Выбор оптимальных условий щелочной обработки диатомита Инзенского месторождения для получения кристаллических силикатов натрия

Е. Н. Филиппович, А. И. Хацринов, Т. В. Егорова ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ЩЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ДИАТОМИТА ИПЗ1ПСКО1О МЕСТОРОЖДЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СИЛИКАТОВ НАТРИЯ

Ключевые слова: диатомит, гидроксид натрия, растворимость, силикатный модуль,

насыщение, синтез, кристаллизация.

Рассмотрено влияние условий щелочной обработки диатомита Инзенского месторождения Ульяновской области на силикатный модуль растворов силикатов натрия, их состав и состав кристаллических силикатов натрия. Выбраны оптимальные условия щелочной обработки диатомита для получения девятиводного и пятиводного метасиликатов натрия.

Key words: diatomite, sodium hydroxide, solubility, silica modulus, saturation, synthesis,

crystallization.

Influence of alkaline treatment of Inzensky field diatomite of Ulyanovsk district on silica modulus of sodium silicate solutions, it’s composition and crystalline sodium silicates composition were considered. Alkaline treatment optimal conditions of diatomite for sodium metasilicates nona- and pentahydrate obtaining were chosen.

Кристаллические силикаты натрия широко применяются в тех отраслях промышленности, где традиционно используют жидкое стекло, так как они более удобны в транспортировке, хранении и использовании в технологическом процессе.

Одной из важнейших задач в развитии отраслей промышленности нашей страны является разработка и внедрение способов получения химических продуктов, имеющих широкое применение. Интерес к кристаллическим силикатам натрия определяется, наряду с их ценными свойствами, экологической чистотой производства и применения, негорючестью и нетоксичностью, а также во многих случаях дешевизной и доступностью сырья.

Наибольшее промышленное значение имеют кристаллические метасиликаты натрия. Они выделяются при определенных условиях из растворов силикатов натрия, причем растворы с модулем больше 1 не кристаллизуются без добавления натриевых солей. Чем выше модуль раствора силиката натрия, тем большее количество щелочи надо добавлять для того, чтобы были созданы благоприятные условия для выделения кристаллических силикатов натрия [1].

Низкомодульные растворы силикатов натрия получаются путем растворения различных модификаций кремнезема в растворах гидроксида натрия при нагревании. Скорость растворения кремнезема в растворах щелочи во многом зависит от условий щелочной обработки кремнеземсодержащего сырья [2].

Поэтому в процессе работы варьировались такие параметры как продолжительность щелочной обработки, температура щелочной обработки и концентрация гидроксида

натрия. Полученные растворы и кристаллы анализировались на содержание оксидов натрия и кремния, а также на содержание влаги.

В качестве основного объекта исследования был выбран диатомит Инзенского месторождения Ульяновской области. Выбор данного месторождения диатомита обоснован высоким содержанием кремнезема в породе и дешевизной сырья. Химический состав Инзенского диатомита представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав диатомита Инзенского месторождения Ульяновской области, %

8102 П02 А^Оз Рв20з РеО Мп02 СаО МдО Ыа20 К20 Ю 0 2 0. з 0 8 ППП*

81,08 0,32 5,63 2,67 0,01 0,01 0,68 0,87 0,19 1,14 0,08 0,05 7,5

*ППП - потери массы при прокаливании.

Модуль растворов силикатов натрия является косвенным показателем растворимости аморфного кремнезема в растворах щелочей. Поэтому по величине модуля [3] определялись благоприятные оптимальные условия щелочной обработки диатомита Инзенского месторождения Ульяновской области в растворах гидроксида натрия для получения кристаллических силикатов натрия.

В кремнеземсодержащих горных породах содержится некоторое количество органических веществ, которые окрашивают растворы силикатов натрия в темно-бурый цвет, не пропадающий при последующей их переработке. Поэтому диатомит перед щелочной обработкой предварительно приходилось прокаливать. [2]

На основании результатов экспериментов по подбору оптимальных условий термической обработки диатомита Инзенского месторождения Ульяновской области было решено прокаливать диатомит в течение 60 минут при 550°С, поскольку при данной температуре происходило удаление органических примесей, вследствие чего получаемые растворы силикатов натрия имели прозрачную светло-желтую окраску. При этом, согласно химическому анализу, общее содержание оксида кремния в прокаленном при указанных условиях диатомите, составляло в среднем 93%.

Для изучения условий щелочной обработки Инзенского диатомита в растворах гидроксида натрия было принято массовое соотношение диатомит/щелочь равное 1, при этом теоретический модуль приготовленного раствора силиката натрия должен быть равен:

25 • 0 93

М =---------,-----1,032 = 1,2637

25 • 0,775 • 0,98 ,

где 0,775 - доля оксида натрия в гидроксиде натрия составляет 77,5%; 0,98 - доля гидроксида натрия в гидроксиде натрия марки «чда» согласно ГОСТ 4328-77.

Количество воды в системе определялось как количество воды, необходимое для получения растворов гидроксида натрия концентраций: 10, 15, 20, 25, 30%.

При концентрации гидроксида натрия 30% получалась суспензия, которая плохо отфильтровывалась через бумажный фильтр. При концентрации 10% отфильтрованный раствор силиката натрия получался очень разбавленным, и требовал дополнительного продолжительного упаривания. В результате было решено применять гидроксид натрия в виде раствора концентрацией 15, 20, 25%.

Растворимость аморфного кремнезема в растворе гидроксида натрия наблюдали при температурах 25, 50, 75, 90°С при продолжительности 30, 60, 90, 120, 150, 180 мин. Графики экспериментальных данных представлены на рисунках 1-4.

Рис. 1 - Зависимость модуля растворов силикатов натрия от продолжительности синтеза при 25°С

Рис. 2 - Зависимость модуля растворов силикатов натрия от продолжительности синтеза при 50°С

Рис. 3 - Зависимость модуля растворов силикатов натрия от продолжительности синтеза при 75°С

Рис. 4 - Зависимость модуля растворов силикатов натрия от продолжительности синтеза при 90°

Как видно из рисунков 1-4, модуль растворов силикатов натрия, полученных при 25°С, находится в интервале 0,15-0,3. Эти растворы очень хорошо отфильтровывались, поскольку содержание оксида кремния, придающего растворам вязкость, в них было минимально. Из этих растворов выкристаллизовывались кристаллы преимущественно игольчатой формы, по химическому составу соответствующие метасиликату натрия девятиводному [3].

Модуль растворов силикатов натрия, полученных при 50°С, находится в интервале 0,3-0,45. Эти растворы также хорошо отфильтровывались из-за невысокого содержания оксида кремния. Из этих растворов также выкристаллизовывались кристаллы, по химическому составу соответствующие метасиликату натрия девятиводному.

Модуль растворов силикатов натрия, полученных при 75°С, находится в интервале 0,55-0,85. По мере охлаждения раствора до 25°С фильтрация происходила труднее, поскольку содержание оксида кремния было выше. Также известно [2], что вязкость растворов силикатов натрия увеличивается по мере уменьшения температуры. Затруднял фильтрацию, помимо этого, начавшийся процесс кристаллизации. Из этих растворов выкристаллизовывались кристаллы, по химическому составу соответствующие метасиликату натрия девятиводному.

Модуль растворов силикатов натрия, полученных при 90°С находится в интервале

0,8-0,95. По мере охлаждения раствора до 25°С фильтрация также происходила труднее. Из этих растворов также выкристаллизовывались кристаллы, по химическому составу соответствующие метасиликату натрия девятиводному, однако достижение состояния, при котором происходит зарождения центров кристаллизации, происходит медленнее.

Также из рисунков 1-4 видно, что продолжительность щелочной обработки свыше 90 минут незначительно влияет на модуль получаемых силикатов натрия, поэтому указанную продолжительность можно считать оптимальной.

Оптимальной концентрацией гидроксида натрия выбрана 20%, поскольку при концентрации 25% фильтрация суспензии происходила затруднительно вследствие ее большей вязкости, а при концентрации 15% суспензия была разбавленной. При этом, как видно рисунков 1-4, концентрация гидроксида натрия незначительно влияет на величину силикатного модуля, а влияет в большей степени на концентрацию силиката натрия в растворе.

Как указывалось ранее, кристаллические силикаты натрия с меньшим содержанием кристаллогидратной воды получаются при перекристаллизации продуктов с большим

содержанием воды или упариванием разбавленных растворов до необходимой концентрации при соответствующих условиях.

Известно [1], что пятиводный метасиликат кристаллизуется в очень узкой области концентрации Na2SiO3. При этом необходимо насыщение раствора как оксидом натрия, так и оксидом кремния. Насыщение раствора оксидом кремния, согласно

экспериментальным данным, достигается щелочной обработкой диатомита при 75 и 90°С.

Для получения пятиводного метасиликата натрия растворы, полученные щелочной обработкой диатомита 20%-ным раствором гидроксида натрия при 90°С в течение 90 мин, упаривались до концентрации Na2SiO3, равной 53-58%. Следует отметить, что модуль растворов силикатов натрия при упаривании не менялся. Дальнейшее постепенное их охлаждение приводило к кристаллизации пятиводного метасиликата натрия [4]. Введение в раствор готовой кристаллической поверхности (кристаллов метасиликата натрия пятиводного) ускоряло процесс зарождения центров кристаллизации и рост кристаллов.

Упаривание растворов, полученных при более низких температурах (25 и 50°С), аналогичных результатов не дало.

Поэтому оптимальной температурой щелочной обработки диатомита Инзенского месторождения в растворе гидроксида натрия для получения пятиводного метасиликата натрия является температура, равная 75 и 90°С, поскольку при этой температуре достигается наибольший модуль растворов силиката натрия при нормальном давлении по сравнению с модулями растворов, полученных при меньших температурах, и соответственно достигается большее содержание оксида кремния.

Оптимальной температурой щелочной обработки диатомита Инзенского месторождения в растворах гидроксида натрия для получения девятиводного метасиликата натрия является температура, равная 25°С, поскольку из указанных растворов девятиводный метасиликат натрия кристаллизуются с легкостью.

Литература

1. Корнеев, Д.В. Растворимое и жидкое стекло / Д.В. Корнеев, В.В. Данилов. - СПб.: Стройиздат, 1996. - 216 с.

2. Григорьев, П.Н. Растворимое стекло: получение, свойства и применение / П.Н. Григорьев, М.А. Матвеев. - М.: Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1956. - 443 с.

3. ТУ 2145-035-05761270-2002. Метасиликат натрия девятиводный. - Введ. 2002-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 12 с.

4. ТУ 2145-001-52257004-2002. Метасиликат натрия пятиводный. - Введ. 2002-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 13 с.

© Е. Н. Филиппович - асп. каф. технологии неорганических веществ и материалов, helen8385@rambler.ru; А. И. Хацринов - д-р техн. наук, зав. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ; А. В. Скворцов - ст. препод. той же кафедры; Т. В. Егорова - студ. КГТУ.