Способ получения жидкого стекла специального назначения

 

Изобретение относится к технологии получения жидкого стекла для производства строительных материалов. Сущность изобретения заключается в приготовлении суспензии из кремнеземсодержащего аморфного материала - микрокремнезема - отхода производства кристаллического кремния с размером частиц (10-200)•10^-6 м в растворе гидроксида натрия при соотношении твердой и жидкой фаз в суспензии Т:Ж=1 : (1,9-5,65) с последующей гидротермальной обработкой суспензии при давлении 0,2 МПа и температуре 100-120°С в течение 10-120 мин. Согласно изобретению достигается расширение диапазона значений силикатного модуля и плотности жидкого стекла, получение качественного однородного продукта особого химического состава, придающего высокую химическую стойкость и жаростойкость материалам и изделиям на основе жидкого стекла. 2 табл.

Изобретение относится к технологии получения жидкого стекла для производства строительных материалов.

Известен способ получения жидкого стекла, заключающийся в сплавлении щелочесодержащих компонентов (кальцинированная сода, поташ, сульфат натрия) и молотого кварцевого песка в силикат-глыбу при температуре 1300-1400^oC и дальнейшего ее растворения в автоклавах при температуре 150-175^oC и давлении 0,4-0,8 МПа в течение 4-6 ч [А.с. СССР N 272273, кл. C 01 B 33/32, 1970].

Недостатком этого способа является трудоемкость процесса, необходимость сложного технологического оборудования и большого расхода энергии.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ получения жидкого стекла, включающий приготовление суспензии из кремнеземсодержащего аморфного вещества в растворе гидроксида натрия и последующую гидротермальную обработку при 80-85^oC и атмосферном давлении в течение 40-120 мин. В качестве кремнеземсодержащего вещества в данном способе используется отход производства кристаллического кремния - микрокремнезем, на 83-93 мас.% состоящий из SiO₂ и с размером частиц (0,1-100)•10^-6 м. Концентрация Na₂O в растворе составляет 95-100 кг/м³, соотношение твердой и жидкой фаз 1:(2,3-5,1) [Патент РФ N 2085489, кл. C 01 B 33/32, 1997].

Недостатками способа являются невозможность использования получаемого жидкого стекла (без дополнительного введения добавок) в бетонах и растворах специального назначения (кислото- и жаростойких); сравнительно узкий диапазон значений силикатного модуля (n=1-3) и плотности (p=1,23-1,37 г/см³); неоднородность получаемого продукта из-за присутствия в сырье частиц с очень широким диапазоном их размера (от 0,1 до 100)•10^-6 м. Известно, что для растворения более мелких частиц требуется меньшее время и более низкие температуры, а сравнительно крупные частицы растворяются при более высоких температурах и за более длительный период. Таким образом, получаемое из микрокремнезема с размером частиц от 0,1 до 100•10^-6 м жидкое стекло характеризуется неоднородностью состава, а следовательно и неудовлетворительным качеством: либо в продукте присутствуют не полностью растворившиеся частицы (наиболее крупные), либо наблюдается наличие переваренных комплексов, полученных из наиболее мелких частиц микрокремнезема.

Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, является получение жидкого стекла со специальными свойствами; улучшение качества готового продукта (повышение его однородности); расширение диапазона его свойств.

Технический результат - расширение диапазона значений силикатного модуля и плотности жидкого стекла; получение качественного однородного продукта особого химического состава, обуславливающего высокую химическую стойкость и жаростойкость материалам и изделиям на основе жидкого стекла.

Указанный технический результат достигается тем, что приготовление суспензии в щелочном растворе гидроксида натрия осуществляют из кремнеземсодержащего аморфного материала - микрокремнезема - отхода производства кристаллического кремния с размером частиц (10-200)•10^-6 м, содержащего в своем составе 76-84 мас.% SiO₂ и 15-23 мас.% углеродистых примесей (графит и карборунд) при соотношении твердой и жидкой фаз в суспензии Т:Ж=1:(1,9-5,65), а гидротермальную обработку суспензии проводят при давлении 0,2 МПа и температуре 100-120^oC в течение 10-120 мин.

В качестве щелочного компонента используют натр едкий технический. В качестве кремнеземсодержащего аморфного материала используют отход производства кристаллического кремния - микрокремнезем.

Способ состоит в следующем. Отдозированные в заданных количествах исходные материалы: микрокремнезем, вода, известной концентрации щелочной раствор загружают в мешалку с механическим перемешиванием и глухим паропроводом. Химический состав микрокремнезема указан в табл. 1, концентрация Na₂O в растворе остается прежней, как и в прототипе: 95-100 кг/м³. Соотношение твердой и жидкой фаз составляет 1:(1,9-5,65). При постоянном перемешивании содержимое мешалки нагревают до температуры 80-85^oC. После этого подачу тепла отключают, а температура поднимается до 100-120^oC. Варится жидкое стекло при давлении 0,2 МПа в течение 10-120 мин.

Принятый температурный и временной режим процесса получения жидкого стекла обусловлен: 1. Высокодисперсным состоянием микрокремнезема.

Микрокремнезем - отход производства кристаллического кремния на Братском алюминиевом заводе. Удаляется микрокремнезем из газов, отходящих от рудотермической печи выплавки кристаллического кремния, перед выбросом их в атмосферу. Для этой цели используют газоочистное сооружение, которое условно можно разделить на несколько узлов: 1) Узел предварительной очистки газов. Здесь улавливаются крупные частицы и щепа. Узел включает в себя прямоточные циклоны.

2) Узел кондиционирования и охлаждения. Здесь происходит увлажнение газов мелкораспыленной водой. Узел включает в себя: скрубберы полного испарения, насосы, механические фильтры.

3) Узел пылеулавливания. Состоит из горизонтальных четырехпольных электрофильтров и системы пылеулавливания.

Для получения жидкого стекла по предлагаемому способу используется микрокремнезем, осевший в первом и во втором по ходу движения газов поле. Размер частиц такого микрокремнезема сравнительно мал и составляет (10-200)•10^-6 м. Сравнительно узкий диапазон размера частиц позволяет получать однородный качественный продукт (все частицы микрокремнезема успевают раствориться). Использование микрокремнезема первого и второго полей позволяет почти наполовину (всего четыре поля) утилизировать многотоннажный отход промышленности.

2. Увеличением доли микрокремнезема в суспензии (n=1-9), за счет чего увеличивается поверхность контакта между реагирующими частицами, что приводит к упрощению процесса получения жидкого стекла.

3. Особенностями химического состава микрокремнезема.

Производство кристаллического кремния основано на процессах рудовосстановления. Для выплавки кремния рудным компонентом служит богатый по кремнезему кварцит. В качестве восстановителя используют углеродистые материалы: древесный уголь, нефтекокс, древесная щепа и другие. Реакции протекают при температуре свыше 2000^oC. В этих условиях происходит образованию графита (C) и карборунда (SiC), частицы которых вместе с микрокремнеземом удаляются из газов, отходящих от печи выплавки кристаллического кремния, и улавливаются системой газоочистки. Количество углеродистых примесей в микрокремнеземе зависит от используемых сырьевых материалов, режима технологического процесса производства кристаллического кремния, а также технологии газоочистки (табл. 1) - наибольшее содержание углеродистых примесей в микрокремнеземе, осевшем в первом и втором по ходу движения газов поле.

Свойства графита и карборунда позволяют рассматривать их не как примеси, ухудшающие качества продукта, а как компонент сырьевой смеси, позволяющий упростить и сократить длительность технологического процесса производства жидкого стекла. Известно, что графит и карборунд обладают высокой теплопроводностью. За счет этого свойства равномерно распределенные в объеме микрокремнезема мельчайшие частицы C и SiC способствуют интенсификации процесса образования жидкого стекла.

Полученное предлагаемым способом жидкое стекло от углеродистого осадка не отделяют. Применяя в стройиндустрии неочищенное жидкое стекло, свойства графита и карборунда (химическая инертность и стойкость, механическая прочность и твердость, жаростойкость и огнеупорность) могут быть использованы в производстве строительных материалов специального назначения.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующим примером. В качестве кремнеземсодержащего компонента используют микрокремнезем, состоящий из частиц размером (10-200)•10^-6 м. В заданных соотношениях готовят суспензию из 210 г микрокремнезема, что исходя из химического состава составляет 164 г двуокиси кремния, 380 г едкого натра, что соответствует 164 г Na₂O, 1360 г воды. Соотношение твердой и жидкой фаз в суспензии равно 4,21. Все сырьевые компоненты: микрокремнезем, едкий натр и воду дозируют одновременно при непрерывном перемешивании. При давлении 0,2 МПа и постоянном перемешивании суспензию нагревают до 80-85^oC. При этой температуре начинает происходить растворение частичек SiO₂ в NaOH, что сопровождается повышением температуры до 100-120^oC. Такой режим в мешалке поддерживают до тех пор, пока суспензия не станет прозрачной, а на ее поверхности не появится тонкая пленочка (свидетельство полного растворения двуокиси кремния с образованием жидкого стекла). Продолжительность этого процесса 120 мин. Полученное жидкое стекло не очищают. Плотность готового продукта p=1,28 г/см³, силикатный модуль n=1.

Аналогичным образом приготовлены еще 8 составов жидкого стекла.

В таблице 2 приведены параметры получения жидкого стекла по предлагаемому способу, а также основные показатели, характеризующие свойства полученного жидкого стекла.

Данные таблицы показывают, что продолжительность гидротермальной обработки суспензии составляет 10-120 мин, температура технологического процесса получения жидкого стекла 100-120^oC, давление 0,2 МПа.

Предлагаемый способ позволяет значительно расширить диапазон значений силикатного модуля (n= 1-3 в прототипе, n=1-9 в предлагаемом варианте) и плотности жидкого стекла (p=1,23-1,37 г/см³ в прототипе и p=1,17-1,59 г/см³ в предлагаемом варианте). Кроме того, способ позволяет получить качественный однородный продукт особого химического состава, обуславливающий высокую химическую стойкость и жаростойкость материалам и изделиям на основе жидкого стекла. И наконец, увеличение доли микрокремнезема в суспензии (значения силикатного модуля до 9) и применение микрокремнезема двух из четырех полей способствует более полному использованию многотоннажного промышленного отхода, что позволяет организовать безотходное производство и тем самым способствует решению экологических проблем.

Формула изобретения

Способ получения жидкого стекла специального назначения, включающий приготовление суспензии из кремнеземсодержащего аморфного материала в щелочном растворе гидроксида натрия с последующей гидротермальной обработкой, отличающийся тем, что приготовление суспензии осуществляют из кремнеземсодержащего аморфного материала - микрокремнезема - отхода производства кристаллического кремния с размером частиц (10 - 200) • 10^-6 м, содержащего в своем составе 76 - 84 мас. % SiO₂ и 15 - 23 мас.% углеродистых примесей (графит и карборунд) при соотношении твердой и жидкой фаз в суспензии Т : Ж = 1 : (1,9 - 5,65), а гидротермальную обработку суспензии проводят при давлении 0,2 МПа и температуре 100 - 120°С в течение 10 - 120 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1