Способ подготовки рисовой шелухи для получения высокочистого диоксида кремния

 

Изобретение относится к области производства диоксида кремния. Способ подготовки рисовой шелухи для получения высокочистого диоксида кремния включает ее рассев, промывку в холодной и горячей воде, промывку в кислотном растворе, сбор и удаление всплывших частиц рисовой шелухи, их обжим при давлении 0,01-10 МПа. Промывку горячей водой ведут в автоклаве при температуре не ниже 100^oС и давлении не менее 0,101 МПа, промывку в кислотном растворе ведут при температуре кипения или в автоклаве при температуре не ниже 100^oС и давлении не менее 0,101 МПа. Дополнительно рисовую шелуху обрабатывают в вакууме, в водном растворе углекислого газа и промывают водным раствором спирта. После кислотной промывки и промывки водой выполняют вакуумную обработку путем сброса давления от атмосферного до 1-10 кПа в течение 0,01-1 с. Обработку водным раствором углекислого газа проводят в автоклаве при давлении не менее 0,101 МПа в течение 1-6 ч. Рисовую шелуху промывают в водном 1-95%-ном растворе этилового или метилового спирта в открытой ванне или в автоклаве при температуре 50-150^oС. Изобретение позволяет получить диоксид кремния высокой чистоты. 3 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к производству диоксида кремния.

Известны способы получения аморфного диоксида кремния из рисовой шелухи (см. заявку 86-104705, С О3 В 33, Китай; патент Индии 159017, С 01 С 33/13; патент РФ 2061656), в которых описывается процесс подготовки шелухи перед высокотемпературной обработкой. Процесс подготовки шелухи включает промывку водой и кислотными растворами в холодном или подогретом состоянии.

По указанным патентам получают аморфный диоксид кремния c чистотой от 82 до 99,9%.

Наиболее близким по технической сущности является изобретение по патенту РФ 2161124 "Способ подготовки рисовой шелухи для получения высокочистого диоксида кремния" от 16.09.1999 г. В указанном изобретении способ включает рассев шелухи, промывку в воде при 80-90^oС, сбор и удаление всплывших частиц, промывку в растворе кислоты при 80-95^oС, обжим рисовой шелухи при давлении 0,01-10 МПа, промывку в холодной воде, в растворе кислоты, а затем в горячей и в холодной дистиллированной воде. Используя данный процесс, получают SiO₂ с чистотой 99,9-99,999%.

Однако процесс подготовки длителен, требует оборудование с мешалками и в недостаточной степени убирает примеси СаО.

Целью предлагаемого технического решения является получение диоксида кремния с чистотой не менее 99,9995%, глубокая очистка от СаО и сокращение продолжительности энергопотребляющих процессов.

Поставленная цель достигается тем, что по способу подготовки рисовой шелухи для получения высокочистого диоксида кремния исходную шелуху рассеивают, промывают в холодной и горячей воде, промывают в кислотном растворе, осуществляют сбор и удаление всплывших частиц рисовой шелухи, их обжим при давлении 0,01-10 МПа, при этом промывку шелухи горячей водой проводят в автоклаве при температуре не менее 100^oС и давлении не менее 0,101 МПа в течение 0,5-2,0 ч; промывку в водном кислотном растворе проводят при температуре кипения в течение 1-2 ч или в автоклаве при температуре не менее 100^oС и давлении не менее 0,101 МПа в течение 0,5-2,0 ч; промывку водой после кислотной промывки производят в кипящей воде в течение 10-15 мин; производят вакуумную обработку путем сброса давления от атмосферного до 1-10 кПа в течение 0,01-1,0 с; выполняют обработку углекислым газом в автоклаве при давлении не менее 0,101 МПа в течение 1-6 ч; промывают горячим кислотным раствором и горячей водой; заключительную стадию промывки ведут в водном 1-95%-ном растворе спирта в открытой ванне или в автоклаве при температуре 50-150^oС.

Предлагаемая обработка в автоклаве позволяет быстрее и полнее растворить органические соединения за счет повышения температуры.

Предлагаемая обработка в кипящей среде (в воде и в кислотном растворе), во-первых, позволяет быстрее и полнее растворить органические вещества в шелухе, а, во-вторых, позволяет использовать оборудование без мешалок, так как в процессе кипения перемешивание происходит самопроизвольно.

Предлагаемая обработка вакуумом путем быстрого сброса давления от атмосферного до 1-10 кПа в течение 0,01-1,0 с позволяет разрушить, разрыхлить внутреннюю скелетную структуру шелухи за счет резкого испарения жидкости, заключенной внутри частиц шелухи, и быстрого расширения образовавшегося пара. Больший перепад давления обеспечивает больший эффект разрушения внутренней структуры. Разрыхленная структура частиц шелухи в дальнейшем лучше промывается водой и кислотным раствором.

Предлагаемая обработка углекислым газом позволяет растворить в воде оксид СаО и удалить растворенное вещество промывкой водой. Процесс ведут по известным химическим реакциям: СаО+Н₂О=Са(ОН₂); Са(ОН₂)+СО₂=СаСО₃+Н₂O; СаСО₃+СO₂+Н₂O=Са(НСO₂)₂ Вещество Са(НСO₂)₂ является водорастворимым, которое удаляется вместе с водой. Процесс обработки углекислым газом ведут в автоклаве для того, чтобы сократить расход С0₂ и повысить скорость реакции при повышении давления.

Предлагаемая промывка спиртом (водным раствором этилового или метилового спирта) позволяет дополнительно растворить в шелухе спирторастворимые соединения, а в дальнейшем ускорить процесс сушки за счет большей летучести спиртов, чем воды.

Примеры В примерах 2-6 показано, как влияет продолжительность промывки в воде в автоклаве в растворах кислоты при кипении и в спирте на качество продукции. В примерах 8-10 показано влияние обработки вакуумом. Эффект использования автоклава в химических реакциях общеизвестен - ускорение реакций. Поэтому мы приводим только один пример с применением умеренно повышенных давления и температуры. В примерах 2, 15-18 показано влияние продолжительности обработки углекислым газом на содержание СаО в конечном продукте.

1. Просеивание; промывка в холодной воде; сбор и удаление всплывших частиц; промывка в воде при 85-90^oС 1,5-2,0 ч; промывка в холодной воде; сбор и удаление всплывших частиц; промывка 10%-ной серной кислотой при 85-95^oС 2 ч; промывка в горячей воде при 85-95^oС 10-15 мин; промывка в холодной воде; обжим в пресс-давилке при давлении 10 МПа; промывка в холодной воде; промывка в 5%-ной серной кислоте (вода деионизированная ), Т=85-95^oС, 1,5-2,0 ч; промывка в деионизированной воде при 85-95^oС 20-30 мин; 4-кратная промывка в холодной деионизированной воде.

Продолжительность энергопотребляющих процессов составляет 430-505 мин. Содержание органики в подготовленной шелухе составляет 0,005%.

Далее следуют операции термообработки для получения диоксида кремния. В результате получают SiO₂ с чистотой 99,999%.

Данный пример соответствует оптимальному режиму по патенту РФ 2161124.

2. Режим подготовки шелухи средний по всем параметрам.

Просеивание; промывка в холодной воде; сбор и удаление всплывших частиц; промывка в воде в автоклаве при Р=0,15 МПа и Т= 120^oС 90 мин; промывка холодной водой; сбор и удаление всплывших частиц; промывка 20%-ной серной кислотой при температуре кипения 90 мин; промывка водой кипячением 15 мин; обработка вакуумом - сброс давления с атмосферного до 10 кПа за 1,0 с, например, с помощью ручного вентиля; обработка углекислым газом в автоклаве (вода деионизированная) при Р= 0,15 МПа 4 ч; промывка холодной деионизированной водой 2 раза; промывка в кипящем 15%-ном кислотном растворе (вода деионизированная) 20 мин; 4-кратная промывка кипячением по 10 мин в деионизированной воде; промывка в 50%-ном водном растворе этилового спирта (вода деионизированная), Т=80^oС, 30 мин.

Продолжительность энергопотребляющих процессов составляет 525 мин. Содержание органики в подготовленной шелухе по сравнению с примером 1 сократилось в 2,5 раза и составляет 0,002%. Из такой шелухи получают SiO₂ с чистотой 99,9995%.

3. Все операции, как в примере 2, но промывка водой в автоклаве в течение 30 мин; промывка 20%-ной кипящей серной кислотой в течение 60 мин; вторая промывка в кипящей 15%-ной серной кислоте в течение 15 мин; промывка в 50%-ном спирте при 80^oС 15 мин .

Продолжительность энергопотребляющих процессов сократилась до 415 мин. Содержание органики в подготовленной шелухе составляет 0,003%.

В результате из такой шелухи получают SiO₂ с чистотой 99,9995%.

4. Все операции, как в примере 2, но промывка водой в автоклаве в течение 120 мин; промывка кипящей 20%-ной серной кислотой в течение 120 мин; вторая промывка в кипящей 15%-ной серной кислоте в течение 55 мин; промывка в 50%-ном спирте в течение 60 мин при 80^oС.

Продолжительность энергопотребляющих процессов повысили до 650 мин, и содержание органики в подготовленной шелухе снизилось до 0,001%. Из такой шелухи получают SiO₂ c чистотой 99,9998%.

5. Минимальные запредельные значения параметров процесса.

Все операции, как в примере 2, но промывка водой в автоклаве в течение 20 мин; промывка кипящей 20%-ной серной кислотой в течение 40 мин; вторая промывка в кипящей 15%-ной серной кислоте в течение 10 мин; промывка в 50%-ном спирте в течение 10 мин при 80^oС.

Продолжительность энергопотребляющих процессов снизили до 345 мин. Содержание органики в подготовленной шелухе повысилось до 0,008% (стало больше, чем по прототипу, пример 1).

Из такой шелухи получают SiO₂ c чистотой 99,995%.

6. Максимальные запредельные значения параметров процесса.

Все операции, как в примере 2, но промывка водой в автоклаве в течение 140 мин; промывка кипящей 20%-ной серной кислотой в течение 140 мин; вторая промывка в кипящей 15%-ной серной кислоте в течение 60 мин; промывка в 50%-ном спирте в течение 70 мин при 80^oС.

Продолжительность энергопотребляющих процессов повысили до 705 мин; чистота подготовленной шелухи не улучшилась по сравнению с примером 4 - содержание органики составляет 0,001%.

Из такой шелухи получают SiO₂ с чистотой 99,9998%.

7. Все операции, как в примере 2, но при первой промывке в 20%-ной кипящей серной кислоте применяют автоклав и процесс ведут с параметрами: Р= 0,15 МПа, Т= 120^oС, 30 мин. В результате сокращается продолжительность энергопотребляющих процессов до 465 мин при сохранении высокого качества продукции - содержание органики в подготовленной шелухе 0,002%, а чистота конечного продукта SiО₂ 99,9995%.

8. Все операции, как в примере 2, но при вакуумной обработке сброс давления с атмосферного до 10 кПа производят за 0,1 с (например, с помощью затвора вакуумного механического).

Продолжительность энергопотребляющих процессов сохраняется, но эффект вакуумной обработки возрастает за счет большей скорости снижения давления и поэтому чистота подготовленной шелухи возрастает - содержание органики составляет 0,001%, а чистота конечного продукта SiО₂ возрастает до 99,9998%.

9. Все операции, как в примере 2, но при вакуумной обработке сброс давления с атмосферного до 10 кПа производят за 0,01 с (например, с помощью электромагнитного клапана).

Продолжительность энергопотребляющих процессов сохраняется, но возрастания эффекта вакуумной обработки незаметно - чистота подготовленной шелухи сохраняется на прежнем уровне.

10. Все операции, как в примере 2, но вакуумной обработки нет. Заметно снижение качества подготовленной шелухи - содержание органики в подготовленной шелухе возрастает до 0,005% (по сравнению с примерами 2, 8, 9).

11. Все операции, как в примере 2, а последнюю операцию промывки 95%-ным спиртом проводят при 80^oС в течение 30 мин.

Улучшения качества продукции не наблюдается.

12. Все операции, как в примере 2, а операцию промывки 50%-ным раствором этилового спирта проводят при 80^oС в течение 15 мин.

Суммарную продолжительность энергопотребляющих процессов снизили на 15 мин, но снизили также качество подготовки шелухи - содержание органики возросло до 0,003%.

13. Все операции, как в примере 2, а последнюю операцию промывки ведут в 5%-ном растворе этилового спирта при 100^oС в течение 60 мин.

Суммарную продолжительность энергопотребляющих процессов повысили на 30 мин, а качество подготовки шелухи не улучшилось.

14. Все операции, как в примере 2, а последнюю операцию промывки шелухи ведут не в спиртовом растворе, а в деионизированной воде в течение 30 мин при 80^oС.

Заметно снижается качество подготовки шелухи - содержание органики в подготовленной шелухе возрастает до 0,004%.

15. Все операции, как в примере 2, а обработку углекислым газом в автоклаве при давлении Р= 0,15 МПа ведут в течение 0,5 ч. В результате сокращения продолжительности обработки содержание СаО в конечном продукте возрастает до 0,002% и становится равным, как в примере 1 без обработки углекислым газом.

16. Все операции, как в примере 2, а обработку углекислым газом в автоклаве при Р=0,15 МПа ведут в течение 1 ч. В результате содержание СаО в конечном продукте сокращается в 2 раза.

17. Все операции, как в примере 2, а обработку углекислым газом в автоклаве при Р=0,15 МПа ведут в течение 6 ч. В результате содержание СаО в конечном продукте сокращается в 5 раз (до 0,0004%).

18. Все операции, как в примере 2, а обработку углекислым газом в автоклаве при Р= 0,15 МПа ведут в течение 6,5 ч. В результате содержание СаО в конечном продукте не изменилось.

Из приведенных примеров следует, что оптимальными режимами подготовки шелухи являются режимы из примеров 2, 3, 4, 7, 8, 9, 16, 17.

Формула изобретения

1. Способ подготовки рисовой шелухи для получения высокочистого диоксида кремния, включающий ее рассев, промывку в холодной и горячей воде, промывку в кислотном растворе, сбор и удаление всплывших частиц рисовой шелухи, их обжим при давлении 0,01-10 МПа, отличающийся тем, что промывку горячей водой ведут в автоклаве при температуре не ниже 100^oС и давлении не менее 0,101 МПа, промывку в кислотном растворе ведут при температуре кипения или в автоклаве при температуре не ниже 100^oС и давлении не менее 0,101 МПа, дополнительно рисовую шелуху обрабатывают в вакууме, в водном растворе углекислого газа и промывают водным раствором спирта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после кислотной промывки и промывки водой выполняют вакуумную обработку путем сброса давления от атмосферного до 1-10 кПа в течение 0,01-1 с.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку водным раствором углекислого газа проводят в автоклаве при давлении не менее 0,101 МПа в течение 1-6 ч.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рисовую шелуху промывают в водном 1-95%-ном растворе этилового или метилового спирта в открытой ванне или в автоклаве при температуре 50-150^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2