Способ гидротермического получения раствора силиката калия
Сущность изобретения: раствор силиката калия получают путем взаимодействия кристаллической двуокиси кремния с водным раствором гидроокиси калия при 215°С и устанавливающемся при этом давлении насыщенного водяного пара, осуществляемого в автоклаве, в качестве кристаллической двуокиси кремния используют кварц, взятый в 5 - 16%-ном избытке от стехиометрии и прошедший предварительный обжиг при 1300 - 1600°С в присутствии катализатора - щелочи. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к технологии получения жидкого стекла, в частности к способу гидротермического получения раствора силиката калия.
Известен способ гидротермического получения раствора силиката калия с соотношением двуокиси кремния и окиси железа до 2,7:1 путем взаимодействия водного раствора гидроокиси калия с избытком кварцевого песка при температуре 150-250oС и устанавливающемся при этом давлении насыщенного водяного пара. При этом образуется также труднорастворимый филлосиликат, который при температуре 600оС термически разлагается [1]. Недостаток известного способа заключается в том, что при его осуществлении получают растворы силиката калия с мольным соотношением двуокиси кремния и окиси калия, составляющим максимально лишь 2,7:1, что ограничивает технологические возможности растворов. Кроме того, необходимое термическое разложение филлосиликата отрицательно сказывается на энергозатратах. Целью изобретения является расширение технологических возможностей растворов силиката путем повышения мольного соотношения двуокиси кремния и окиси калия при одновременном снижении энергозатрат. Это достигается предлагаемым способом гидротермического получения раствора силиката калия путем взаимодействия кристаллической двуокиси кремния с водным раствором гидроокиси калия при повышенной температуре и при устанавливающемся при этом давлении насыщенного водяного пара, осуществляемого в закрытом автоклаве, за счет того, что в качестве кристаллической двуокиси кремния используют кварц, прошедший предварительный обжиг при температуре между 1100оС и его точкой плавления. С помощью предлагаемого способа можно получать растворы силиката калия, имеющие мольное соотношение двуокиси кремния и окиси калия свыше 2,75:1. предпочтительно 2,8-4,2: 1, а особенно предпочтительно 3,1-4,0:1. Обычно взаимодействие осуществляют при температуре 150-300оС и устанавливающемся при этом давлении, причем используют водный раствор гидроокиси калия с концентрацией 10-40 мас.%. Предпочтительно в качестве кристаллической двуокиси кремния используют кварц, прошедший предварительный обжиг при температуре 1200-1700оС, в частности 1300-1600оС, в присутствии каталитического количества щелочи. При обжиге кварц в основном преобразуется в кристобалит. Для осуществления предлагаемого способа предпочтительно используют свежеобожженный кристобалит, находящийся еще в нагретом состоянии. Обожженный таким образом кварц предпочтительно подвергают взаимодействию с водным раствором гидроокиси калия, имеющим концентрацию 15-30 мас.%, в закрытом автоклаве при температуре 200-230оС и устанавливающемся при этом давлении насыщенного водяного пара. Кристобалит, так же как и кварц, является кристаллической модификацией двуокиси кремния. Его получают практически исключительно искусственным путем, а именно путем кальцинации кварца, тем, что кварцевый песок непрерывно преобразуют при температуре примерно 1500оС в присутствии катализатора (щелочных соединений). Согласно предпочтительному варианту предлагаемого способа обожженный кварц используют в избытке до 100%, предпочтительно 2-30%, в пересчете на желаемое мольное соотношение двуокиси кремния и окиси калия в целевом продукте. В общем взаимодействие также можно осуществлять с избытком обожженного кварца, превышающем 100%, однако это обычно в техническом отношении не имеет смысла. Согласно изобретению особенно предпочтительно избыток обожженного кварца составляет 2-5% в пересчете на желаемое мольное соотношение двуокиси кремния и окиси натрия. Для осуществления предлагаемого способа можно использовать любой реактор, как их обычно используют для гидротермического синтеза калиевого жидкого стекла. Полученные с помощью предлагаемого способа растворы силиката калия (растворы калиевого жидкого стекла) можно использовать для всех известных целей, описываемых в литературе, например для изготовления наполнителей (осажденных кремневых кислот) в качестве клеевых веществ, в качестве связующего в красках, литейных вспомогательных веществах, носителях катализаторов, в качестве компонента в моющих и очистных средствах, а также в качестве компонента огнестойких материалов. Предлагаемый способ поясняется следующими примерами, которые проводят в лабораторном и техническом масштабах. В них в качестве обожженного кварца используют кристобалит, прошедший предварительный обжиг при температуре 1300-1600оС в присутствии щелочи в качестве катализатора. При проведении лабораторных примеров используют цилиндрический автоклав, обогреваемый снаружи до реакционной температуры с помощью носителя тепла. Условия осуществления реакций согласно примерам, а также результаты примеров приведены в табл.1. Для осуществления примеров в техническом масштабе в качестве реактора используют установленный горизонтально цилиндрический стальной автоклав емкостью примерно 24 м3, снабженный футеровкой из никеля. Автоклав вращается вокруг горизонтальной оси со скоростью примерно 6 об. в 1 мин. Обогревание оcущеcтвляетcя паром c давлением 20 и 25 бар, соответственно подаваемым непосредственно в автоклав через отверстие, выполненное в оси, и подключенную к автоклаву трубу. Используемая для осуществления примеров кристаллическая двуокись кремния, а именно полученный в результате обжига кварца кристобалит, содержит > 99,0 мас.% двуокиси кремния. Требуемый для осуществления процесса водный раствор гидроокиси калия (раствор едкого кали) нагревают примерно до 103оС с помощью вторичного пара с загрузки, подаваемого через сопло Вентури, установленное над запасным резервуаром для раствора едкого кали. Количество сырья (кристобалита и раствора едкого кали) измеряют с помощью весов. Сырье загружают в автоклав, его закрывают и переводят во вращение. Путем непосредственной подачи пара реакционную смесь нагревают до температуры примерно 215оС и держат при этой температуре. По истечении 30-120 мин при указанной температуре автоклав останавливают, и реакционную смесь через линию, соединенную с автоклавом с помощью фланца, под собственным давлением подают в циклонный отделитель, в котором осуществляют разделение на вторичный пар и раствор жидкого стекла, имеющий температуру примерно 105оС. Вторичный пар подсасывают и используют для подогрева следующей исходной смеси в сопле Вентури до точки кипения раствора, составляющей примерно 103оС. Полученный раствор жидкого стекла, имеющий температуру примерно 100оС, подают или в сосуд на седиментацию для грубого отделения твердых веществ, или при более высоких требованиях к прозрачности раствора на фильтр. Анализируют содержание двуокиси кремния и окиси калия получаемых растворов. Примеры в техническом масштабе осуществляют в условиях согласно примеру 4. Количество сырья 22000 кг. Получаемый примерно 41%-ный раствор калиевого жидкого стекла имеет мольное соотношение двуокиси кремния и окиси калия, составляющее 3,75: 1, что практически соответствует результату примера лабораторного масштаба. Процесс также можно осуществлять при сравнительно высокой концентрации твердого вещества, т.к. и при высоком соотношении двуокиси кремния и окиси калия в условиях реакции (215оС и 20 бар) раствор силиката калия имеет достаточную вязкость. По завершении реакции дополнительно можно подать воду или под давлением непосредственно в реактор, или в линию, ведущую к сосуду промежуточного хранения так, что раствор силиката калия, подаваемый через данную линию в сосуд промежуточного хранения, в достаточной степени разбавляется, в результате чего в сосуде при температуре примерно 100оС перед седиментацией или фильтрацией раствор силиката натрия имеет достаточную текучесть и достаточно низкую вязкость. Данный вариант процесса имеет то преимущество, что при высокой концентрации твердого вещества выход на единицу емкости и времени (кг твердого вещества на 1 м3 емкости реактора) гидротермической реакции чрезвычайно высок и разбавление получаемого продукта осуществляется вне реактора в линии, ведущей к отделителю. П р и м е р 1. Пример 1 подтверждает выгодное относительно сравнительно низкой концентрации исходного раствора использование кристобалита в стехиометрическом количестве в пересчете на заданное мольное соотношение двуокиси кремния и окиси калия в получаемом растворе силиката калия, составляющее 3,96:1. П р и м е р 2. По сравнению с примером 1 устанавливают повышенную концентрацию гидроокиси калия в исходном растворе при примерно одинаковом времени реакции с тем, чтобы определить влияние концентрации гидроокиси калия на скорость реакции и достигаемое соотношение двуокиси кремния и окиси калия в получаемом продукте. П р и м е р ы 3-5. С целью достижения повышенного мольного соотношения двуокиси кремния и окиси калия в реакционном растворе по сравнению с примером 1 используют повышающийся избыток (+5,10 и 16%) кристобалита в пересчете на заданное соотношение двуокиси кремния и окиси калия, составляющее 3,96:1. П р и м е р 6. При избытке кристобалита, составляющем 16%, в пересчете на заданное мольное соотношение двуокиси кремния и окиси калия, равное 3,96:1, продлевают время реакции. П р и м е р 7. Для определения влияния температуры обжига кварца на свойства получаемых водных растворов силиката калия кварц сперва подвергают обжигу при температуре 850-1600оС в присутствии каталитического количества щелочи, а затем его подвергают гидротермическому взаимодействию с раствором гидроокиси калия в следующих условиях: Температура реакции, оС 215 Время реакции, мин 30 Концентрация гидроокиси калия, мас;.% 25 Избыток двуокиси кремния, % 5 (в пересче- те на мольное соотношение 3,46:1 в кали- евом жидком стекле)Взаимодействие обожженного таким образом кварца в растворе едкого кали, в результате чего получают калиевое жидкое стекло, осуществляют с нижеприведенными количествами исходных веществ. Получаются приведенные в табл.2 степени конверсии и мольные соотношения. Взаимодействие обожженного песка в растворе едкого кали с получением калиевого жидкого стекла, мольное соотношение двуокиси кремния и окиси калия, равное 3,98:1. Для получения калиевого жидкого стекла нужно
36,02% (49,00 г) обожженного песка,
31,99% (43,53 г) 50%-ной гидроокиси калия,
31,99% (43,53 г) воды. Результаты показывают, что только использование кварца, обожженного при температуре свыше 1100оС в частности при температуре 1300оС и выше, приводит к достижению более высокой степени конверсии кристаллической двуокиси кремния и, следовательно, по сравнению с прототипом более высокого мольного соотношения двуокиси кремния и окиси калия в получаемом растворе силиката калия.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
Прежний патентообладатель:
ХЕНКЕЛЬ КОММАНДИТГЕЗЕЛЛЬШАФТ АУФ АКЦИЕН (DE)
Номер и год публикации бюллетеня: 5-2004
(73) Патентообладатель:
Когниз Дойчланд ГмбХ унд Ко. КГ (DE)
Договор № 18360 зарегистрирован 30.01.2004
Извещение опубликовано: 20.02.2004