния по упрощенной технологии с повышенной концентрацией и с применением природного недорогостоящего магнезиального сырья.

Способ получения водного раствора бикарбоната магния также, как в прототипе, включает карбонизацию водной суспензии магнезиального сырья в среде углекислого газа в автоклаве с мешалкой.

Согласно изобретению, в качестве магнезиального сырья используют предварительно прокаленную при 400°C гидромагнезитовую породу. Процесс карбонизации суспензии проводят в автоклаве при общем давлении углекислого газа 0,2 МПа в течение 30 мин.

Гидромагнезитовая порода представляет собой смесь минералов гидрокарбонатов магния - гидромагнезита Mg₅(CO₃)₄(OH)₂⋅4H₂O, дипингита Mg₅(CO₃)₄(OH)₂⋅5H₂O, несквигонита Mg(HCO₃)(OH)⋅2H₂O, а также серпентинитовых минералов в виде клинохризотила Mg₃Si₂O₅(OH)₄, образованных при выветривании ультраосновных пород - дунитов, базальтов, а также их метаморфических последователей - магнезитов, серпентинитов. Они залегают в виде прожилок и корок в серпентинитах и магнезитах и представляют собой серую высокодисперсную рыхлую породу. Гидромагнезитовая порода имеет следующий химический состав, мас. %: MgO 43,32, SiO₂ 9,86, Al₂O₃ 0,69, СаО 0,52, Fe₂O₃ 1,17, MnO 0,03, Δm_пр 45,33. Большое значение потерь при прокаливании подтверждает гидрокарбонатную структуру.

В силу своей уникальной минералогической и структурной особенности гидромагнезитовая порода наиболее хорошо подходит для получения водного раствора бикарбоната магния. При термообработке до 800-1000°C данная порода проходит ступенчатое преобразование, постепенно теряя структурную воду и претерпевая декарбонизацию:

При этом значительно возрастает удельная поверхность проб за счет образования дефектной структуры. Это является благоприятным фактором при проведении карбонизации, которая проходит по следующим реакциям:

Термическая обработка гидромагнезитов при температуре 400°C позволяет получить высокодефектный продукт xMgCO₃⋅yMg(ОН)₂, прошедший дегиратацию, частичное дегидроксилирование и начальную декарбонизацию. Данная дефектная структура в большей степени подвержена растворению и переходу бикарбонат-ионов и катионов магния Mg²⁺ в раствор в присутствии растворенного в воде СО₂, вследствие чего концентрация водного раствора бикарбоната магния по бикарбонат-иону будет наибольшая без применения повышенного давления углекислого газа в автоклаве.

Таким образом, использование гидромагнезитовой породы, прокаленной при температуре 400°C, позволяет получать водный раствор бикарбоната магния с концентрацией 38 г/л при карбонизации под давлением углекислого газа 0,2 МПа в течение 30 мин.

По сравнению с прототипом существенным отличием предлагаемого способа является отсутствие необходимости применения повышенного давления газа CO₂, что значительно упрощает технологию получения раствора бикарбоната магния.

Пример.

Для приготовления водного раствора бикарбоната магния использовали тонкоизмельченную до удельной поверхности 280-350 м²/г гидромагнезитовую породу Халиловского месторождения следующего химического состава, мас. %: MgO 43,32, SiO₂ 9,86, Al₂O₃ 0,69, СаО 0,52, Fe₂O₃ 1,17, MnO 0,03, Δm_пр 45,33. Породу прокаливали в муфельной печи при температуре 400°C с выдержкой 1 час. При этой температуре получили дегидратированный высокоактивный гидромагнезит по реакции (1). В автоклав периодического действия емкостью 5 литров, снабженный перемешивающим устройством с числом оборотов 4,0-6,0 мин^-1, загрузили воду с температурой 20°C и прокаленный порошок гидромагнезитовой породы в соотношении 10 г порошка на 1 л воды. Автоклав герметично закрыли, подключили перемешивающее устройство для перевода твердых частиц во взвешенное состояние и их репульпирования водой. При этом частицы прокаленного гидромагнезита начинают взаимодействовать с водой. После перешивания суспензии в течение 30 сек, в автоклав из баллона подали углекислый газ под давлением 0,2 МПа. Процесс карбонизации проводили в течение 30 мин при непрерывном перемешивании. После завершения процесса карбонизации прекратили подачу газа CO₂, открыли автоклав, водный раствор бикарбоната перелили в приемные емкости.

Концентрация приготовленного водного раствора бикарбоната магния, определенная титриметрическим способом, по бикарбонат иону составила 3512 мг/л (3,5 г/л), Mg²⁺ - 227 мг/л. Концентрация раствора по методу выпаривания составила 38 г/л. При хранении при нормальных условиях данный раствор практически не меняет концентрацию.

Получаемый таким образом водный раствор бикарбоната магния можно использовать в качестве жидкости затворения при получении водостойкого магнезиального вяжущего, обладающего высокими эксплуатационными свойствами, в том числе коррозионной стойкостью в агрессивных водных средах.