СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСАЖДЕННОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ ЭТАП МЕМБРАННОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ
METHOD OF PRODUCING PRECIPITATED SILICON DIOXIDE, INCLUDING MEMBRANE CONCENTRATION STEP

Настоящее изобретение относится к улучшенному способу получения осажденного диоксида кремния.
Известно применение осажденных диоксидов кремния в качестве подложки катализатора, в качестве абсорбента для активных материалов (в частности, подложек для жидкостей, например, которые применяют в пище, таких как витамины (в частности, витамин E) или холин хлорид), в качестве средства, повышающего вязкость, структурообразующего средства или средства против комкования, в качестве компонента разделителя для батарей и в качестве добавки для зубной пасты или бумаги.
Также возможно применение осажденных диоксидов кремния в качестве усиливающего наполнителя в силиконовых матрицах (например, для покрытия электрокабелей) или в композициях на основе природного или синтетического полимера(ов), в частности эластомера(ов), главным образом, диенового эластомера(ов), например, для обувных подошв, напольных покрытий, газовых барьеров, негорючих материалов, а также инженерных деталей, таких как ролики для фуникулеров, изоляции для бытовых электроприборов, изоляции для трубопроводов для жидкостей или газов, уплотнения для тормозных систем, оболочки, кабели и приводные ремни.
Осажденный диоксид кремния, в частности, долгое время применяли в качестве усиливающего наполнителя в эластомерах и, в частности, в покрышках.
Осажденный диоксид кремния главным образом получают путем реакции осаждения между силикатом, в частности силикатом щелочного металла, и подкисляющим средством с последующим этапом разделения путем фильтрации, чтобы получить осадок на фильтре, и обычно с последующим этапом промывки указанного осадка, после чего следует необязательный этап дробления осадка на фильтре, а также этап высушивания указанного осадка, например путем распыления.
В контексте способов из уровня техники осадок, как правило, после операции дробления подвергают этапу распыления с большим количеством воды. Осуществление этапа распыления, таким образом, позволяет, в частности, отводить такие большие количества воды, что требует немало времени и большого количества энергии.
Таким образом, одна из целей настоящего изобретения заключается в обеспечении способа получения осажденного диоксида кремния, который позволяет ограничить затраты энергии, в частности, на высушивание.
Одной из целей настоящего изобретения, в частности, является обеспечение способа, альтернативного известным способам получения осажденного диоксида кремния, который является экономичным и простым в осуществлении.
Одна из целей настоящего изобретения предпочтительно заключается в обеспечении способа, который позволяет снизить потребление энергии при высушивании, в частности, относительно способов из уровня техники, как правило, по меньшей мере на примерно 10%, в частности, по меньшей мере на примерно 15%, например, по меньшей мере на примерно 20%.
Одна из целей настоящего изобретения предпочтительно заключается в обеспечении способа, который позволяет повысить производительность способа получения осажденного диоксида кремния, в частности, на этапе высушивания, в частности, относительно способов из уровня техники, как правило, по меньшей мере на примерно 15%, в частности, по меньшей мере на примерно 20%, например, по меньшей мере на примерно 25%.
Настоящее изобретение, таким образом, относится к способу получения осажденного диоксида кремния, включающему реакцию силиката с подкисляющим средством, чтобы получить суспензию осажденного диоксида кремния (S1), с последующим этапом разделения, чтобы получить осадок, с последующим этапом дробления указанного осадка, чтобы получить суспензию осажденного диоксида кремния (S2), и с последующим этапом высушивания данной суспензии, и при котором этап мембранного концентрирования осуществляют между указанным этапом дробления и указанным этапом высушивания.
В частности, способ согласно настоящему изобретению, таким образом, включает следующие этапы, на которых
- по меньшей мере один силикат реагирует (реакция осаждения) с по меньшей мере одним подкисляющим средством таким образом, чтобы получить суспензию осажденного диоксида кремния (S1),
- осуществляют этап отделения твердой фазы от жидкой, более конкретно - этап фильтрации, чтобы получить твердый продукт, также обозначенный как "осадок на фильтре",
- указанный осадок на фильтре подвергают операции дробления, чтобы получить суспензию осажденного диоксида кремния (S2),
- затем осуществляют этап мембранного концентрирования указанной суспензии (S2) и
- высушивают полученный таким образом продукт предпочтительно путем распыления.
Характерный этап способа по настоящему изобретению, взятый в комбинации с другими этапами указанного способа, заключается в этапе мембранного концентрирования, который позволяет механически удалить большое количество воды из суспензии (S3), полученной после дробления.
Такая операция в комбинации с другими этапами способа затем позволяет повысить содержание сухого вещества продукта перед этапом высушивания. Продукт, который затем подвергают высушиванию, содержит меньше воды, что приводит в результате к экономии энергии для последующего этапа высушивания.
Осуществление способа согласно настоящему изобретению может позволить повысить производительность, в частности, этапа высушивания, по меньшей мере на примерно 15%, предпочтительно по меньшей мере на примерно 20%, например, по меньшей мере на примерно 25%, относительно способов из уровня техники, преимущественно при отсутствии ухудшения свойств полученного осажденного диоксида кремния, в частности, его степени дисперсности, в частности, в эластомерах.
Применяемый этап концентрирования включает мембранные методы. Они, в частности, заключаются в циркуляции вышеуказанной суспензии (S2) через мембрану, а также в извлечении концентрата, полученного таким образом.
Такие мембранные методы хорошо известны специалисту в данной области.
Согласно одному варианту осуществления способа по настоящему изобретению этап мембранного концентрирования осуществляют с помощью фильтрации в тангенциальном потоке. Такой метод фильтрации в тангенциальном потоке хорошо известен специалисту в данной области.
Таким образом, фильтрация в тангенциальном потоке заключается в пропускании жидкости, а именно вышеуказанной суспензии (S2), тангенциально к поверхности фильтра. Давление жидкости обуславливает прохождение последней через фильтр. Частицы в данном случае остаются в тангенциально циркулирующем потоке, при этом закупоривание фильтрующего элемента, таким образом, происходит гораздо менее быстро.
Согласно одному варианту осуществления способа по настоящему изобретению этап мембранного концентрирования осуществляют с помощью стандартной или динамической фильтрации в тангенциальном потоке.
В случае стандартной фильтрации в тангенциальном потоке применяемая мембрана является неподвижной и, таким образом, происходит циркуляция жидкости, а именно в данном случае - суспензии (S2). В случае динамической фильтрации в тангенциальном потоке мембрана находится в движении. Такие два метода фильтрации в тангенциальном потоке хорошо известны специалисту в данной области.
Согласно предпочтительному варианту осуществления способа по настоящему изобретению этап мембранного концентрирования осуществляют путем динамической фильтрации в тангенциальном потоке, в частности, вибрационного (например, с применением системы VSEP (усиленной обработки методом вибрационного сдвига)) или ротационного типа.
Согласно одному варианту осуществления способа по настоящему изобретению этап мембранного концентрирования осуществляют с помощью ротационной динамической фильтрации в тангенциальном потоке.
В контексте способа согласно настоящему изобретению, таким образом, применяют, например, метод динамической фильтрации в тангенциальном потоке с вращающимися дисками. В данном способе вращающиеся керамические диски затем генерируют турбулентные потоки, а также разность скоростей между фильтрующим элементом и суспензией. Такие турбулентные потоки предотвращают образование твердых агломератов на поверхности мембран, которые могут препятствовать фильтрации. Данная технология заключается в удалении воды механически, а не путем испарения, что позволяет в итоге снизить затраты энергии.
Согласно одному варианту осуществления способа по настоящему изобретению продукт, полученный после этапа мембранного концентрирования, представляет собой суспензию (S3) осажденного диоксида кремния с содержанием сухого вещества более 24% по весу, предпочтительно по меньшей мере 26% по весу.
Согласно одному варианту осуществления способа по настоящему изобретению продукт, полученный после этапа мембранного концентрирования, представляет собой суспензию (S3) осажденного диоксида кремния с содержанием сухого вещества от 25% до 30% по весу.
Согласно одному варианту осуществления способа по настоящему изобретению этап мембранного концентрирования осуществляют в горячем состоянии и, в частности, при температуре от 40 до 90°C.
Способ согласно настоящему изобретению относится к способу синтеза осажденного диоксида кремния, это означает, что осуществляют первый этап осаждения, на котором по меньшей мере одно подкисляющее средство реагирует с по меньшей мере одним силикатом, без ограничения конкретного типа осажденного диоксида кремния.
Способ согласно настоящему изобретению может осуществляться, в частности, для получения осажденных диоксидов кремния, получаемых согласно способам, описанным, например, в заявках EP 0520862, EP 0670813, EP 0670814, EP 0917519, WO 95/09127, WO 95/09128, WO 98/54090, WO 03/016215, WO 2009/112458 или WO 2012/010712.
Реакция осаждения путем реакции силиката с подкисляющим средством может осуществляться в способе согласно настоящему изобретению в соответствии с любым способом получения, в частности путем добавления подкисляющего средства в исходное сырье силиката или, иначе, путем одновременного добавления, всего или части, подкисляющего средства и силиката в исходное сырье на основе воды, или силиката, или подкисляющего средства.
Выбор подкисляющего средства и силиката осуществляют способом, хорошо известным per se. Как правило, в качестве подкисляющего средства используют сильную неорганическую кислоту, такую как серная кислота, азотная кислота или соляная кислота, или также органическую кислоту, такую как уксусная кислота, муравьиная кислота или угольная кислота.
После этапа осаждения получают суспензию (или взвесь) S1 осажденного диоксида кремния, в которой необязательно возможно добавление различных добавок, которые затем отделяют.
Согласно конкретному варианту осуществления настоящего изобретения вышеуказанный этап разделения состоит из этапа отделения твердой фазы от жидкой. Предпочтительно, он состоит из этапа фильтрации, после которого получают осадок на фильтре, при необходимости с последующим этапом промывки указанного осадка.
Фильтрацию осуществляют согласно любому подходящему способу, например посредством фильтр-пресса, ленточного фильтра или ротационного вакуум-фильтра.
Полученный осадок затем подвергают этапу дробления. Операция дробления представляет собой операцию псевдоожижения или ожижения, при которой осадок на фильтре становится подобным жидкости, при этом осажденный диоксид кремния вновь остается в суспензии. Как правило, данная операция позволяет, в частности, снизить вязкость суспензии, которую необходимо в дальнейшем высушить. Данную операцию, таким образом, могут осуществлять путем подвергания осадка на фильтре химическому воздействию, например, путем добавления соединения алюминия, такого как алюминат натрия, и/или кислоты, предпочтительно в сочетании с механическим воздействием (например, путем пропускания через резервуар с непрерывным перемешиванием или через мельницы коллоидного типа). Суспензия (в частности, водная суспензия) S2, полученная после дробления, как правило, характеризуется относительно низкой вязкостью.
Согласно одному варианту осуществления способ по настоящему изобретению может включать этап разрыхления между этапом разделения и этапом дробления.
Данный необязательный этап заключается в крошении осадка, полученного на этапе разделения, и позволяет уменьшить размер частиц указанного осадка. Например, данный этап может осуществляться с применением ниблера от Gericke, в котором осадок продавливают через экран с диаметром ячейки менее 20 мм, предпочтительно с размером от 2 до 14 мм. Данный этап разрыхления может также осуществляться с применением устройств от Wyssmont, таких как "Rotocage Lumpbreaker", "Double Rotocage Lumpbreaker" или "Triskelion Lumpbreaker".
Суспензию осажденного диоксида кремния S2, полученную на этапе дробления, подвергают этапу мембранного концентрирования, описанному выше.
Суспензию осажденного диоксида кремния S3, полученную на этапе мембранного концентрирования, затем высушивают.
Данное высушивание можно осуществлять в соответствии с любыми способами, известными per se.
Согласно предпочтительному варианту осуществления способа по настоящему изобретению высушивание осуществляют путем распыления.
Для этого можно применять любой тип подходящего распылителя, в частности центробежный распылитель, распылительную форсунку, распылитель гидростатического давления или двухжидкостный распылитель.
Предпочтительно в способе согласно настоящему изобретению этап разделения осуществляют посредством вакуум-фильтра (в частности, ротационного вакуум-фильтра), а этап высушивания осуществляют с применением распылительной форсунки.
При проведении операции высушивания посредством распылительной форсунки осажденный диоксид кремния затем может быть получен преимущественно в форме практически сферической крошки (микрокрошки), предпочтительно со средним размером по меньшей мере 80 мкм.
После данной операции высушивания необязательно возможно осуществление этапа размалывания извлеченного продукта; при этом осажденный диоксид кремния получают, как правило, в форме порошка, предпочтительно со средним размером от 5 до 70 мкм.
При проведении операции высушивания посредством центробежного распылителя осажденный диоксид кремния затем может быть получен в форме порошка, например, со средним размером от 5 до 70 мкм.
Высушенный (например, при помощи центробежного распылителя) или измельченный продукт, как указано ранее, может необязательно подвергаться этапу агломерирования, который заключается, например, в прямом прессовании, мокрой грануляции (т.е. с применением связующего, такого как вода, взвесь диоксида кремния и т. п.), экструзии или предпочтительно сухом прессовании. Когда используют последний метод, перед проведением уплотнения может оказаться целесообразной деаэрация (операция, также называемая предварительное загущение или дегазация) порошкообразных продуктов для удаления воздуха, содержащегося в них, и для обеспечения более однородного уплотнения.
Осажденный диоксид кремния, который может быть получен после данного этапа агломерирования, как правило, находится в форме гранул, в частности, с размером по меньшей мере 1 мм, например от 1 до 10 мм, в частности, вдоль оси их наибольшего размера.
Следующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение, однако, без ограничения его объема.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
Применяемая суспензия осажденного диоксида кремния (S2) представляет собой взвесь диоксида кремния Z1165MP, полученную после этапа фильтрации с последующим этапом дробления осадка, полученного на этапе фильтрации, проявляющую следующие характеристики:
температура: 50°C;
pH: 6,0-6,5;
влажность: 77%.
Часть (S'2) суспензии S2 высушивают непосредственно путем распыления.
2
2
3
Остальную часть суспензии S2 подвергают этапу мембранного концентрирования на фильтровальной установке DCF 152/0,14 (Kmpt), развивающей площадь фильтрующей поверхности 0,14 м, и с применением мембран на основе AlO (Kerafol) с диаметром пор 200 нм.
Трансмембранное давление устанавливают при 0,8 бар, а обратные промывки при 0,4 бар осуществляют каждые 4 секунды.
2
Скорость потока по пермеату составляет 25 л/ч/м. Полученная концентрированная взвесь S3 имеет содержание сухого вещества 26%.
Взвесь S3 с содержанием сухого вещества 26% затем распыляют как в случае части S'2 суспензии S2.
Таким образом, наблюдают экономию потребления энергии, составляющую 15%, относительно непосредственного высушивания взвеси S'2, и связанный прирост производительности, составляющий 18%.
Размеры частиц взвесей перед и после мембранного концентрирования приведены в следующей таблице.
Суспензия
% частиц<0,5 мкм (*) в суспензии
S'2
65%
S3
65%
(*) Процентное содержание частиц с диаметром менее 0,5 мкм измеряют путем определения размера частиц с помощью седиментации, осуществляемой в устройстве Sedigraph 5100 (Micromeretics), исходя из процентного содержания частиц менее 0,5 мкм. Суспензию, анализируемую с помощью данного метода, разбавляют до 4,6% по весу в очищенной воде и ее слегка встряхивают. Полученную суспензию затем просеивают с применением 250-мкм сита и осуществляют анализ, принимая диапазон измерения от 0,3 до 85 мкм.
Эти данные позволяют заметить, что механические воздействия, которым подвергается взвесь диоксида кремния S2 (чтобы получить взвесь S3), не изменяют ее содержания тонкодисперсных частиц.
Пример 2
Применяемая суспензия осажденного диоксида кремния (S2) представляет собой взвесь диоксида кремния Z1165MP, полученную после этапа фильтрации с последующим этапом дробления осадка, полученного на этапе фильтрации, проявляющую следующие характеристики:
температура: 50°C;
pH: 6,0-6,5;
влажность: 77%.
Часть (S'2) суспензии S2 высушивают непосредственно путем распыления.
2
3
2
Остальную часть суспензии S2 подвергают этапу мембранного концентрирования на фильтровальной установке SSDF CRD-01 (Novoflow). Данная установка содержит пакет из 3 дисков с диаметром 152 мм, которые состоят из мембран Kerafol, изготовленных из AlO с диаметром пор 200 нм, т.е. площадь фильтрующей поверхности составляет 0,1 м.
2
Прикладывают трансмембранное давление 1 бар. Взвесь S3 с содержанием сухого вещества 27,5% получают со скоростью потока по пермеату 18 л/ч/м.
Взвесь S3 с содержанием сухого вещества 27,5% затем распыляют как в случае части S'2 суспензии S2.
Таким образом, наблюдают экономию потребления энергии, составляющую 22%, относительно непосредственного высушивания взвеси S'2, и связанный прирост производительности, составляющий 27%.
Размеры частиц взвесей перед и после мембранного концентрирования приведены в следующей таблице.
Суспензия
% частиц<0,5 мкм (*) в суспензии
S'2
59%
S3
62%
(*) Измерение осуществляли как в примере 1.
Эти данные позволяют заметить, что механические воздействия, которым подвергается взвесь диоксида кремния S2 (чтобы получить взвесь S3), практически не изменяют ее содержания тонкодисперсных частиц.
Пример 3
Применяемая суспензия осажденного диоксида кремния (S2) представляет собой взвесь диоксида кремния Z1165MP, полученную после этапа фильтрации с последующим этапом дробления осадка, полученного на этапе фильтрации, проявляющую следующие характеристики:
температура: 50°C;
pH: 6,0-6,5;
влажность: 84%.
Часть (S'2) суспензии S2 высушивают непосредственно путем распыления.
Остальную часть суспензии S2 подвергают этапу мембранного концентрирования на установке для фильтрации в тангенциальном потоке Carbosep, оснащенной мембраной Carbosep M9 с порогом отсечения 300 кДа. Скорость рециркулирующего потока устанавливают при 800 л/ч, а среднее трансмембранное давление составляет 2 бар.
2
Полученная концентрированная взвесь S3 имеет содержание сухого вещества 26% со средней скоростью потока по пермеату 100 л/ч/м.
Взвесь S3 с содержанием сухого вещества 26% затем распыляют, как в случае части S'2 суспензии S2.
Таким образом, наблюдают экономию потребления энергии, составляющую 46%, относительно непосредственного высушивания взвеси S'2, и связанный прирост производительности, составляющий 84%.
Способ согласно настоящему изобретению включает этап мембранного концентрирования, что, таким образом, позволяет достичь экономии энергии и повысить производительность при высушивании.