RU2570674C2

RU2570674C2 - Method of producing solutions of alkali metal silicates and ammonium silicate

Info

Publication number: RU2570674C2
Application number: RU2013125546/05A
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Владимиров; Евгений Анатальевич Елькин; Борис Никитович Кравец
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Компания "Мария-Трэйд"
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2015-12-10
Also published as: RU2013125546A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention can be used in chemical, metallurgical, textile, paper and paint industry. First, quartz which is ground to grain size smaller than 50 mcm is mixed with insoluble quartz sand with grain size of -0.15+0.05 mm in amount of 5-20% of the weight of quartz and dissolved in alkali solutions at temperature of 120-170°C and pressure of up to 0.8 MPa. The obtained suspension is cooled and filtered. The alkali solutions can be prepared immediately before preparing solutions of alkali metal silicates and ammonium silicate. Amorphous silica can be added to the filtrate to increase the modulus.

EFFECT: obtaining pure solutions of alkali metal silicates and ammonium silicate, as well as mixtures thereof with modulus of 1-4,5, density of 1100-1500 kg/m³ and viscosity of 50-10000 mPa·s.

3 cl, 1 ex

Description

Предложен способ получения растворов силикатов щелочных металлов и силиката аммония, а также их смесей, которые могут быть использованы в химической, металлургической, текстильной, бумажной и лакокрасочной промышленности.A method for producing solutions of alkali metal silicates and ammonium silicate, as well as mixtures thereof, which can be used in the chemical, metallurgical, textile, paper and paint and varnish industries.

Известен способ /Пат. РФ №2220906/ получения жидкого стекла путем взаимодействия кремнеземсодержащего вещества с водным раствором гидроксида натрия при температуре 200-250°C. В качестве исходного кремнеземсодержащего вещества используют кварцевый песок фракции 0,1-0,315 мм, содержащий 95,5-98,15% SiO₂.The known method / Pat. RF №2220906 / receiving liquid glass by reacting a silica-containing substance with an aqueous solution of sodium hydroxide at a temperature of 200-250 ° C. As the starting silica-containing substance, quartz sand of a fraction of 0.1-0.315 mm containing 95.5-98.15% SiO _{2 is used} .

Известен способ /Фишман И.Р. Современные способы производства жидкого стекла. // Технология, экономика, организация производства и управления. Сер. 8. Вып. 37. М.: 1989, 40 с./ получения жидкого стекла, в основе которого лежит использование шлама-отхода электрохимической очистки крупного литья, содержащего свыше 50% щелочных оксидов, используемого для получения щелочного раствора. В качестве кремнеземсодержащего сырья используют кварцевый песок, который подвергают виброизмельчению, после чего смешивают со щелочным раствором и водой в требуемых соотношениях. Варку стекла осуществляют при температуре 215-225°C (2,9-2,5 МПа). Недостатки данных способов связаны с высокими параметрами водяного пара.The known method / Fishman I.R. Modern methods for the production of liquid glass. // Technology, economics, organization of production and management. Ser. 8. Issue 37. M .: 1989, 40 C. / receive liquid glass, which is based on the use of sludge waste electrochemical treatment of large castings containing over 50% alkaline oxides used to obtain an alkaline solution. As silica-containing raw materials, quartz sand is used, which is subjected to vibration grinding, and then mixed with an alkaline solution and water in the required proportions. Glass is melted at a temperature of 215-225 ° C (2.9-2.5 MPa). The disadvantages of these methods are associated with high parameters of water vapor.

Известен способ /Пат. США №6524543/ получение растворимых силикатов из кремнезема биогенного происхождения путем растворения золы рисовой шелухи в растворе сильной щелочи в присутствии активного углеродсодержащего материала. Недостатками данного способа является то, что жидкое стекло представляет собой жидкость с непостоянным составом, окрашенную в темный цвет коллоидными частицами углерода. Очистка и осветление таких жидкостей затруднительна.The known method / Pat. US No. 6524543 / obtaining soluble silicates from silica of biogenic origin by dissolving rice husk ash in a solution of strong alkali in the presence of an active carbon-containing material. The disadvantages of this method is that liquid glass is a liquid with an unstable composition, colored in dark color by colloidal carbon particles. Cleaning and clarifying such liquids is difficult.

Известны способы получения жидкого стекла на основе природного кремнеземсодержащего сырья, например, с использованием диатомита /Пат. РФ №2064431, а.с. СССР №1296509/, трепела /Пат. РФ №2063665/, перлита /А.с. СССР №1636336, а.с. СССР №1551650, а.с. СССР №1296509, а.с. СССР №1244092/, смеси диатомита и перлита /А.с. СССР №1296509, а.с. СССР №1244092/, синтетического аморфного кремнезема /А.с. СССР №865795, а.с. СССР №1801945, пат. РФ 2285665, пат. РФ 2314997.Known methods for producing liquid glass based on natural silica-containing raw materials, for example, using diatomite / Pat. RF №2064431, a.s. USSR No. 1296509 /, Tripoli / Pat. RF №2063665 /, perlite / А.с. USSR No. 1636336, a.s. USSR No. 1551650, a.s. USSR No. 1296509, a.s. USSR No. 1244092 /, a mixture of diatomite and perlite / A.s. USSR No. 1296509, a.s. USSR No. 1244092 /, synthetic amorphous silica / A.s. USSR No. 865795, A.S. USSR No. 1801945, US Pat. RF 2285665, US Pat. RF 2314997.

Известные способы получения жидкого стекла из разнообразного кремнеземсодержащего материала направлены на упрощение процесса, увеличение выхода готового продукта и повышение модульности жидкого стекла. Для этого либо используют дополнительные компоненты /Пат. РФ №2023655, а.с. СССР №1636336, а.с. СССР №1243883/, либо предварительно измельчают сырье /А.с. СССР №1634636, а.с. СССР №1551650, а.с. СССР №865795/, либо обрабатывают его водой или слабым раствором щелочи. Основной процесс ведут при температуре 80-100°C /Пат. РФ №2023655, а.с. СССР №1611860, а.с. СССР №1118613/ с использованием крепких растворов щелочей /А.с. СССР №1118613, а.с. СССР №1244092/. Если варка стекла происходит при температуре выше 100°C, то создается избыточное давление /А.с. СССР №919992/. Основным недостатком рассмотренных способов получения жидкого стекла с использованием природных кремнеземсодержащих материалов является необходимость проведения процессов при высоких давлениях (до 2,5 МПа), присутствие растворимых примесей и красящих веществ, которые при гидротермальной обработке переходят в стекло, ухудшая, таким образом, его качество.Known methods for producing liquid glass from a variety of silica-containing material are aimed at simplifying the process, increasing the yield of the finished product and increasing the modularity of liquid glass. For this, either additional components are used / Pat. RF №2023655, and.with. USSR No. 1636336, a.s. USSR No. 1243883 /, or pre-crushed raw materials / A.s. USSR No. 1634636, a.s. USSR No. 1551650, a.s. USSR No. 865795 /, or treat it with water or a weak solution of alkali. The main process is carried out at a temperature of 80-100 ° C / Pat. RF №2023655, and.with. USSR No. 1611860, a.s. USSR No. 1118613 / using strong alkali solutions / A.s. USSR No. 1118613, A.S. USSR No. 1244092 /. If glass is melted at a temperature above 100 ° C, an overpressure of / A.s is created. USSR No. 919992 /. The main disadvantage of the considered methods for producing liquid glass using natural silica-containing materials is the need for processes at high pressures (up to 2.5 MPa), the presence of soluble impurities and dyes, which, when hydrothermally processed, pass into glass, thus deteriorating its quality.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ а.с. СССР №865795 получения высокомодульного жидкого стекла. Сущность способа заключается в следующем. Низкомодульное жидкое стекло смешивается с аморфной двуокисью кремния, которая растворяется при давлении 0,5-0,6 атм. Недостатком данного способа является использование избыточного давления при растворении аморфного кремнезема, а также отсутствие возможности получения продуктов различного химического состава.Closest to the claimed technical solution is the method and.with. USSR No. 865795 obtaining high-modulus liquid glass. The essence of the method is as follows. Low-modulus liquid glass is mixed with amorphous silicon dioxide, which dissolves at a pressure of 0.5-0.6 atm. The disadvantage of this method is the use of excess pressure in the dissolution of amorphous silica, as well as the inability to obtain products of various chemical composition.

Технический результат предлагаемого метода заключается в возможности получения чистых растворов силикатов щелочных металлов и силикатов аммония, а также их смесей с модулем от 1 до 4,5, плотностью от 1100 до 1500 кг/м³ и вязкостью 50-10000 мПа·с.The technical result of the proposed method lies in the possibility of obtaining pure solutions of alkali metal silicates and ammonium silicates, as well as their mixtures with a module of 1 to 4.5, a density of 1100 to 1500 kg / m ³ and a viscosity of 50-10000 MPa · s.

Технический результат достигается следующим образом. В качестве кремнеземсодержащего вещества используется кварцевая мука крупностью менее 50 мкм, полученная измельчением кварцевого песка, которая взаимодействует с водными растворами гидроксидов щелочных металлов или аммония по отдельности или в смеси в зависимости от вида получаемого жидкого стекла. При этом в измельченный кварц добавляется от 5 до 20% кварцевой муки крупностью -0,15+0,05 мм, при которой он практически не растворим в щелочах. Это делается для создания намывного слоя при фильтрации готовой суспензии, что позволяет получать чистые фильтраты. Растворы гидроксидов щелочных металлов готовятся из твердых едких щелочей непосредственно перед проведением процесса получения жидкого стекла, что позволяет использовать теплоту их растворения, тем самым уменьшая энергозатраты на нагрев. В случае получения аммониевых жидких стекол используется гидроксид аммония. При необходимости получения смешанных жидких стекол, содержащих силикат аммония, гидроксид аммония добавляется в приготовленный раствор щелочей. Процесс взаимодействия производится при температуре 120-170°C и давлении до 0.8 МПа в течение 1,5-5 часов. При этом получаются растворы силикатов щелочных металлов, аммония или их смеси с силикатным модулем от 1 до 2.6, различными химическим составом и физическими свойствами. Полученные низкомодульные жидкие стекла благодаря своей низкой вязкости относительно легко фильтруются под давлением с получением чистых фильтратов, что позволяет в дальнейшем, при использовании синтетических аморфных кремнеземов, получать чистые жидкие стекла с высокими плотностями и вязкостью, исключая при этом низкоэффективные методы отстаивания или дорогостоящее упаривание. Для получения жидких стекол более высокого модуля от 2,6 до 4,5 в полученный при растворении кварца фильтрованный раствор добавляется синтетический кремнезем с аморфной структурой или природные минералы, его содержащие, с последующей выдержкой при перемешивании 30-200 мин и температуре 50-95°C.The technical result is achieved as follows. The silica-containing substance used is silica flour with a particle size of less than 50 microns, obtained by grinding quartz sand, which interacts with aqueous solutions of alkali metal or ammonium hydroxides individually or in a mixture, depending on the type of liquid glass obtained. At the same time, from 5 to 20% quartz flour with a fineness of -0.15 + 0.05 mm is added to the crushed quartz, at which it is practically insoluble in alkalis. This is done to create an alluvial layer when filtering the finished suspension, which allows you to get clean filtrates. Solutions of alkali metal hydroxides are prepared from solid caustic alkalis immediately before the liquid glass production process, which allows the heat of their dissolution to be used, thereby reducing energy consumption for heating. In the case of the production of ammonium liquid glasses, ammonium hydroxide is used. If it is necessary to obtain mixed liquid glasses containing ammonium silicate, ammonium hydroxide is added to the prepared alkali solution. The interaction process is carried out at a temperature of 120-170 ° C and pressure up to 0.8 MPa for 1.5-5 hours. In this case, solutions of alkali metal, ammonium silicates or mixtures thereof with a silicate module from 1 to 2.6, various chemical composition and physical properties are obtained. Owing to their low viscosity, the obtained low-modulus liquid glasses are relatively easily filtered under pressure to obtain pure filtrates, which makes it possible to obtain pure liquid glasses with high densities and viscosities using synthetic amorphous silicas, eliminating low-efficiency settling methods or costly evaporation. To obtain liquid glasses of a higher modulus from 2.6 to 4.5, synthetic silica with an amorphous structure or natural minerals containing it are added to the filtered solution obtained by dissolving quartz, followed by aging with stirring for 30-200 min and a temperature of 50-95 ° C.

Отличительными особенностями предложенного метода являются:Distinctive features of the proposed method are:

1. Использование в качестве сырья для получения низкомодульного жидкого стекла кварцевого песка крупностью менее 0,05 мм, что позволяет проводить процесс при давлении не более 0,8 МПа, что значительно ниже (в 3 раза) чем в имеющихся прототипах. Это позволяет осуществлять процессы на стандартном оборудовании.1. The use of silica sand with a grain size of less than 0.05 mm as a raw material for the production of low-modular liquid glass, which allows the process to be carried out at a pressure of not more than 0.8 MPa, which is significantly lower (3 times) than in existing prototypes. This allows processes to be carried out on standard equipment.

2. Использование теплоты растворения едких щелочей для уменьшения энергетических затрат на нагрев реакционной суспензии.2. Using the heat of dissolution of caustic alkalis to reduce the energy costs of heating the reaction suspension.

3. Возможность получения растворов силикатов щелочных металлов и силиката аммония с заданными свойствами.3. The ability to obtain solutions of alkali metal silicates and ammonium silicate with desired properties.

4. Возможность получения чистых фильтратов жидких стекол путем создания искусственного намывного слоя.4. The ability to obtain clean filtrates of liquid glasses by creating an artificial alluvial layer.

5. Получения фильтрованных растворов жидких стекол высокой плотности и вязкости без применения энергоемкой операции упаривания, путем использования двухстадийного способа увеличения модуля с применением полностью растворимого кремнезема на второй стадии.5. Obtaining filtered solutions of liquid glasses of high density and viscosity without the use of energy-intensive operation of evaporation, by using a two-stage method of increasing the module using fully soluble silica in the second stage.

Ниже представлен пример осуществления данного способа.The following is an example implementation of this method.

Пример 1. 1100 г кварца смешивается с 2500 г воды, 200 г едкого калия и 350 г каустической соды. Полученная суспензия нагревается до 120-160°C (P=0,6-0,8 МПа) и выдерживается при постоянном перемешивании в течение 1,5-3 часов, по истечении данного времени суспензия охлаждается до 90°C и фильтруется. В результате получилось 3,2 кг Na-K жидкого стекла с модулем 2.5. Далее в полученный фильтрат с температурой 70-90°C добавляется аморфный кремнезем с содержанием SiO₂ - 90% в количестве 200-270 г и перемешивается в течение 0,5-1,5 часов, в результате получается 3,4 кг Na-K жидкого стекла с модулем 3.3.Example 1. 1100 g of quartz is mixed with 2500 g of water, 200 g of potassium hydroxide and 350 g of caustic soda. The resulting suspension is heated to 120-160 ° C (P = 0.6-0.8 MPa) and maintained with constant stirring for 1.5-3 hours, after which time the suspension is cooled to 90 ° C and filtered. The result was 3.2 kg of Na-K water glass with a module of 2.5. Then, amorphous silica with a SiO ₂ content of 90% in an amount of 200-270 g is added to the obtained filtrate with a temperature of 70-90 ° C and stirred for 0.5-1.5 hours, resulting in 3.4 kg of Na-K liquid glass with a module 3.3.

Claims

1. The method of obtaining solutions of alkali metal silicates and ammonium silicate, as well as mixtures thereof, characterized in that insoluble silica sand with a particle size of -0.15 + 0.05 mm in an amount of 5-20% from the mass of quartz is dissolved in alkali solutions at a temperature of 120-170 ° C and pressure up to 0.8 MPa, followed by cooling of the resulting suspension and its filtration.

2. The method according to p. 1, characterized in that the alkali solutions are prepared from caustic alkalis immediately before obtaining solutions of alkali metal silicates and ammonium silicate.

3. The method according to p. 1, characterized in that the module is increased by adding amorphous silica to the filtrate.