СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБО ЧИСТЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ДИАТОМИТОВ
METHOD OF PRODUCTION OF ESPECIALLY PURE FILTERING MATERIALS MADE OF DIATOMITES

Изобретение относится к способам получения особо чистых фильтрующих материалов из диатомитов и может быть использовано в пищевой, фармацевтической, химической и др. отраслях промышленности для повышения качества фильтрации жидкостей, клеев низкой вязкости, органических химических соединений, фармацевтических препаратов, животных жиров, растительных и нефтяных масел, лаков, жидкого мыла, пива, сахарных сиропов и др.
Известен способ получения фильтрующего порошка из диатомита, включающий измельчение, обработку водой, сушку, добавление флюса - карбоната натрия и пирофосфата натрия, и обжиг. Недостатком данного способа являются невысокие эксплуатационные свойства и качество готового продукта за счет большого количества примесей. Кроме того, высушенный продукт измельчают в шаровой мельнице, что может привести к разрушению структуры диатомита (авт.св. СССР №822848, 1981 г.).
Известен также способ получения диатомового фильтровального порошка, включающий обработку диатомита водой, очистку полученной пульпы от примесей и крупных включений, сушку, смешение с хлористым натрием, обжиг и классификацию продукта. Недостатком данного способа является получение продукта невысокого качества с малым выходом товарных фракций, т.к. в данном способе используется кусковой диатомит и разделение на фракции по удалению примесей проводят в одну стадию. Кроме того, в данном способе смешивают диатомит с водой в соотношении 1:2, что недостаточно для более полного разделения фракций (авт.св. СССР №316461, 1971 г.).
Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения диатомовых фильтрующих материалов, заключающийся в том, что перед обработкой диатомита водой проводят его предварительную подготовку с последующим выделением рабочей фракции с размером частиц от 0,10-0,001 мм путем получения суспензий при соотношении Т:Ж=1:9 и последовательного выделения из них примесей по времени оседания песчано-алевритовых и тонкодисперсных глинистых частиц, смешение с флюсом, обжиг, сушку, помол и классификацию готовой рабочей фракции проводят также получением суспензий и выделением узких фракций по времени оседания частиц (патент РФ №2237510, 2004 г.).
Недостатком данного способа является то, что не удается достаточно полно удалить красящие примеси до конца. Цвет фильтрующих материалов получается розовым.
Задача, решаемая изобретением, - получение особо чистых фильтрующих материалов. Одним из направлений улучшения качества фильтрующих материалов на основе диатомитов является удаление из них примесей оксидов алюминия, титана и железа, которые влияют на качество и цвет фильтрующих порошков.
Технический результат - улучшение качества фильтрующих материалов из диатомитов за счет удаления оксидов металлов путем активации соляной кислотой выделенных рабочих фракций.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения особо чистых фильтрующих материалов из диатомитов, включающий подготовку диатомита, выделение рабочих фракций <0,10 мм и 0,10-0,001 мм смешение с флюсом, сушку, помол и классификацию, отличающийся тем, что выделенные рабочие фракции подвергают активации соляной кислотой концентраций от 0,5 до 3,0 н. в течение 1-6 часов в зависимости от метода кипения или пропитки, при этом при содержании в исходном диатомите опала более 65% проводят активацию фракций <0,10 мм и 0,10-0,001 мм, а при менее 65% только фракции 0,10 -0,001 мм.
2
2
3
2
2
2
2
2
3
2
2
2
3+,2+
3+,2+
Для диатомитов высоко- и среднекачественных групп при содержании в породе, мас.%: опала более 65, глинистых минералов не более 3,0, обломочного материала не более 10 и имеющих средний химический состав, мас.%: SiO 80-95; Аl0 4-7,5; Fe 1-4; TiO 0,20-0,50; KO 0,20-1,50; NaO 0,04-0,50 можно проводить активацию раствором соляной кислоты концентраций 0,5-3 н. методом кипения или пропитки выделенных из него рабочих фракций <0,10 мм и 0,10-0,001 мм с целью удаления вредных примесей оксидов железа, титана, алюминия и получения более чистого и белого продукта. Для диатомитов низкокачественной группы с содержанием, мас.%: опала менее 65, глинистых минералов не более 35 и обломочного материала не более 20 и имеющих средний химический состав, мас.%: SiO 65-80; АlO 6-12; Fe 4-7,5; ТiO 0,10-0,70; KO 1,0-1,60; NaO 0,25-0,70 активирование рабочей фракции <0,10 мм нецелесообразно из-за высокого содержания вредных примесей. Поэтому с целью повышения качества получаемых фильтрующих материалов из диатомитов низкокачественных групп они первоначально подвергаются выделению из них песчано-алевритовых и тонкодисперсных фракций. С целью дальнейшего повышения качества выделенной рабочей фракции с размером частиц 0,10-0,001 мм за счет снижения в ней оксидов металлов, эту рабочую фракцию подвергают активации соляной кислотой концентраций 0,5-3 н. методом кипения или пропитки.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из отобранных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявляемом способе получения особо чистых фильтрующих материалов, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленном способе получения особо чистых фильтрующих материалов. Результаты поиска показали, что поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Выполнение предложенного способа иллюстрируется следующими примерами
Диатомит влажностью 50-60% оставляют на воздухе для сушки, дробят на куски 10-15 см, сушат до влажности не более 20% абс. и осторожно измельчают до фракции <1,0 мм, взвешивают на весах 100 г.
Пример по выделению рабочих фракций <0,1 мм и 0,10-0,001 мм (по прототипу)
Навеску диатомита в количестве 100 г, высушенную до влажности не более 20% абс. и измельченную до фракции <1,0 мм переносят в литровый стакан с метками 2 и 12 мм, заливают небольшим количеством дистиллированной воды и при перемешивании выдерживают до полного размягчения неразложившихся агрегатов диатомита. Затем полученную суспензию заливают водой до верхней метки для получения концентрации суспензии Т:Ж=1:9, взвесь осторожно взмучивают и отбирают глинисто-опаловую фракцию с размером частиц <0,1 мм. Операцию с осадком повторяют до получения прозрачного столба воды, затем отобранную фракцию сушат и используют в двух направлениях: 1 - для активации соляной кислотой; 2 - для выделение фракции 0,10-0,001 мм.
По второму направлению отобранную глинисто-опаловую фракцию снова переносят в литровые стаканы с метками, заливают до концентрации Т:Ж=1:9, взмучивают и сливают фракцию с размером частиц <0,001 мм через 21 час. Оставшийся осадок является фракцией 0,10-0,001 мм.
Примеры. Диатомиты с содержанием опала более 65% (высоко- и среднекачественные диатомиты)
2
2
3
2
2
2
3+,2+
Для работы был взят высококачественный диатомит Сенгилеевского месторождения Ульяновской области, содержащий в своем составе, мас.%: опал 75, глинистые минералы 20, обломочный материал 5 со следующим химическим составом, мас.%: SiO 81,0; АlO 5,0; Fe 3,1; TiO 0,30; KО 0,80; NaO 0,12.
По вышеописанному примеру выделяют рабочие фракции <0,10 мм и 0,10-0,001 мм.
Активацию выделенных фракций соляной кислотой проводят двумя методами: в режиме кипения и пропитки.
Кислотная активация в режиме кипения.
-
Пример №1. В круглодонную колбу со шлифом и обратным холодильником загружают взвешенную навеску диатомита нужной фракции т.е. (<0,10 мм или 0,10-0,001 мм), затем добавляют 0,5% раствор соляной кислоты при соотношении Т:Ж=1:3, обработку ведут при кипении раствора в течение 4 часов, затем диатомит отделяют от раствора кислоты декантацией, отмывают водой от Cl ионов до нейтральной реакции промывных вод, высушивают до воздушно-сухого состояния.
Примеры №2-5 выполняются по примеру №1, с тем отличием, что используется соляная кислота концентраций от 1 до 4 н. соответственно, время обработки изменяется от 3 ч до 2 ч соответственно. Результаты представлены в таблице 1.
Кислотная активация в режиме пропитки.
Пример №6. Диатомит нужной фракции (<0,10 мм или 0,001 мм) при соотношении Т:Ж=1:5 заливается 0,5 н. соляной кислотой в стеклянный стакан и выдерживается в течение 8 часов при комнатной температуре при перемешивании. Затем раствор отработанной кислоты сливается, диатомит промывается дистиллированной водой для удаления СГ ионов и сушится при 105°С.
Примеры №7-10 выполняется по примеру №6 с тем отличием, что изменяется концентрация соляной кислоты от 1,0 до 3,0 н. и время обработки изменяется от 5 ч до 6 ч. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1Влияние методов и условий кислотной активации на основной компонентный и химический состав выделенной из диатомита фракции <0,10 мм (при содержании опала >65%)
Пример №
Метод активации
Условия активации
Содержание, мас.%
Цвет
Концентрация (н)
Время (ч)
Опал
SiO<sub>2</sub>
TiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sup>2+,3+</sup>
Диатомит фр. <0,10 мм
-
-
-
80
83,0
0,30
4,0
2,50
1
Режим кипения
0,5
4,0
80,5
85,68
0,22
3,04
1,98
белый
2
1,0
3,0
82
89,17
0,19
1,75
0,35
белый
3
2,0
2,0
85
89,42
0,17
1,69
0,24
белый
4
3,0
2,0
83,8
89,07
0,17
1,69
0,24
белый
5
4,0
2,0
83
89,16
0,01
1,68
0,24
белый
6
Режим пропитки
0,5
8
80,2
85,13
0,22
3,68
2,01
белый
7
1,0
6
81
86,64
0,10
3,56
1,96
белый
8
2,0
5
83
89,34
0,19
2,38
0,45
белый
9
2,0
6
82
89,00
0,19
2,38
0,45
белый
10
3,0
5
79
88,98
0,18
2,37
0,45
белый
2
2
3
2
2
2+,3+
В таблице 1 приведены результаты опытов по выбору условий активации диатомита фракции <0,10 мм. Из приведенных данных в таблице видно, что при актлвации этой фракции раствором соляной кислоты в режиме кипения оптимальными являются концентрация соляной кислоты 2 н., время активации 2 часа (пример №3). При этом повышается содержание, мас.%: SiO от 83,0 до 89,42, опала до 94 и снижается содержание оксидов металлов АlО от 4,0 до 1,69, Fe от 2,5 до 0,24 и TiO от 0,3 до 0,17, содержание опала повышается от 80 до 85. Увеличение концентрации соляной кислоты до 3 н. приводит к понижению SiO до 89,07, опала до 83,8. Содержание оксидов алюминия титана и железа осталось на прежнем уровне.
2
2
3
2+,3+
При активации фракции <0,10 мм в режиме пропитки оптимальными условиями являются: концентрация соляной кислоты 2 н., время активации 5 часов (пример №8). При этом повышается содержание, мас.%: SiO от 83 до 89,34, снижаются AlO от 4,0 до 2,38, Fe от 2,5 до 0,45; повышается содержание опала от 80 до 83. Увеличение времени активации до 6 часов при той же концентрации соляной кислоты 2 н. (пример №9) приводит к снижению содержания оксида кремния от 83 до 89,0 и опала от 80 до 82, а содержание оксидов алюминия, железа и титана остается практически на прежнем.
Путем активации диатомита указанными методами получаются фильтровальные порошки белого цвета.
В таблице 2 приведены результаты опытов по выбору условий активации диатомита фракции 0,10-0,001 мм. Примеры №11-15 - режим кипения и №16-20 - режим пропитки.
Таблица 2Влияние методов и условий кислотной активации на основной компонентный и химический состав выделенной из диатомита фракции 0,10-0,001 мм (при содержании опала >65%)
Пример №
Метод активации
Условия активации
Содержание, мас.%
Цвет
Концентрация(н)
Время (ч)
Опал
SiO<sub>2</sub>
TiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sup>2+,3+</sup>
Выделенная фр. 0,10-0,001 мм
-
-
-
90
86,10
0,22
3,16
1,94
11
Режим кипения
0,5
4,0
93
88,14
0,18
2,13
1,62
белый
12
1,0
3,0
94
89,68
0,16
1,54
0,28
белый
13
2,0
2,0
97
90,03
0,14
1,48
0,20
белый
14
3,0
2,0
95
89,71
0,14
1,48
0,20
белый
15
4,0
2,0
94
89,43
0,14
1,48
0,20
белый
16
Режим пропитки
0,5
8
92
87,11
0,20
2,97
1,66
белый
17
1,0
6
93
88,76
0,19
2,46
0,37
белый
18
2,0
5
96
89,98
0,18
2,12
0,36
белый
19
2,0
6
94
89,44
0,18
2,12
0,36
белый
20
3,0
5
93
89,17
0,18
2,12
0,36
белый
Прототип Исх. диатомит
-
-
-
85-90
Не менее 75
0,1-0,4
Не более 7
0,5-4,0
розовый
2
2
3
2
2
2
2
3
2
2
2+,3+
2+,3+
Из таблицы 2 видно, что оптимальными условиями активации фр. 0,10-0,001 мм в режиме кипения являются 2 н. НСl, время 2 часа (пример №13), при этом происходит: повышение, мас.%: SiO от 86,1 до 90,03, снижение содержания АlO от 3,16 до 1,48, Fe от 1,94 до 0,20 и TiO от 0,22 до 0,14, повышение опала от 90 до 97. Увеличение концентрации соляной кислоты до 3 и 4 н. приводит к повышению SiO до 89,71 и 89,43 соответственно. Содержание опала снижается от 95 до 94 соответственно, содержание оксидов алюминия, железа и титана зафиксировано на прежнем уровне. Оптимальными условиями активации фр. 0,10-0,001 мм методом пропитки оптимальными условиями являются - концентрация 2 н. НСl, время 5 часов (пример №18). При этом повышается содержание, в мас.%: SiO от 86,1 до 89,98 и понижается содержание АlO от 3,16 до 2,12; ТiO от 0,22 до 0,18; Fe от 1,94 до 0,36, повышается содержание соответственно опала до 96. Увеличение времени активации до 6 часов и концентрации соляной кислоты до 3 н. приводит к снижению SiO до 89,44 и 89,17 и опала до 94 и 93 соответственно. Содержание оксидов металлов остается на прежнем уровне. Цвет полученных порошков белый. Активированные фракции подвергаются обжигу с флюсом и классификации по аналогии с прототипом. В результате получены все виды порошков белого цвета, не уступающие по качеству лучшим импортным материалам.
Пример II. Диатомит с содержанием опала менее 65%.
2
2
3
2
2
2
3+,2+
Для работы был взят диатомит Камышловского месторождения, содержащий в своем составе, мас.%: опал 56, глинистые минералы 32, обломочный материал 15 и имеющий основной химический состав, мас.%: SiO 74,65; АlO 8,29; Fe 3,6; TiO 0,50; KO 1,31; NaO 0,42. По вышеприведенному примеру выделяется рабочая фракция 0,10-0,001 мм.
Выделенная рабочая фракция обрабатывается растворами соляной кислоты, примеры №21-30, методом кипения и пропитки аналогично примерам 11-20.
Результаты экспериментов по выбору условий активации выделенной рабочей фракции 0,10-0,001 мм растворами соляной кислоты методами кипения и пропитки приведены в таблице 3.
Таблица 3.Влияние методов и условий кислотной активации на основной компонентный и химический состав выделенной из диатомита фракции 0,10-0,001 мм (при содержании опала <65%)
Пример №
Метод активации
Условия активации
Содержание, мас.%
Цвет
Концентрация(н)
Время (ч)
Опал
SiO<sub>2</sub>
TiO<sub>2</sub>
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sup>2+,3+</sup>
фр. 0,10-0,001 мм
-
-
-
56
74,65
0,50
8,29
3,59
21
Режим кипения
0,5
4,0
57
75,16
0,47
7,30
3,08
белый
22
1,0
3,0
58
75,73
0,45
7,40
2,93
белый
23
2,0
2,0
58
76,80
0,38
6,50
2,80
белый
24
3,0
2,0
60
79,00
0,40
6,50
2,70
белый
25
4,0
2,0
52
79,00
0,40
6,50
2,75
белый
26
Режим пропитки
0,5
8
56,5
75,05
0,49
8,01
3,55
белый
27
1,0
6
57
75,80
0,48
7,90
3,50
белый
28
2,0
5
57
75,50
0,46
7,50
3,40
белый
29
2,0
6
59
77,00
0,43
7,00
3,00
белый
30
3,0
5
58,5
76,80
0,43
7,00
2,92
белый
2
2
3
Из таблицы видно, что при активации рабочей фракции 0,10-0,001 мм в режиме кипения оптимальными являются концентрация соляной кислоты 3 н., время активации 2 часа (пример 24), при этом повышаются содержания, маc.: SiO от 74,65 до 79,0, опала от 56 до 60 и снижаются содержание АlO от 8,9 до 6,5,
3+,2+
Fe от 3,59 до 2,7. Увеличение концентрации соляной кислоты до 4 н. не приводит к изменению химического состава.
2
2
2
3
3+,2+
При активации рабочей фракции 0,10-0,001 мм методом пропитки оптимальными условиями являются 2 н. HCl, время 6 часов (пример 29), при этом повысилось содержание, мас.%: SiO от 74,65 до 77,0, опала от 56 до 59 и понизилось содержание ТiO от 0,5 до 0,43, АlO от 8,29 до 7,0, Fe от 3,59 до 3,0. Увеличение концентрации соляной кислоты до 3 н. не приводит к значительному изменению химического состава. Цвет полученных порошков белый.
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого способа следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в химической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности, а именно для повышения чистоты фильтруемых жидкостей, напитков, химических и фармацевтических препаратов;
для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанного в заявке способа, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию « промышленная применимость».
Использование заявляемого изобретения позволит:
получить особо чистые фильтрующие материалы из диатомитов различных качественных групп, не уступающих по качеству лучшим выпускаемым фильтрующим материалам США и других стран;
создать отечественный рынок фильтрующих материалов и ликвидировать существующий дефицит;
расширить ассортимент минерального сырья для комплексного использования в различных отраслях промышленности.