способ получения жидкого стекла

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО СТЕКЛА, включающий смешение щелочного раствора с аморфным диоксидом кремния при повышенной температуре, отличающийся тем, что в качестве аморфного диоксида кремния используют мелкодисперсный отход производства кристаллического кремния с размером частиц (0,05 - 2) 10^-6 м, в качестве щелочного раствора используют маточный раствор, образующийся при производстве цеолитов типа NaA и NaX с концентрацией по SiO₂ 2 - 28 г/л, по Na₂O 55 - 98 г/л, смешение производят при молярном отношении компонентов в пересчете на оксиды SiO₂ : Na₂O = 2,6 - 4,9 в течение 0,5 - 3,0 ч при 80 - 100^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения жидкого стекла, широко применяемого во многих отраслях промышленности, в частности при производстве цеолитов и катализаторов, строительных материалов, силикатных красок, клеящих и уплотняющих веществ, теплоизоляционных материалов, моющих средств.

Наиболее близким к изобретению по технической сути и достигаемому результату является способ получения жидкого стекла, согласно которому готовят суспензию кремнеземсодержащего аморфного материала в щелочном растворе с концентрацией Na₂O 40-76 г/л и при соотношении жидкой и твердой фаз в суспензии 1:(5,2-8,4). Затем проводят гидротермальную обработку указанной суспензии при непрерывном перемешивании и температуре 95-105^оС в течение 45-90 мин. В качестве кремнеземсодержащего материала используют отход производства фтористого алюминия с размером частиц (0,05-5)10^-6 м, имеющий химсостав, мас. SiO₂ 87,47; Al₂O₃ 2,39; Fe₂O₃ 0,08; CaO 0,28; MgO 0,40; ППП 8,76; Na₂O 0,04; K₂O 0,02 и влажность 66 мас. Полученное жидкое стекло отфильтровывают от нерастворимого остатка. Силикатный модуль жидкого стекла 2,6-3,24, плотность 1,075-1,450 г/см³. Выход готовой продукции, считая на исходное количество отхода, составляет 85,5-98,2 мас.

Данный способ имеет следующие недостатки:

использование в качестве сырья раствора гидроксида натрия ценного продукта, широко применяемого во многих отраслях промышленности;

использование раствора гидроксида натрия заданной концентрации (40-74 г/л по Na₂O), что вызывает необходимость специального приготовления такого раствора;

возможность получения жидкого стекла с модулем не выше 3,24, тогда как во многих случаях требуется высокомодульное жидкое стекло с модулем более 3,5.

Задача изобретения снижение себестоимости жидкого стекла при сохранении его качества и улучшении экологии окружающей среды за счет утилизации в процессе вредных отходов производства кристаллического кремния, и стоков цеолитных производств.

Задача достигается тем, что в качестве аморфного диоксида кремния используют мелкодисперсный отход производства кристаллического кремния с размером частиц (0,05-2)10^-6 м, который смешивают с маточным раствором стоком от производства цеолитов NaA и NaX в таком количестве, чтобы мольное отношение компонентов в смеси, в пересчете на оксиды, составляло SiO₂:Na₂O 2,6-4,9. Полученную смесь перемешивают в течение 0,5-3,0 ч при 80-100^оС.

Сопоставительный анализ предлагаемого способа с прототипом позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый способ отличается от известного использованием в качестве аморфного диоксида кремния мелкодисперсного отхода производства кристаллического кремния с размером частиц (0,05-2)10^-6 м, который смешивают с маточным раствором стоком от производства цеолитов NaA и NaX в таком количестве, чтобы мольное отношение компонентов в смеси, в пересчете на оксиды, составляло SiO₂:Na₂O 2,6-4,9. Полученную смесь перемешивают в течение 0,5-3 ч при 80-100^оС. Получают жидкое стекло с кремнеземным модулем 2,6-4,9 плотностью 1,151-1,286 г/см³.

Анализ известных способов получения жидкого стекла показал, что использование мелкодисперсного отхода производства кристаллического кремния в качестве силикатного компонента при получении жидкого стекла с модулем 2,6-4,9 ранее не известно.

Факт совместного использования силикатного отхода производства кристаллического кремния и маточных растворов стоков цеолитных производств впервые позволил получить жидкое стекло, обладающее как обычным, так и повышенным модулем, имеющее значительно более низкую себестоимость, и одновременно решить экологическую проблему утилизации отходов и стоков.

Сущность предполагаемого изобретения заключается в следующем. Маточный раствор от производства цеолитов типа A или Х, содержащий в своем составе 2-28 г/л SiO₂, 55-98 г/л Na₂O смешивают с мелкодисперсным отходом производства кристаллического кремния, имеющего размер частиц (0,05-2)10^-6 м в таком количестве, чтобы мольное отношение SiO₂:Na₂O в смеси находилось в пределах 2,6-4,9. Смесь перемешивают при 80-100^оС в течение 0,5-3,0 ч. В результате образуется раствор жидкого стекла с модулем, равным 2,6-4,9 и плотностью 1,151-1,286 г/см³.

Перемешивание смеси маточного раствора и отхода производства кремния свыше 3 ч экономически невыгодно, так как качество жидкого стекла при этом не изменяется, а цикл приготовления и энергозатраты возрастают.

Сокращение времени перемешивания менее 0,5 ч может приводить к неполному растворению аморфного диоксида кремния отхода производства кремния в маточном растворе, снижению модуля жидкого стекла и образованию шлама неразварившегося диоксида кремния, что ухудшает качество целевого продукта.

Увеличение температуры, при которой перемешивают смесь отхода производства кремния и маточного раствора, выше 100^оС экономически не выгодно, так как для этого требуется специальное оборудование, работающее под давлением.

Снижение этой температуры ниже 80^оС приводит к ухудшению растворения отхода производства кремния в маточном растворе и увеличению продолжительности этого процесса.

Увеличение мольного отношения SiO₂:Na₂O в смеси отхода производства кремния и маточного раствора выше 4,9 приводит к образованию шлама неразварившегося диоксида кремния, что ухудшает качество жидкого стекла.

Снижение мольного отношения SiO₂: Na₂O в смеси маточного раствора и аморфного диоксида кремния ниже 2,6 приводит к образованию низкомодульного жидкого стекла, не имеющего щирокого применения в народном хозяйстве, в частности при синтезе цеолитов и катализаторов.

Предлагаемый способ получения жидкого стекла апробирован в лабораторных и пилотных условиях Ишимбайского специализированного химического завода катализаторов (ИСХЗК).

П р и м е р 1. 1 м³ щелочного кремнеземсодержащего раствора маточного раствора от производства цеолита типа Х с концентрацией по SiO₂ 28 г/л, Na₂O 65 г/л смешивают с 206 кг аморфного диоксида кремния мелкодисперсного отхода производства кристаллического кремния, имеющего размер частиц (0,05-2)10^-6 м. Мольное соотношение оксидов SiO₂:Na₂O в смеси составляет 3,5. Смесь перемешивают в реакторе при атмосферном давлении, температуре 90^оС в течение 2 ч. Затем перемешивание и подвод тепла к реактору прекращают. Получают жидкое стекло с концентрацией по SiO₂ 220 г/л, Na₂O 65 г/л, плотностью 1,222 г/см³, с модулем 3,4.

П р и м е р 2. 1 м³ маточного раствора (SiO₂ 28 г/л, Na₂O 65 г/л) смешивают с 301 кг отхода производства кристаллического кремния. Смесь, характеризующуюся мольным соотношением SiO₂:Na₂O 49 перемешивают в течение 3 ч при 100^оС. Получают жидкое стекло с концентрацией по SiO₂ 307 г/л, Na₂O 0,65 г/л, плотностью 1,286 г/см³, с модулем 4,9.

П р и м е р 3. 1 м³ маточного раствора от производства цеолита типа А (SiO₂ 5 г/л, Na₂O 74 г/л) смешивают с 318 кг отхода кремния, смесь перемешивают 2,5 ч при 95^оС. Получают жидкое стекло с параметрами: концентрация по SiO₂ 301 г/л, Na₂O 74 г/л, плотность 1,282 г/см³, модуль 4,2.

Аналогичным образом приготовлены еще семь составов жидкого стекла. В таблице приведены условия получения и свойства жидкого стекла, полученного по предлагаемому способу, а также приведено сопоставление достигнутых результатов с прототипом.

Предлагаемое изобретение находится в стадии внедрения на ИСХЗК и может быть внедрено на Салаватском НПЗ, заводе СК в г. Стерлитамаке, Красноярском горно-металлургическом комбинате, Уральском и Богословском алюминиевых заводах.

Предлагаемый способ исключает использование для производства жидкого стекла дорогостоящего и остродефицитного вида сырья, такого как гидроксид натрия и позволяет полностью использовать в процессе только экологически вредные стоки и отходы (отход производства кристаллического кремния и маточные растворы стоки цеолитных производств). Упрощение технологического процесса, проводимого при атмосферном давлении, и использование в качестве сырья только отходов и стоков предотвращает загрязнение окружающей среды, позволяет организовать рентабельное производство жидкого стекла как с обычным, так и с повышенным модулем, и приводит к снижению себестоимости продукции на 35-40%