способ получения высокомодульного жидкого стекла

Формула изобретения

Способ получения высокомодульного жидкого стекла, включающий пропускание водного раствора силиката щелочного металла через электродиализное устройство, содержащее тракты деионизации и концентрирования, катодную и анодную камеры, отличающийся тем, что процесс электродиализа водного раствора силиката щелочного металла проводят с периодической сменой трактов концентрирования и деионизации с частотой от четырех раз в час до 1 раза в 4 ч при поддержании концентрации щелочи в тракте концентрирования в интервале 0,1 - 1 моль/л и постоянной плотности тока в интервале 50 - 250 А/м².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрохимической технологии, в частности к способу получения высокомодульного жидкого стекла, использующегося в качестве связующего противокоррозионных цинк-силикатных покрытий, методом электродиализа.

Известно использование автоклавного метода для производства высокомодульных силикатов щелочных металлов [1].

Недостатками этого метода являются его периодичность, высокая энергоемкость, применение дорогостоящего и токсичного аэросила, а также сложность получения продукта с заданными свойствами.

Известен электродиализный способ получения высокомодульного жидкого стекла с заданным силикатным модулем в непрерывной режиме [2], без использования реагентов (кроме низкомодульного жидкого стекла) путем увеличения молярного отношения SiO₂/M₂O в аппаратах, содержащих катионообменные и анионообменные мембраны, образующие тракты деионизации и концентрирования, катодные и анодные камеры.

Недостатком известного способа является образование аморфного диоксида кремния на мембранах, что приводит к росту электрического напряжения на аппарате, поэтому по мере увеличения продолжительности процесса и напряжения на электродиализаторе необходимо снижать рабочую плотность тока и увеличивать скорость циркуляции растворов силикатов до 0,5 м/с, применять сепараторы лабиринтного типа, уменьшающие рабочую поверхность мембран до 40 - 50% от номинальной, что снижает производительность электродиализного аппарата, применять различные комбинации мембран.

Все это, однако, не приводит к предотвращению осаждения аморфного диоксида кремния на мембранах и процесс электродиализа в известном режиме продолжается не более 48 часов из-за полного забивания осадком рабочих камер, что сопровождается выходом из строя мембран и сепараторов [2] (прототип).

Целью изобретения является многократное увеличение продолжительности непрерывной работы электродиализного аппарата и снижение энергозатрат.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способе получения высокомодульного жидкого стекла, включающего электродиализную обработку водного раствора силиката натрия процесс электродиализа проводят в мембранных аппаратах с периодической сменой трактов концентрирования и деионизации с частотой от четырех раз в час до 1 раза в 4 ч при поддержании концентрации щелочи в тракте концентрирования в интервале 0,1-1 моль/л и постоянной плотности тока в интервале 50-250 А/м² при температуре 40-60^oC.

Предложенный способ позволяет увеличить продолжительность непрерывной работы электродиализного аппарата без его разборки и замены мембран с 48 до 4500 ч, полностью предотвратить образование осадка диоксида кремния на поверхностях мембран, контактирующих с водными растворами силикатов, обеспечивает возможность длительного проведения процесса при постоянной плотности тока без роста напряжения на аппарате.

При получении высокомодульного жидкого стекла в качестве электродиализатора используется многокамерный аппарат фильтр-прессного типа, содержащий рабочие рамки из полипропилена толщиной 1,5 мм, анионитовые и катионитовые гетерогенные мембраны марок МА-40 и МК-40, образующие 4 пакета из камер раствора жидкого стекла (по 5 рабочих камер в пакете)(тракт деионизации), щелочного раствора (тракт концентрирования), а также электродные камеры, содержащие в качестве анолита и католита водный раствор гидроксида натрия, в которые помещаются плоские электроды из никелевых пластин. Во всех камерах находятся турбулизаторы из перфорированного каландрированного винипласта. Рабочие камеры в пакете гидравлически соединяются параллельно. В рабочих и приемных камерах электродиализатора циркулируют по замкнутым контурам со скоростью 0,2 м/с соответственно раствор натриевого жидкого стекла, имеющий величину силикатного модуля 2,6 и раствор гидроксида натрия (с концентрацией 0,5 моль/л), периодически раствор щелочи разбавляется водой до начальной концентрации, а избыток раствора удаляется. В ходе электродиализа происходит повышение силикатного модуля за счет перехода в воду из тракта деионизации натрий- и гидроксид-ионов под действием электрического поля. При этом концентрация SiO₂ в тракте деионизации в ходе процесса практически не изменяется. Характеристики заявляемого способа получения высокомодульного жидкого стекла при различных параметрах электродиализа приведены в табл. 1. При проведении электродиализа в условиях прототипа (пример 1) в течение 48 часов рабочие камеры полностью зарастают осадком гидратированного диоксида кремния, что характеризуется снижением выхода по току, значительным повышением напряжения на электродиализаторе и выходом из строя мембран. При таких, же условиях проведения процесса электродиализа жидкого стекла, но при периодической смене трактов концентрирования и деионизации с частотой 1 раз в 2 ч (пример 2) зарастания камер осадком не происходит, время непрерывной работы электродиализатора по сравнению с прототипом многократно увеличивается и составляет 4500 ч, при этом выход по току гидроксида натрия сохраняется постоянным. Химический анализ показал, что силикатный модуль полученного электродиализом жидкого стекла составил 4,10, плотность 1,23 г/см³, что позволяет отнести его к высокомодульным стеклам согласно [1]. Испытания на устойчивость при температуре 20 5^oC показали, что полученный продукт практически не изменял своих свойств в течение одного года (табл. 2).

Применение частоты реверсирования трактов концентрирования и деионизации в диапазоне от 4 раз в час до 1 раза в 4 часа, обеспечивало такую же продолжительность непрерывной работы электродиализатора, низкий удельный расход электроэнергии и высокий выход по току щелочи (примеры 2, 4, 8, 10, 12-14, 16-20).

Проведение процесса при температурах до 40^oC приводит к значительному увеличению расхода электроэнергии на удаление 1 г/экв ионов натрия до 3,2 кВт-ч/г-экв в связи с ростом напряжения и снижением выхода по току и значительным увеличением вязкости концентрированного раствора жидкого стекла (пример 5). Проведение процесса при температурах 60^oC и выше ограничено температурной устойчивостью гетерогенных мембран типа МА-40 и МК-40 и приводит к снижению времени непрерывной работы электродиализатора (пример 9).

Проведение процесса получения высокомодульного жидкого стекла при плотностях тока 50 А/м² и менее нецелесообразно из-за значительного снижения выхода по току и малой производительности процесса, а также повышения расхода электроэнергии (пример 3, 6, 23). Проведение процесса при плотностях тока больших 250 А/м² также приводит к снижению выхода по току и существенному увеличению энергозатрат (примеры 7, 22).

Проведение процесса при частотах реверсирования трактов элюата и дилюата с частотой более 4 раз в час (пример 15) нецелесообразно вследствие снижения выхода по току и увеличения расхода электроэнергии, уменьшение частоты реверса менее 1 раза в 4 часа приводит к уменьшению продолжительности непрерывной работы электродиализатора (пример 11).

Снижение концентрации щелочи в приемном растворе (тракт концентрирования) менее 0,5 моль/л приводит к уменьшению продолжительности непрерывной работы и увеличению расхода электроэнергии (примеры 17, 18), при возрастании концентрации щелочи в приемном растворе более 1 моль/л уменьшается выход по току (примеры 21, 23).

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с известным позволяет уменьшить расход удельной электроэнергии в 3-6 раз, обеспечивает увеличение продолжительности непрерывной работы электродиализатора с 48 часов до 4500 ч.

Список литературы.

1. Орлов В.А. Цинк - силикатные покрытия. -М., Машиностроение, 1984 г.

2. Европейский патент N 0139476, 1986 г.