СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО ГИДРОЗОЛЯ ОКСИДА КРЕМНИЯ
METHOD OF PREPARING CONCENTRATED HYDROSOL OF SILICON OXIDE

Изобретение относится к производству гидрозолей оксида кремния, которые могут быть использованы при получении различных видов бумаги, пленкообразующих составов по металлу и керамике, в качестве связующего при изготовлении теплозащитных материалов, оболочковых форм для точного литья.
Известен способ приготовления раствора коллоидного кремнезема путем стабилизации разбавленного раствора поликремневой кислоты после подщелачивания до pH 7,5-8,5 подогревом в автоклаве с рубашкой до кипения с одновременным удалением воды выпариванием (Айлер Р. Химия кремнезема. М.: Мир, 1982, с.443.) Недостатком известного способа является образование на обогреваемой поверхности аппарата и границе раздела жидкой и паровой фаз твердых дисперсных отложений кремнезема, большие энергозатраты.
Известен способ термической стабилизации поликремневой кислоты, включающий нагревание разбавленного раствора поликремневой кислоты и термическую стабилизацию коллоида с выращиванием частиц кремнезема с одновременным упариванием до концентрации оксида кремния 5-15% массы и увеличением объема раствора в 1,5-4,5 раз за счет подпитки золем-питателем с последующим концентрированием ультрафильтрацией (авт. св. СССР №833496, 1981 г.). Данный способ не исключает полностью образование твердого взвешенного в растворе осадка оксида кремния. Твердый кремнезем образуется на внутренней металлической поверхности, обогреваемой через рубашку аппарата, при кипении раствора. Способ требует значительных энергозатрат.
Известен способ получения стабильного во времени гидрозоля диоксида кремния путем ионного обмена растворов силиката натрия на катионитах, стабилизации поликремневой кислоты раствором гидроокиси натрия с последующей термообработкой в автоклаве при температуре выше 100°С (патент США 3012973, Кл.252-313, 1961).
Недостатком данного способа являются сложность проведения процесса, недостаточная производительность и большие энергозатраты.
Известен способ получения стабильного гидрозоля диоксида кремния, включающий ионообменную конверсию раствора силиката натрия в поликремневую кислоту, стабилизацию ее натрийсодержащим раствором, термообработку полученного гидрозоля диоксида кремния при температуре 100°С и атмосферном давлении и концентрирование (авт. св. №1452789, кл C01B 33/14, 1989). Недостатком данного способа являются низкая производительность, образование твердого взвешенного в растворе осадка оксида кремния и большие энергозатраты.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения гидрозоля диоксида кремния, включающий ионообменную конверсию раствора силиката натрия в поликремневую кислоту, стабилизацию ее натрийсодержащим раствором, концентрирование гидрозоля диоксида кремния до 8-10 мас.%, термообработку полученного гидрозоля диоксида кремния ведут острым паром в течение 2,5-3 часов (RU (11) 2124474 (13) C1, опубл. 1999.01.10).
Задачей изобретения является увеличение концентрации гидрозоля оксида кремния, степени его чистоты, уменьшение отложений на стенках реактора, повышение производительности процесса.
Данная задача решается за счет проведения термостабилизации с перемешиванием и с сохранением объема системы, а также исключения твердого взвешенного осадка из раствора кремнезема с использованием узла предварительной очистки, использование для концентрирования силиказоля блока ультрафильтрации с тангенциальным распределением потока жидкости, подаваемого на мембраны.
Способ осуществляется следующим образом.
Раствор силиката натрия с концентрацией 4-5% оксида натрия пропускают через катионит марки КУ-2-8. Полученную поликремневую кислоту стабилизируют раствором гидроокиси натрия до pH 9,0-9,5, подвергают термообработке при интенсивном перемешивании при температуре не выше 130°С в течение 2-3 часов без изменения объема раствора. Гидрозоль оксида кремния пропускают через блок предварительной фильтрации с последующим концентрированием раствора ультрафильтрацией.
Перемешивание во время проведения процесса термостабилизации не позволяет твердому осадку кремнезема осаждаться на внутренней поверхности реактора.
Блок предфильтрации позволяет удалить частицы твердого кремнезема, которые истирают и повреждают поверхность фильтрующих мембран ультрафильтрационной установки, ухудшают качество товарного коллоидного раствора кремнезема.
Использование для концентрирования гидрозоля оксида кремния блока ультрафильтрации с тангенциальным распределением потока жидкости, подаваемого на мембраны, позволяет значительно увеличить скорость ультрафильтрации и получить стабильный продукт с концентрацией 45% и выше.
Примеры выполнения
Пример 1
250 л раствора поликремневой кислоты, полученного из разбавленного раствора силиката натрия ионным обменом на катионите КУ-2-8, стабилизированного раствором щелочи, подвергают термостабилизации при температуре не выше 130°С и перемешивании (П=70 об/мин). Полученный раствор кремневой кислоты фильтруют на блоке предфильтрации.
Для очистки от взвешенных частиц опробованы фильтры предварительной очистки с размером пор 20 мкм, 5 мкм, 3 мкм и 1,2 мкм.
Сравнительную оценку полученного коллоидного раствора проводили методом нефелометрического определения мутности.
Мембрана с размером пор 20 мкм - мутность 71 FTU.
Мембрана с размером пор 5 мкм - мутность 52 FTU.
Мембрана с размером пор 3 мкм - мутность 60 FTU.
Мембрана с размером пор 1,2 мкм - мутность 62 FTU.
Наибольшую производительность по скорости предварительной фильтрации и качеству очистки обеспечивает использование фильтра с размером пор 3 мкм.
После предварительной фильтрации гидрозоль оксида кремния подвергают ультрафильтрации на блоке с тангенциальным распределением потока жидкости через полипропиленовую мембрану с размером пор 0,2 мкм.
Для сравнения концентрирование гидрозоля оксида кремния проводили с использованием прямоточных трубчатых ультрафильтров. Использование только прямоточных трубчатых ультрафильтров не позволяет получать золи высокой концентрации.
Показатели концентрата и фильтрата представлены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристика кремнезоля до и после ультрафильтрации
Показатели
блок мембран с тангенциальным распределением потока жидкости
блок трубчатых мембранных фильтров
кремнезоль до ультрафильтрации
кремнезоль после ультрафильтрации
кремнезоль до ультрафильтрации
кремнезоль после ультрафильтрации
Содержание SiO<sub>2</sub>, г/л
45,49
454,90
47,29
337,0
Содержание Na<sub>2</sub>O, г/л
-
5,65
pH среды
9,4
10,26
10,54
10,27
Диаметр мицелл, нм
6,6
8,0
9,5
9,7
Мутность, FTU
98
288
Средняя скорость фильтрац ии (л/ч)
67,0
35,6
Пример 2
2
Кремнезоль (содержание SiO 345 г/л), полученный методом ионного обмена (пример 1) и сконцентрированный ультрафильтрацией с использованием прямоточных трубчатых ультрафильтров, подвергают дополнительному концентрированию на блоке ультрафильтрации с тангенциальным распределением потока жидкости через мембрану с размером пор 0,2 мкм. В результате дополнительной ультрафильтрации получены гидрозоли оксида кремния с концентрацией 450-480 г/л по оксиду кремния.
Таблица 2
Характеристика кремнезоля после доконцентрирования на блоке с тангенциальным распределением потока жидкости через полипропиленовую мембрану с размером пор 0,2 мкм
Наименование показателей
Исходный кремнезоль
Концентрат после фильтрации
Содержание SiO<sub>2</sub>, г/л
345,42
473,48
Содержание Na<sub>2</sub>O, г/л
4,43
5,49
Плотность, г/см<sup>3</sup>
1,205
1,281
pH среды
10,03
10,0
Диаметр мицелл, нм
8,76
9,88
Таким образом, преимущества предлагаемого способа заключаются в следующем:
- способ позволяет получать золи достаточно высокой концентрации (450-480 г/л по оксиду кремния);
- использование блока мембран с тангенциальным распределением потока жидкости позволяет повысить скорость концентрирования коллоидного раствора;
- использование предфильтрации позволяет предотвратить разрушение мембран частицами твердого осадка оксида кремния и продлить срок их эксплуатации;
- проведение стадии термостабилизации раствора поликремневой кислоты при интенсивном перемешивании и постоянном объеме раствора исключает образование твердых дисперсных отложений кремнезема на внутренней поверхности реактора.