Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНОГО АМОРФНОГО КРЕМНЕЗЕМА

Область техники

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к неорганическому продукту, используемому в качестве активных ингредиентов для строительных и фильтрационных материалов, а так же биологически активных добавок.

Предшествующий уровень техники

Наиболее близким к заявляемому составу является патент РФ на изобретение №2387608 «СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНОГО АМОРФНОГО КРЕМНЕЗЕМА», МПК C04В 22/06, C04В 103/61. Изобретение относится к промышленности строительных материалов и, в частности, к производству модифицированных добавок для бетонов, строительных растворов и сухих строительных смесей. Технический результат изобретения - обеспечение однородного продукта обжига по составу, устранение недожога и пережога исходного сырья, повышение прочности бетонов и растворов, повышение стойкости к коррозии. В способе получения тонкодисперсного аморфного кремнезема, включающем измельчение кремнистой породы с последующим обжигом, в качестве кремнистой породы используют опал-кристобалитовую породу, предварительно высушенную до влажности 1-5%, осуществляют измельчение до размера частиц 0-5 мм, обжиг - с температурой газов при входе в печь 650-1000°С, затем - подачу обожженного материала с температурой 70-90°С в мельницу-активатор с помолом его до удельной поверхности 200-4000 м²/кг.

Недостатком данного способа является то, что при обжиге происходит переход аморфного кремния в кристаллический, это увеличивает прочность продукта, но снижает его биодоступность и эффективность в таких областях как сорбционная очистка пищевых и непищевых жидкостей, косметология, животноводство и т.д.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения тонкодисперсного аморфного кремнезема, который позволяет изготавливать продукт с высоким содержанием аморфного кремния и характеристиками, позволяющими использовать данный продукт в таких областях как сорбционная очистка пищевых и непищевых жидкостей, косметология, животноводство и других областях, в которых требуется материал с высокими сорбционными характеристиками и максимальным количеством биодоступного кремния.

Поставленная задача решается за счет того, что способ получения тонкодисперсного аморфного кремнезема, включает в себя измельчение и сушку опал-кристобалитовой породы. Предварительно измельчают опал-кристобалитовую породу до размеров не более 5 см. Готовят сушильно-дробильный агрегат: после включения начинают постоянную подачу подогретой в теплогенераторе до температуры 150-600°С воздушно-газовой смеси. После чего подготовленную опал-кристобалитовую породу подают на входную ленту сушильно-дробильного агрегата через дозирующее устройство, которое взаимосвязано с ротором и горелкой агрегата. Затем породу подают в роторный отдел, где ее дробят при постоянной подаче подогретой воздушно-газовой смеси, в результате чего получают порошок с размером частиц от 0,01 до 350 мкм и влажностью от 1% до 5%. Далее полученный порошок подают в дымоход, в котором в результате теплообмена с окружающим воздухом порошок охлаждают. Затем подают в рукавный фильтр, проходя через который тонкодисперсный порошок с высоким содержанием аморфного кремния осаждают в шнековом отделе, а очищенный в фильтре воздух уводят в окружающую среду.

Распространение в природе. Содержание свободного кремния диоксида в земной коре 12%; он входит также в состав горных пород в виде различных силикатов или смесей с другими минералами (граниты). Кварц - один из наиболее распространенных минералов, намного реже встречаются тридимит, кристобалит, лсшательит (природное кварцевое стекло), халцедоны, опалы. Мелкие, различно ориентированные кристаллы кварца образуют "жильный" кварц. При разрушении горных пород возникают кварцевые пески, уплотнение которых приводит к образованию песчаников и кварцитов. Наиболее чистый кварц - горный хрусталь, кристаллы которого могут достигать нескольких метров и весить десятки тонн. Монокристаллы кварца прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или окрашены примесями в фиолетовый (аметист), черный (марион), желтый (цитрин), дымчатый (раух-топаз) цвета. Разновидности скрыто-кристаллических формы кварца: розово-красный сердолик, синеватый сапфирин, яблочно-зеленый хризопраз, полосчатые агаты и ониксы, тонко-окрашенная яшма, кремни и роговики. Уникален аморфный "благородный" опал, состоящий из однородных коллоидных частиц диаметром 0,1-0,3 мкм, плотно упакованных в упорядоченные агломераты; содержание воды в нем менее 1% по массе (для большинства рядовых опалов 4-9%). Природные месторождения кремнезема образуют также трепел, опока, диатомит и др. Из кремнезема построены панцири диатомовых водорослей, скелеты некоторых губок; он упрочняет стебли растений: хвощей, бамбука, тростника; содержится в соломе. Кремния диоксид отвечает за окремнение форм живых организмов и растений. В крови и плазме человека концентрация кремнезема составляет 0,001% по массе.

В результате применения данного способа получают тонкодисперсный аморфный кремнезем, обладающий следующими свойствами:

1. большей удельной поверхностью, в отличие от кристаллического кремнезема, поэтому его используют в технологии виноделия. Тонкодисперсный аморфный кремнезем образует густую фильтрующую сетку, прекрасно осаждающую взвешенные в вине частицы и даже коллоиды;

2. наличием алюмосиликатных участков, обладающих сорбционной активностью;

3. наличием опаловых форм кремния (аморфный не кристаллический кремнезем), позволяющих полученному данным способом тонкодисперсному аморфному кремнезему придавать новые свойства различным составам, материалам и продуктам, например, при смешивании тонкодисперсного аморфного кремнезема с воздушной известью, смесь приобретает свойство гидравлического вяжущего, а при смешивании тонкодисперсного аморфного кремнезема с портландцементом повышается его сульфатостойкость;

4. способностью в качестве активной минеральной добавки связывать известь в низкоосновные гидросиликаты кальция по схеме: SiO₂+Ca(OH)₂+n(H₂O)=CaOSiO₂H₂O;

5. способностью связывать гидроксид кальция в присутствии воды при обычной температуре (благодаря наличию высокого количества кремния в реакционно способной форме);

6. высокой обменной емкостью и сорбционной активностью, что позволяет использовать его для приготовления высокоактивных отбеливающих земель, эффективно осветляющих растительные и минеральные масла за счет полного связывания красителей и фосфатов;

7. особенной структурой, которая способна служить матрицей для формирования структуры полимерных составов, а как следствие, загущать (повышать вязкость) текучие составы, повышать прочностные характеристики и износостойкость таких материалов, как пластик, резина, каучук и пр. Также данное свойство используют при производстве красок, лаков, клеев, герметиков, паст, мазей, смазок, пластмасс и т.д.;

8. наличием полифункциональных центров, позволяющих в сочетании с большой удельной поверхностью, связывать и выводить из организма животных и человека различные токсины, соли тяжелых металлов, радионуклиды.

Реализация изобретения

Фиг. 1 График зависимости основных параметров работы оборудования от скорости подачи исходного материала влажностью 48% при получении тонкодисперсного аморфного кремнезема с размером частиц менее 50 мкм.

Фиг. 2 График зависимости основных параметров работы оборудования от скорости подачи исходного материала влажностью 50% при получении аморфного кремнезема с размером частиц менее 50 мкм.

Способ получения тонкодисперсного аморфного кремнезема, включающий следующие действия:

1. опал-кристобалитовую породу измельчают до размеров не более 5 см, при этом определяют ее входную относительную влажность, от чего впоследствии будет зависеть режим настройки сушильно-дробильного агрегата;

2. запускают сушильно-дробильный агрегат;

3. подогревают горелкой воздушно-газовую смесь в теплогенераторе, при этом температурный режим в теплогенераторе поддерживают в пределах 150-600°С;

4. подают подогретую воздушно-газовую смесь с помощью дымососа в роторный отдел;

5. подготовленную опал-кристобалитовую породу подают на входную ленту сушильно-дробильного агрегата через дозирующее устройство;

6. порода попадает в роторный отдел, где ее дробят при постоянной подаче подогретой воздушно-газовой смеси;

7. получают порошок с размером частиц от 0,01 до 350 мк и влажностью 1-5%, при этом материал, сохраняя природный аморфный кремний, приобретает необходимую тонкодисперсность, влажность и однородность;

8. в процессе воздушной транспортировки по воздуховодам происходит теплообмен с окружающим воздухом и остывание порошка;

9. охлажденный порошок, попадая в рукавный фильтр, осаждается на поверхности фильтровальных рукавов, а охлажденный очищенный воздух выходит через выходную трубу в атмосферу;

10. При формировании избытка порошка на поверхности ткани фильтра, воздушная проницаемость падает, и происходит автоматическое встряхивание рукавов;

11. порошок под действием силы тяжести осыпается в нижний отдел фильтра, откуда с помощью шнека поступает на упаковку.

Точные параметры и режимы работы сушильно-дробильного агрегата зависят от требуемой фракции готового продукта, объема подаваемой подготовленной опал-кристобалитовой породы, объема подаваемой подогретой воздушно-газовой смеси и необходимой производительности (см. фиг. 1, фиг. 2).

Примеры применения тонкодисперсного аморфного кремнезема

Пример 1

Для производства диатомитовых теплоизоляционных формованных изделий способом выгорающих добавок брали произведенный предлагаемым способом тонкодисперсный аморфный кремнезем и смешивали с органическими дисперсными добавками, после чего смесь увлажняли. Экструзионным способом из полученной массы формировали изделия, подвергающиеся дальнейшему обжигу. В процессе обжига органические добавки выгорали с образованием пор, а частицы диатомита спекались до приобретения изделием необходимой прочности. Массы, на основе тонкодисперсного аморфного кремнезема, способны удерживать большое количество воды, обладая при этом высокой пластической прочностью, необходимой для сохранения формы сырцом после формирования экструзионным способом. Например, из кирпичных глин на ленточном процессе можно получить сырец с влажностью 22-25%, а из опилочно-диатомитовых масс 60-80% (по массе).

Пример 2.

При производстве лаков на ООО «Краски СПБ» г. Санкт-Петербург был использован тонкодисперсный аморфный кремнезем от 0,01 до 50 мкм для повышения прочности пленки, сопротивляемости трению, низким температурам, придачи лакам матовости. Частицы тонкодисперсного аморфного кремнезема распределяются в слое лака по всей площади, при этом: повышая прочность, долговечность, укрывистость; образуя дополнительные связи, улучшающие адгезию последующих слоев. Именно тонкодисперсная пористая структура тонкодисперсного аморфного кремнезема придает лаку эластичность, стойкость к растрескиванию при атмосферных воздействиях. Химическая инертность в сочетании с твердостью диатомовой структуры делает полученные материалы практически идеальными для длительной эксплуатации даже в агрессивных средах. Благодаря разнообразным формам микроскопических частиц при попадании на них и рассеивании света может создаваться любая степень необходимого блеска.

Пример 3.

В хозяйстве ООО «Богатырская Слобода» г. Тольятти Самарской обл. в производстве выращивания зеркального карпа был использован комбикорм с минеральными добавками. В качестве одного из компонентов минеральной составляющей был взят тонкодисперсный аморфный кремнезем. Суточная доза корма с учетом температуры содержания растворенного кислорода и массы рыбы составила 3 г/кг. Были сформированы две группы рыб, в одной из которых использовали обычный корм, а в другой, корм с содержанием тонкодисперсного аморфного кремнезема. Результаты опыта, проводимого в течение 6 недель, представлены в таблице 1.

По данным представленным в таблице видно, что живая масса карпа в начале откорма варьировалась с незначительными отклонениями в обеих группах в пределах от 18,15 до 18,2. На всем протяжении откорма рыба в опытной группе более интенсивно набирала вес и рост. При дальнейшем наблюдении за поведенческими реакциями было отмечено, что карпы в опытной группе быстрее адаптировались к изменению в рационе, чем контрольная группа.

Таблица 1

Преимущества способа получения тонкодисперсного аморфного кремнезема:

- За счет щадящей обработки в условиях одновременной сушки и измельчения диатомита происходит разлом материала по границам створок диатомей, позволяя сохранять наноразмерные поры и увеличивать удельную поверхность.

- За счет бережной сушки в воздушном потоке сохраняется опаловая форма кремнезема (аморфная форма), обуславливающая особые свойства получаемого продукта, в то время как при обжиге происходит переход аморфного кремния в кристобалит и тридимит, которые не способны принимать участие в сорбционных процессах.

- Заявленный способ позволяет получать продукт с различным гранулометрическим составом и разнообразной влажностью при сохранении аморфного кремния за счет мобильности технологических параметров.

Все вышесказанное подтверждает выполнение поставленной задачи, а именно, создание способа получения тонкодисперсного аморфного кремнезема, который позволяет получить продукт с высоким содержанием аморфного кремния и с характеристиками, позволяющими его использовать в таких областях, как сорбционная очистка пищевых и непищевых жидкостей, косметология, животноводство и других областях, в которых требуется материал с высокими сорбционными характеристиками и максимальным количеством биодоступного кремния.

Промышленная применимость доказана примерами 1, 2, 3.