Способ получения порошкообразного гидрофильного органобентонита
Владельцы патента RU 2754533:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова" (ФГБОУ ВО ХГУ им. Н.Ф. Катанова) (RU)
Изобретение относится к способу модификации бентонитовой глины с помощью органического реагента, способствующего улучшению физико-химических свойств (увеличение гидрофильности, коллоидальности и удельной поверхности материала), повышающих ее способность к набуханию, улучшающих связующие свойства и адсорбционную способность. Описан способ получения органомодифицированного бентонита: карьерная бентонитовая глина с влажностью не более 6,5 мас. % и средним размером частиц не более 1 мм последовательно обрабатывается карбонатом натрия при комнатной температуре в следующем соотношении компонентов, мас. %: бентонит : карбонат натрия - 65-70:20-25, остальное - вода; полученный порошок глины после высушивания в течение 6 часов при температуре 110°С смешивается с кристаллической аминоуксусной кислотой в следующем соотношении компонентов, мас. %: бентонит : аминоуксусная кислота - 50-53:5,0-5,5, остальное - вода; выдерживается при комнатной температуре 24 часа, высушивается 4 часа при температуре 70°С. Технический результат - разработка способа получения порошкообразного гидрофильного материала на основе бентонитовой глины, который, сохраняя высокую активность по отношению к воде, будет иметь большую удельную поверхность и внедренный органический компонент в своей структуре. 4 табл.
Изобретение относится к способу модификации бентонитовой глины с помощью органического реагента, способствующего улучшению физико-химических свойств (увеличение гидрофильности, коллоидальности и удельной поверхности материала), повышающие ее способность к набуханию, улучшающие связующие свойства и адсорбционную способность.
Получаемый материал может быть использован в процессах очистки пищевого масла; в качестве связывающих веществ для формовочных смесей и буровых растворов; в технологиях извлечения ионов металлов из растворов; в сельском хозяйстве в качестве кормовых добавок и в производстве удобрений пролонгированного действия и может быть применен при создании композиционных органоминеральных материалов с высокой адсорбционной способностью.
Существует множество способов модификации монтмориллонитовых глин (бентонитов) и получения композитов различного назначения на основе полученных модификаций.
Большинство известных способов получения органоглин ориентированы, в основном, на создание гидрофобных наполнителей для полимерных композиционных материалов. Введение органических компонентов придает гидрофобные свойства гидрофильной от природы глине. Для решения этой задачи применяют, как правило, сложные органические соединения с большими углеводородными радикалами, циклические структуры, выполняющие роль поверхностно-активных веществ или способных к полимеризации.
Так, известен способ органомодификации бентонитовой глины, который заключается в обработке бентонита поверхностно-активными веществами с четвертичными атомами азота. В качестве поверхностно-активного вещества используют гуанидинсодержащие соли: диаллилгуанидинацетат, диаллилгуанидинтрифторацетат, метакрилатгуанидин или акрилатгуанидин (Патент РФ №2369584 С2, дата приоритета 23.07.2007, дата публикации 27.01.2009, автор Хаширова С.Ю. и др., RU).
Известен способ получения органомодифицированного монтмориллонита с помощью различных органических водорастворимых биоразлагаемых модификаторов путем смешения предварительно диспергированного в воде бентопорошка с оксикислотами и их производными лактонами или лактамами, с последующей сополиконденсацией компонентов при повышенных температурах (Патент РФ №2704190 С1, дата приоритета 26.12.2018, дата публикации 24.10.2019, автор Поляков Д.К. и др., RU).
В то же время, гидрофильные свойства глины также имеют большое практическое значение в качестве связывающих веществ для формовочных смесей и буровых растворов. Применение органомодифицированных минералов в качестве потенциальных сорбентов из водных растворов также требует придания им высокого сродства к воде.
В связи с этим технической проблемой, решаемой изобретением, является разработка способа получения порошкообразного гидрофильного материала на основе бентонитовой глины, который, сохраняя высокую активность по отношению к воде, будет иметь большую удельную поверхность и внедренный органический компонент в своей структуре.
Для решения технической проблемы предложен органический модификатор для бентонитовой глины - аминоуксусная кислота и способ получения органоминеральной композиции - образцы 2, 3. Получение модельных систем:
Образец 1. - Карьерная бентонитовая глина, высушенная до постоянной массы при температуре 110°С в течение 6 часов, измельченная в мельнице и просеянная через сито с размером ячеек 1 мм, с влажностью 6,5 мас. %.
Образец 2. - Активированная бентонитовая глина с помощью добавки карбоната натрия при комнатной температуре в следующем соотношении компонентов, мас. %: бентонит : карбонат натрия - 65-70:20-25, остальное - вода. После перемешивания смесь выдерживают при комнатной температуре 24 часа, сушат в течение 6 часов при температуре 110°С.
Образец 3. - Модифицированный аминоуксусной кислотой образец активированной глины (образец 2) посредством добавки реагента к бентопорошку в следующем соотношении компонентов, мас. %: активированный бентонит : аминоуксусная кислота - 50-53:5,0-5,5, остальное - вода. После перемешивания смесь выдерживают при комнатной температуре 24 часа, сушат в течение 4 часов при температуре 70°С.
Образец 4. - Модифицированный аминоуксусной кислотой образец неактивированной глины (образец 1) посредством добавки реагента к бентопорошку в следующем соотношении компонентов, мас. %: бентонит : аминоуксусная кислота - 50-53:5,0-5,5, остальное - вода. После перемешивания смесь выдерживают при комнатной температуре 24 часа, сушат в течение 4 часов при температуре 70°С.
Аминоуксусная кислота, будучи гидрофильным бифункциональным органическим соединением и находясь в водном растворе в виде биполярного иона, может активно взаимодействовать с ионами бентонитовых минералов, проникать в межслоевое пространство слоистых силикатов в результате обмена с неорганическими ионами или адсорбироваться на их поверхности, увеличивая таким образом гидрофильные свойства поверхности.
Результаты эксперимента, подтверждающие указанные преимущества, представлены в приведенных таблицах 1, 2, 3 и 4.
В таблице 1 отражены экспериментальные данные измерения влажности глины в процессе высушивания при разной температуре.
Из таблицы видно, что постоянная влажность (6,5 мас. %) достигается в течение 6 часов при температуре 110-120°С.
В качестве показателя эффективности способа использовались оценка изменения размера частиц, удельной поверхности и коллоидальности материала. В таблице 2 отражены данные по определению размера частиц в модельных системах.
Из таблицы видно, что активация природного бентонита (образец 1) карбонатом натрия (образец 2) приводит к уменьшению размера частиц в среднем на 28% за счет увеличения фракции относительно более мелких частиц. Добавка аминоуксусной кислоты (образец 3) способствует значительному уменьшению среднего размера частиц в 2 раза, существенному снижению фракции крупных частиц и увеличению фракции частиц маленьких размеров от 0,5 до 1,0 мкм в 9 раз, от 1,0 до 2,0 мкм в 3 раза. Добавка органического реагента к неактивированной глине также способствует общему уменьшению размера частиц, что доказывает влияние аминоуксусной кислоты на увеличение дисперсности материала.
Среди всех исследуемых модельных систем образец 3 - самый тонкодисперсный и, соответственно, обладает максимальной удельной поверхностью, которая практически в два раза больше удельной поверхности исходного природного бентонита ив 1,37 раза больше удельной поверхности активированного бентонита (таблица 3).
В таблице 4 представлены результаты определения коллоидальности исследуемых бентопорошков. Из таблицы видно, что высокая коллоидальность отмечается у образцов 2 и 3, что говорит об их гидрофильном характере. Учитывая, что способ получения образца 2 - это известная промышленная технология активации щелочноземельного бентонита, достижение такого же высокого значения коллоидальности в случае предлагаемого способа (образцы 3, 4) позволяет его рекомендовать в качестве альтернативной технологии активации природного щелочноземельного бентонита.
Таким образом, достигаемый изобретением технический результат заключается в разработанном способе получения порошкообразного гидрофильного материала на основе бентонитовой глины, который, сохраняя высокую активность по отношению к воде, имеет большую удельную поверхность.
При этом предлагаемый способ достаточно прост, не требует сложного оборудования, дорогостоящих реагентов, больших энергозатрат. Органический реагент, используемый в данном способе, экологически безопасный и биоразлагаемый.
Способ получения органомодифицированного бентонита: карьерная бентонитовая глина с влажностью не более 6,5 мас. % и средним размером частиц не более 1 мм последовательно обрабатывается карбонатом натрия при комнатной температуре в следующем соотношении компонентов, мас. %: бентонит : карбонат натрия - 65-70:20-25, остальное - вода; полученный порошок глины после высушивания в течение 6 часов при температуре 110°С смешивается с кристаллической аминоуксусной кислотой в следующем соотношении компонентов, мас. %: бентонит : аминоуксусная кислота - 50-53:5,0-5,5, остальное - вода; выдерживается при комнатной температуре 24 часа, высушивается 4 часа при температуре 70°С.
