способ получения жидкого стекла

Формула изобретения

Способ получения жидкого стекла путем растворения кремнисто-опалового сырья природного и техногенного происхождения в едких щелочах, включающий дозирование компонентов шихты, предварительное перемешивание кремнисто-опалового сырья с водой с последующим введением твердого гидроксида щелочного металла и тепловую обработку реакционной смеси при атмосферном давлении, отличающийся тем, что тепловую обработку реакционной смеси ведут без подвода внешнего тепла за счет теплоты реакции растворения твердого гидроксида щелочного металла и образования гидросиликатов щелочного металла при 96-100^oС в течение от 0,5 до 2 ч до прекращения выделения пузырьков газа, после чего готовое жидкое стекло охлаждают со скоростью от 80 до 100^oС в час.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано при производстве жидкого стекла для жаростойких, кислотостойких бетонов, а также в литейном производстве, при изготовлении красок и в других областях.

Известны способы получения жидкого стекла путем растворения различных видов кремнисто-опалового сырья природного и техногенного происхождения в растворах щелочей, включающие операции подготовки сырьевых кремнисто-опаловых материалов; их перемешивание с концентрированными растворами щелочей; нагревание смеси при атмосферном и повышенных давлениях. Например, по заявке ФРГ 2826432 от 16.06.78 автор Volgondt Peter МКИ С 01 В 33/32 "Способ получения растворов жидкого стекла", по которому жидкое стекло получают из высококремнистых пылей производства кремния и ферросплавов путем растворения их в 6-15%-ных растворах едкой щелочи при температуре 120-190^oС и давлении 2.9-18.6 атм. при массовом соотношении раствора едкой щелочи и твердой летучей пыли от 2:1 до 5:1. Другие способы переработки кремнисто-опалового сырья в жидкое стекло изложены в монографии П. Н. Григорьева и М.А. Матвеева "Растворимое стекло", М.: Промстройиздат, 1956, стр.105, 120-127.)

Для получения жидкого стекла по этим способам аморфный кремнезем как природный (трепел, диатомит, опока и др.), так и искусственный (различные производственные отходы, содержащие активный SiO₂), растворяют в концентрированных растворах едкий щелочей при атмосферном и избыточном давлении окружающей воздушной среды. Известен способ получения жидкого стекла (заявка РСТ 001 333/32 WO 97/45368), по которому жидкое стекло получают путем создания реакционной среды между пылью, образующейся при производстве кремнийсодержащих сплавов и содержащей более 80% активного кремнезема, и гидрооксидами натрия и калия, подачу к реакционной среде внешнего тепла для поддержания ее температуры от 80 до 95^oC в течение 20 минут после прекращения вспенивания.

Данный способ выбран в качестве прототипа как наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению.

Недостатками известных способов получения жидкого стекла путем растворения кремнисто-опалового сырья в растворах едких щелочей является необходимость принудительной термической обработки сырьевой смеси с подводом тепла извне, а также склонность жидкого стекла к коагуляции (низкая жизнеспособность жидкого стекла) за счет нерастворимых примесей, содержащихся в жидком стекле при сохраняющейся длительное время после варки высокой температуре готового жидкого стекла, слитого в большие емкости.

Цель изобретения - повышение технологичности и улучшение качества получения жидкого стекла при растворении кремнисто-опалового сырья в едких щелочах.

Это достигается за счет изменения последовательности операций и параметров получения жидкого стекла, что обеспечивает за счет зкзотермии растворения твердого гидрооксида щелочного металла и реакции образования гидросиликатов щелочных металлов получение жидкого стекла без подвода тепловой энергии извне для его изготовления.

Предлагаемый способ получения жидкого стекла путем растворения кремнисто-опалового сырья природного и техногенного происхождения в едких щелочах включает дозирование компонентов шихты: кремнисто-опалового сырья - диатомита, трепела, опоки, а также техногенных отходов, например ультрадисперсного "микрокремнезема" и воды, их предварительного перемешивания с последующим введением твердого гидрооксида щелочного металла и тепловую обработку реакционной смеси при атмосферном давлении с последующим принудительным охлаждением готового жидкого стекла.

Отличительной особенностью способа является выполнение тепловой обработки реакционной смеси без подвода внешнего тепла за счет теплоты реакции растворения твердого гидрооксида щелочного металла и образования гидросиликатов щелочного металла при температуре 96-100^оС в течение от 0.5 до 2 часов до прекращения выделения пузырьков газа, после чего готовое жидкое стекло охлаждают со скоростью от 80 до 100^оС в час. Поддержание необходимых температур и продолжительности процесса обеспечивается путем регулирования скорости подачи твердого гидрооксида щелочного металла.

Конкретный пример выполнения способа

В вертикальный аппарат с перемешивавшим устройством емкостью 2 м³, снабженный рубашкой для нагрева и охлаждения исходных и конечных продуктов, заливают отмеренную в мерном сосуде воду с температурой 60^oC в количестве 920 литров, затем в аппарат вводят при помощи дозатора "микрокремнезем" (отход производства 75%-ного ферросилиция в количестве 500 кг. В образовавшуюся однородную суспензию при помощи шнекового питателя подают 135 кг твердого гидрооксида натрия. За счет экзотермии реакций растворения гидрооксида и образования гидросиликата натрия температуру процесса подымают до 98^oС и поддерживают ее путем регулирования скорости подачи гидрооксида в течение 1 часа до прекращения выделения пузырьков газа, что характеризует окончание реакции растворения активного SiО₂. Затем в рубашку реактора подают холодную воду и жидкое стекло охлаждают в течение 40 мин в реакторе при перемешивании до температуры 38^oС, т.е. со скоростью 90^оС/час.

Опыты проводили с использованием микрокремнезема - отхода производства 75%-ного ферросилиция с содержанием активного кремнезема 91.5 мас.% и с Инзенским диатомитом с содержанием активного кремнезема 78 мас.%.

Состав жидкого стекла рассчитан из условия получения из микрокремнезема продукта с силикатным модулем 3.04 и плотностью 1.42 г/см³ из Инзенского диатомита - с силикатным модулем 2.8 и плотностью 1.38 г/см³.

Качество жидкого стекла оценивали по его жизнеспособности - сохранению начальной вязкости и вяжущим свойствам: пределу прочности при сжатии образцов-цилиндров после их прессования при удельном давлении 50 кГс/см² и сушке до постоянного веса при 110^oС. Все образцы изготавливали из одного и того же состава - 15%-жидкого стекла и 85% Вольского песка.

Результаты испытаний при различных режимах приведены в таблице.

Опыт 1 был выполнен по параметрам прототипа.

Из данных таблицы следует:

1. Качество жидкого стекла, полученного по техническим режимам прототипа (опыт 1) в сравнении с качеством такового. изготовленного по режимам, предложенным в данном изобретении опыты 2, 3, 8, 9) значительно лучше как по жизнеспособности, так и по показателям прочности образцов.

2. Проведение процесса при температуре менее 96^oС (опыты 4 и 10) приводит к неполному растворению кремнисто-опалового сырья и низкой жизнеспособности жидкого стекла.

3. Проведение процесса при температуре более 100^оС (опыты 5 и 11) несмотря на замедление скорости ввода гидрооксида натрия в течение 2.5-2.8 часов не позволяет избежать перегрева жидкого стекла, его кипения и коагуляции.

4. Низкая скорость охлаждения жидкого стекла (опыты 6 и 12) отрицательно отражается на его качестве, уменьшаются прочность и жизнеспособность.

5. Повышенная скорость охлаждения жидкого стекла более 100^оС/час (опыт 7) хотя и обеспечивает достаточно хорошие свойства жидкого стекла, однако экономически нецелесообразна из-за большого исхода воды, идущей на охлаждение жидкого стекла.

Таким образом, в диапазоне предлагаемых температурно-временных режимов, последовательности ввода компонентов и использования твердого гидрооксида щелочного металла обеспечивается получение доброкачественного жидкого стекла.