СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО СТЕКЛА

Изобретение относится к технологии получения жидкого стекла, применяемого в производстве осажденного кремнезема.

Осажденный диоксид кремния (кремнезем) - белая сажа, находит широкое применение в резинотехнической промышленности, здравоохранении, медицине, парфюмерии, пищевой промышленности, в производстве высококачественных лакокрасочных материалов и пластмасс и должен соответствовать следующим требованиям:

- содержание SiO₂ не менее 98%;

- содержание Fe₂О₃ не более 0,05%;

- рН водной суспензии 7.

В настоящее время основным сырьем для получения белой сажи служит жидкое натриевое стекло по ГОСТ 13078-81, представляющее собой густую жидкость желтоватого или сероватого цвета, без механических включений, содержащее 0,2% суммы оксидов железа и алюминия, в том числе 0,05% оксида железа, 0,05% оксида кальция, 0,07% серного ангидрида, силикатный модуль 2,6-3,0.

Жидкое стекло получают двумя способами: растворением силикат-глыбы в воде (Пат. РФ 2207321, 2229438; В.И.Корнеев, В.В.Данилов. Производство и применение растворимого стекла. Л.: Стройиздат, 1991. 177 с.), так называемый дуплекс-процесс, и непосредственным растворением кремнеземсодержащего материала в щелочи (Пат. РФ 2220906, 2238242, 2004431).

Получение жидкого стекла из силикат-глыбы состоит из 2-х стадий. Сначала при температуре 1000-1400°С из кремнеземсодержащего сырья и соды или сульфата натрия получают силикат-глыбу, которую затем растворяют в горячей воде при повышенном давлении в автоклаве, вибрационном смесителе или мельнице.

Недостатками дуплекс-процесса являются:

- сложность аппаратурного оформления;

- большой расход электрической и тепловой энергии;

- низкое качество получаемого стекла, поскольку все примеси из сырья переходят в жидкое стекло;

- значительные капитальные и эксплуатационные затраты из-за высокой стоимости стекловарочных печей и их ремонта.

Для прямого получения жидкого стекла гидротермальным способом кремнеземсодержащее сырье обрабатывают раствором щелочи определенной концентрации. В качестве кремнеземсодержащего материала используют природное сырье как в кристаллическом виде - кварцевый песок (Пат. РФ 2220906, заявка РФ 2002114847 /15), так и в аморфном - диатомит (Пат. РФ 2064431), трепел (Пат. РФ 2063665), опока (А.с. СССР 1611860), перлит (А.с. СССР 1636336) и др.

Недостатками известных способов получения жидкого стекла являются следующие. При использовании кварцевого песка наблюдается низкая скорость его растворения. Для ускорения процесса песок измельчают, процесс варки ведут в автоклавах при повышенной температуре (200-250°С) и давлении в течение 3-5 ч. При этом получается вязкое, плохо отстаивающееся жидкое стекло с высоким содержанием оксидов железа, алюминия и водонерастворимых веществ.

Присутствие значительного количества примесей в природном кремнеземсодержащем сырье является источником загрязнения жидкого стекла, вызывает появления в нем как водонерастворимых веществ, так и растворенных солей, ухудшающих его свойства. Примеси в сырье приводят к значительному перерасходу дефицитной и дорогостоящей щелочи.

Определенная часть примесей после варки жидкого стекла может быть выделена за счет его отстаивания и фильтрования. Однако этот прием не всегда обеспечивает требуемое качество жидкого стекла и во многих случаях неоправдан с технико-экономических позиций. Поэтому использование природных разновидностей аморфного кремнезема (трепела, опоки, диатомита и др.), несмотря на хорошие показатели их растворения в щелочи, является нецелесообразным.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ получения высококачественного жидкого стекла (Пат РФ №2238242, МПК⁷ С01В 33/32) - прототип. Сущность способа заключается в следующем. Сначала готовят суспензию из кремнеземсодержащего аморфного вещества - микрокремнезема и добавки «карамель» - промежуточного продукта сульфатно-целлюлозной переработки древесины в растворе гидроксида натрия при соотношении твердой и жидкой фаз 1:(0,97-1,03). Затем проводят гидротермальную обработку смеси.

Недостатками данного способа являются:

- использование кремнезема в тонкоизмельченном состоянии, что приведет к ухудшению фильтрационных свойств полученной суспензии для отделения твердого остатка;

- наличие сульфат-ионов, которые при варке переходят в жидкое стекло, что приводит к ухудшению его качества.

Технический результат заключается в расширении сырьевой базы производства жидкого стекла высокого качества, используемого для получения осажденного кремнезема, и снижения материальных затрат.

Технический результат достигается следующим образом. В качестве сырья для получения жидкого стекла высокого качества используют аморфный гидратированный кремнезем, попутно получаемый в результате выщелачивания минеральной кислотой подготовленной фракции серпентинита, являющегося сырьем для производства магния, его оксида и различных солей в зависимости от используемой кислоты. Аморфный гидратированный кремнезем смешивают с раствором гидроксида натрия с последующей гидротермальной обработкой и фильтрованием. Получаемое жидкое натриевое стекло находит применение для производства белой сажи (осажденного кремнезема).

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 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 кремнеземсодержащего материала используют остаток, полученный путем выщелачивания серпентинита минеральной кислотой (азотной, серной, соляной), который содержит частицы крупностью по фракциям с шагом 0,3-0,4 мм с нижним пределом первой фракции 0,1 мм и верхний предел последней - 1,2 мм.

На основании проведенных иследований установлено, что при использовании частиц аморфного гидратированного кремнезема определенного размера происходит равномерное их растворение в щелочи при нагревании. При использовании частиц аморфного кремнезема более 1,2 мм уменьшается скорость их растворения в щелочи, а при крупности менее 0,1 мм ухудшаются фильтрационные свойства полученного жидкого стекла.

Диоксид кремния, полученный выщелачиванием серпентинита минеральной кислотой, является аморфным, обладает высокой активностью, что позволяет вести процесс получения жидкого стекла при температуре не ниже 80°С, при нормальном атмосферном давлении в течение 0,5-1 часа.

Получаемое при этих условиях жидкое стекло содержит не более 0,05% оксидов железа, кальция и магния, двуокиси кремния 25-27,5%, окиси натрия 6,9-7,8% и имеет заданный силикатный модуль.

Ниже приведены примеры осуществления данного способа.

Пример 1.

1 кг аморфного диоксида кремния, полученного после выщелачивания серпентинита минеральной кислотой, например, соляной, содержащего 95% SiO₂, остальное - примеси (силикаты, оксиды, шпинели), нерастворимые в щелочи, и имеющего размер частиц -0,5+0,1 мм, смешали с 2,2 кг 13%-ного раствора гидроксида натрия. Смесь нагрели до 90°С при атмосферном давлении в течение 0,5 ч. Полученную суспензию отфильтровали. Непрореагировавший осадок промыли водой. Получено 185,6 г влажного осадка, содержащего, мас. %: 45,8 SiO₂; 26,9 оксидов металлов; 7,3 связанной воды и 20,0 адсорбционной воды. Этот осадок использовали для приготовления бетона, промводы для получения раствора гидроксида натрия массовой концентрацией 13%.

После фильтрования получено 3014 г бесцветного жидкого стекла плотностью 1,21 г/см³ с силикатным модулем 3,6. Содержание примесей составило мас. %: ∑Fe₂O₃, Al₂O₃ - 0,04; ∑CaO, MgO - 0,05; водонерастворимых веществ - 0,08; SiO₂ - 26,8; Na₂O - 7,7.

Пример 2.

1 кг аморфного диоксида кремния состава, приведенного в примере 1, смешали с 1,82 кг 15% раствора гидроксида натрия, нагрели до 90°С в течение 1 ч. Полученную суспензию отфильтровали. Непрореагировавший осадок промыли на фильтре водой. Получено 180 г влажного осадка, содержащего, мас. %: 44,7 SiO₂; 28,3 оксидов металлов, 7 связанной воды и 20 адсорбированном воды. Осадок использовали для получения строительных смесей, а промводы для приготовления раствора гидроксида натрия необходимой концентрации.

После фильтрования получено 2820 г прозрачного жидкого натриевого стекла плотностью 1,26 г/см³ с силикатным модулем 3,7. Содержание примесей составило, мас. %: ∑Fe₂О₃, Al₂O₃ - 0,05; ∑CaO, MgO - 0,05; водонерастворимых веществ - 0,1; SiO₂ - 27,4; Na₂O - 7,6.

Таким образом, предлагаемый способ получения жидкого стекла позволяет расширить сырьевую базу для получения высококачественного стекла с низким содержанием примесей, используемого в производстве осажденного кремнезема - белой сажи и значительно снизить материальные затраты при производстве жидкого стекла из аморфного гидрагированного кремнезема.