СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНОГО АМОРФНОГО МИКРОКРЕМНЕЗЕМА
METHOD OF OBTAINING FINELY-DISPERSE AMORPHOUS MICROSILICA

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к производству модифицированных добавок для бетонов, строительных растворов, сухих строительных смесей, теплоизоляционных материалов.
Известен способ получения осажденного кремнеземного наполнителя, включающий карбонизацию раствора жидкого стекла углекислым газом, нейтрализацию, гидромеханическую обработку образовавшейся суспензии, фильтрацию, промывку и сушку осадка. Гидромеханическую обработку осуществляют в гидродинамическом акустическом аппарате с роторным излучателем при скорости движения суспензии 1-2 м/с (RU 2023664, МПК C01B 33/18, C09C 1/28, опубл. 30.11.1994).
Недостатком известного способа являются многооперационность, использование для нейтрализации серной кислоты, что вызывает образование сернокислых стоков, удорожание процесса, усложнение аппаратурного оформления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ получения тонкодисперсного аморфного микрокремнезема, заключающийся в перемешивании предварительно просушенной до 5-6%-ной влажности и прокаленной в муфельной печи при температуре 900-1000°C силикатной породы массой ~1,0 г с 6-кратным количеством щелочного плавня, состоящего из смеси безводных карбонатов калия и натрия, сплавлении их смеси в муфельной печи при температуре 800°C в течение 30 мин в платиновом тигле до образования жидкой массы без крупинок. Платиновый тигель с плавом щипцами вынимают из муфельной печи, вращательным движением распределяют расплавленную массу по стенкам, тигель быстро погружают в фарфоровую чашку, заполненную на половину дистиллированной водой для охлаждения плава, который переносят в жаростойкий стакан. Для выделения кремниевой кислоты содержимое тигля выщелачивают дистиллированной водой, нагретой до 70-80°С. Обработку плава дистиллированной водой повторяют до полного обезвоживания кремниевой кислоты. Последние следы плава удаляют обработкой небольшим количеством концентрированного раствора соляной кислоты. Жаростойкий стакан покрывают часовым стеклом, нагревают на водяной бане, добавляют 10 мл концентрированного раствора соляной кислоты для осаждения кремниевой кислоты. После замедления реакции раствор перемешивают, ставят на водяную баню и выпаривают до прекращения выделения углекислого газа. Затем часовое стекло снимают, ополаскивают минимальным объемом воды. Полученный раствор должен быть кислым. Отделение оксида кремния (IV) основано на осаждении минеральными кислотами (соляная или хлорная кислота), выделяющимися в виде студенистого гидрогеля. При этом часть его остается в коллоидном состоянии в виде гидрозоля. Для полного отделения оксида кремния (IV) необходимо полученные гидрогель и гидрозоль превратить в нерастворимую форму - в гидрофобный необратимый коллоид. Последнее достигается обезвоживанием геля не менее чем двухкратной обработкой осадка путем добавления по 5 мл концентрированного раствора соляной кислоты, закрывают жаростойкий стакан часовым стеклом, нагревают раствор на водяной бане, приливают 50 мл дистиллированной воды при температуре 70-80°C и выпаривают раствор на водяной бане в течение 5 мин до полного обезвоживания гидратированного оксида кремния (IV). Отделение оксида кремния (IV) осуществляют фильтрованием через неплотный беззольный фильтр (белая лента), собирая фильтрат в стакан емкостью 400 мл и промывая осадок 1%-ным раствором соляной кислоты до отрицательной реакции на ионы железа (III) с роданидом. Сушку осадка производят на фильтре, затем в чашке Петри в сушильном шкафу при температуре 90-120°С. Проводят контролирование pH среды титрованием 0,1 M-ным раствором гидроксида калия с метиловым оранжевым после выщелачивания, до фильтрования и после промывания (Сунин А.Н., Седова А.А, Рыбкина А.А., Ускова Е.Н. Методические указания к практикуму по количественному анализу. - 3-е изд., испр. и доп. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005. - С.29).
К недостаткам известного способа следует отнести трудоемкость процесса выщелачивания плава из тигля, небольшой выход тонкодисперсного аморфного микрокремнезема из силикатной породы вследствие использования небольшой массы навески.
Технический результат заключается в снижении трудоемкости процесса выщелачивания плава из тигля, что является экономичным и энергосберегающим фактором, а также в увеличении выхода тонкодисперсного аморфного микрокремнезема.
Сущность изобретения заключается в том, что способ включает перемешивание предварительно просушенного и прокаленного в муфельной печи кремнеземсодержащего сырья с 6-кратным количеством щелочного плавня, сплавление их смеси в муфельной печи в тигле, перенесение плава в жаростойкий стакан, выделение кремниевой кислоты выщелачиванием плава дистиллированной водой, обработку плава дистиллированной водой до полного обезвоживания кремниевой кислоты, осаждение кремниевой кислоты концентрированным раствором соляной кислоты, выпаривание раствора до прекращения выделения углекислого газа, проведение двух-, трехкратной обработки осадка добавлением концентрированного раствора соляной кислоты, приливание дистиллированной воды и выпаривание раствора на водяной бане до полного обезвоживания гидратированного оксида кремния (IV), отделение оксида кремния (IV) осуществляют фильтрованием, собирая фильтрат в стакан и промывая осадок раствором соляной кислоты до отрицательной реакции на ионы железа (III) с роданидом, сушку осадка производят на фильтре, затем в чашке Петри в сушильном шкафу, проводят контролирование рН среды титрованием 0,1 M-ным раствором гидроксида калия с метиловым оранжевым после выщелачивания, до фильтрования и после промывания. В качестве кремнеземсодержащего сырья используют диатомит массой 5-8 г, после перемешивания его с щелочным плавнем производят сплавление полученной смеси в муфельной печи в алундовом или корундовом тигле в течение 40-50 мин с последующим выливанием плава на силикатную основу. После перенесения плава в жаростойкий стакан и выделения кремниевой кислоты выщелачиванием плава дистиллированной водой осуществляют обработку его 100-200 мл дистиллированной воды, осаждение кремниевой кислоты производят добавлением 30-40 мл концентрированного раствора соляной кислоты и выпаривают раствор до прекращения выделения углекислого газа на песчаной бане. Проводят не менее чем двухкратную обработку осадка добавлением по 10-20 мл концентрированного раствора соляной кислоты, затем приливают 100-200 мл дистиллированной воды, после выпаривания раствора проводят отделение оксида кремния (IV) фильтрованием, промывая осадок 0,5%-ным раствором соляной кислоты.
3
2
4
Диатомит - кремнеземсодержащее сырье, сцементированная порода светло-серого цвета. В порошке появляется желтый оттенок. Порошок диатомита не растворим в кислотах (HCl, HNO, HSO) и относится к кислым породам. Для переведения его в раствор необходимо сплавление. Для получения тонкодисперсного аморфного микрокремнезема использовалось Атемарское месторождение диатомита (Республика Мордовия).
2
3
3
3
Способ осуществляют следующим образом. Предварительно размельчают и растирают в агатовой ступке до состояния пудры просушенный до 5-6%-ной влажности и прокаленный в муфельной печи при температуре 900-1000°C диатомит массой 5-8 г. Растирают в фарфоровой ступке 6-кратное количество щелочного плавня, состоящего из смеси безводных карбонатов калия и натрия (NaCO+KCO). Перемешивают диатомит и щелочной плавень в алундовом или корундовом тигле.
n
n-1
2n
n
n-1
2n+2
3
2
2
2
2
2
Сплавление их смеси в муфельной печи в алундовом или корундовом тигле при температуре 800°С осуществляют в течение 40-50 мин с последующим выливанием плава на силикатную основу. Переносят плав в жаростойкий стакан, выделяют кремниевую кислоту выщелачиванием плава дистиллированной водой, нагретой до 70-80°C. Проводят контролирование рН среды титрованием 0,1 M-ным раствором гидроксида калия (КОН) с метиловым оранжевым. Обработку плава осуществляют 100-200 мл дистиллированной водой до полного обезвоживания кремниевой кислоты (SiO(OH+2)). Осаждение кремниевой кислоты (SiO(OH)) производят добавлением малыми порциями 30-40 мл концентрированного раствора соляной кислоты (HCl) и после замедления реакции (NaKCO+2HCl→CO↑+NaCl+НО) выпаривают раствор на песчаной бане до прекращения выделения углекислого газа (CO). Проводят не менее чем двухкратную обработку осадка добавлением по 10-20 мл концентрированного раствора соляной кислоты (HCl), затем приливают 1 100-200 мл дистиллированной воды, нагретой до 70-80°C, и выпаривают раствор на водяной бане в течение 5 мин до полного обезвоживания гидратированного оксида кремния (IV) (SiO). Проводят контролирование рН среды титрованием 0,1 M-ным раствором гидроксида калия (КОН) с метиловым оранжевым. Отделение оксида кремния (IV) (SiO) осуществляют фильтрованием, собирая фильтрат через неплотный беззольный фильтр (белая лента) в стакан емкостью 400-600 мл и промывая осадок 0,5%-ным раствором соляной кислоты (HCl) до отрицательной реакции на ионы железа (III) с роданидом. Проводят контролирование рН среды титрованием 0,1 M-ным раствором гидроксида калия (КОН) с метиловым оранжевым. Сушку осадка производят на фильтре, затем в чашке Петри в сушильном шкафу при температуре 90-120°C.
Размер частиц полученного тонкодисперсного аморфного микрокремнезема определяют с помощью оптического микроскопа Nikon-LV-150. Установлено, что полученный микрокремнезем из Атемарского месторождения диатомита имеет размер 5-10 мкм. Выход продукта из диатомита составляет 70-80%, количество влаги составляет до 30%. Термографическим методом доказано, что при нагревании порошка диатомита от 70 до 165°C образец теряет приблизительно 21% своей массы за счет удаления адсорбционной воды. С повышением температуры до 250-400°C потеря в массе составляет 5,7%, вероятно за счет удаления поровой воды. С повышением температуры до 420 500°C потеря массы составляет 1,7%. Дальнейший рост температуры до 1200°C не сопровождается изменением массы.
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет снизить трудоемкость процесса выщелачивания плава из тигля, что является экономичным и энергосберегающим фактором. Кроме того, позволяет увеличить выход тонкодисперсного аморфного микрокремнезема до 70-80%.