способ получения тонкодисперсного химически осажденного карбоната кальция со сферической формой частиц

Формула изобретения

1. Способ получения тонкодисперсного химически осажденного карбоната кальция со сферической формой частиц, включающий синтез осадка путем одновременной подачи в реагирующую перемешиваемую смесь реагента, содержащего ионы кальция, и карбонизующего реагента, отделение осадка от раствора и сушку продукта, отличающийся тем, что при синтезе в качестве реагента, содержащего ионы кальция, используют водный раствор хлорида кальция, а в качестве карбонизующего реагента используют водный раствор карбоната натрия, причем в процессе синтеза поддерживают постоянными величину потоков хлорида кальция и карбоната натрия, поддерживают постоянный избыток ионов Са²⁺ и вводят модификатор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину потока хлорида кальция поддерживают не менее 1600 кг/м³·час.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что избыток ионов Са²⁺ обеспечивают за счет поддержания массового соотношения между ионами кальция и карбонат-ионами в процессе синтеза не ниже 0,80.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру процесса синтеза поддерживают в интервале 60-80С.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве модификатора используют раствор первичного амина, содержащего 17-21 атомов углерода.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что концентрацию модификатора поддерживают не менее 0,310^-3%.

Описание изобретения к патенту

Способ получения тонкодисперсного химически осажденного карбоната кальция со сферической формой частиц относится к технологии получения мела, который применяется в парфюмерно-косметической промышленности, производстве пигментов, лаков, красок, наполнителей. Он может использоваться на химических предприятиях, выпускающих карбонат кальция высокого качества.

Известен способ /1/ производства ультратонких частиц коллоидного углекислого кальция, который включает стадии добавления сульфата магния в водную суспензию гидроксида кальция, карбонизацию водной суспензии двуокисью углерода и введение сульфата цинка, по отдельности или вместе с серной кислотой, одновременно со стадией карбонизации. В результате получают тонкодисперсные частицы углекислого кальция в форме цепочек, которые имеют средний диаметр 0,01 мкм, среднюю длину 0,05 мкм и площадь удельной поверхности 70 м²/г. Недостатком способа является сложность технологии, загрязнение продукта примесями реагирующих веществ.

Известен также способ /2/ получения тонкодисперсного химически осажденного карбоната кальция со сферической формой частиц путем одновременного введения в реагирующую смесь газа двуокиси углерода и водного раствора гидроксида кальция, содержащего затравку частиц карбоната кальция с чешуйчатой морфологией. В результате получают частицы продукта карбоната кальция сферической формы диаметром от 1,5 до 3,5 мкм с площадью удельной поверхности от 2 до 9 м²/г. Недостатком способа является загрязнение продукта примесями, присутствующими в гидроксиде кальция, которые трудно отделить.

Для устранения указанных недостатков предлагается способ получения тонкодисперсного химически осажденного карбоната кальция со сферической формой частиц, включающий синтез осадка путем одновременной подачи в реагирующую перемешиваемую смесь реагента, содержащего ионы кальция, и карбонизующего реагента, отделение осадка от раствора и сушку продукта, отличающийся тем, что при синтезе в качестве реагента, содержащего ионы кальция, используют водный раствор хлорида кальция, а в качестве карбонизующего реагента используют водный раствор карбоната натрия, причем в процессе синтеза поддерживают постоянными величину потоков хлорида кальция и карбоната натрия, поддерживают постоянный избыток ионов Са²⁺ и вводят модификатор, величину потока хлорида кальция поддерживают не менее 1600 кг/м³ч, избыток ионов Са²⁺ обеспечивают за счет поддержания массового соотношения между ионами кальция и карбонат-ионами в процессе синтеза не ниже 0,80, температуру процесса синтеза поддерживают в интервале 60-80^oС, в качестве модификатора используют раствор первичного амина, содержащего 17-21 атомов углерода, причем концентрацию модификатора поддерживают не менее 0,310^-3%.

Использование водного раствора хлорида кальция позволяет получать карбонат кальция высокого качества (с содержанием СаСО₃ не менее 99,0%) и утилизировать отходящие растворы СаСl₃ производства кальцинированной соды. А использование в качестве карбонизующего реагента водного раствора карбоната натрия позволяет ускорить процесс зародышеобразования частиц СаСО₃, (поскольку ионы СО₃ ^2- в растворе карбоната натрия уже находятся в гидратированном состоянии и реакция между ионами Са²⁺ и СО₃ ^2- протекает очень быстро), что способствует получению тонкодисперсных частиц СаСО₃.

Поддержание в процессе синтеза величины потока хлорида кальция не менее 1600 кг/м³ч также ускоряет процесс зародышеобразования, в результате получаются тонкодисперсные частицы СаСО₃. Величина потока Wi рассчитывается по формуле

Wi=viC/Vp,

где vi - объемная скорость раствора i-го вещества, м³/час;

С - концентрация i-го вещества, кг/м³;

Vp - рабочий объем реактора, м³.

Обеспечение в процессе синтеза избытка ионов Са²⁺ за счет поддержания массового соотношения между ионами кальция и карбонат-ионами не ниже 0,80 способствует формированию сферических тонкодисперсных частиц карбоната кальция.

Проведение синтеза в интервале температур 60-80^oС ускоряет процесс взаимодействия между ионами, в результате чего формируются тонкодисперсные кристаллы СаСО₃. При температуре ниже 60^oС и выше 80^oС в осадке возрастает доля крупных частиц СаСО₃.

Осуществление процесса синтеза в присутствии модификатора - раствора первичного амина, содержащего 17-21 атомов углерода, приводит к предотвращению агломерации частиц осадка СаСО₃. При концентрации модификатора менее 0,310^-3% эффективность действия модификатора на предотвращение агломерации снижается, а при высоких концентрациях амина возрастают расходы на модификатор, в то время как эффективность действия амина остается той же.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. В качестве одного из реагентов взят отфильтрованный раствор хлорида кальция с концентрацией CaCl₂ 116 г/л (10,39 вес.%), что соответствует концентрации иона кальция 3,74 вес.%. Такой раствор образуется в виде отхода в производстве кальцинированной соды. В качестве второго реагента использован раствор кальцинированной соды, содержащий Nа₂СО₃ 180 г/л (15,25 вес.%), что соответствовало концентрации карбонат-иона 8,63 вес.%.

В термостатируемую при 60^oС круглодонную колбу с пропеллерной мешалкой (скорость вращения 420 об/мин) рабочим объемом 200 мл с помощью двух перистальтических насосов непрерывно подавали водный раствор хлорида кальция с объемной скоростью 2,88 л/час и водный раствор карбоната натрия со скоростью 1,44 л/час.

Величина потока раствора хлорида кальция составляла постоянную величину:

Wi=viC/Vp=2,88116/0,200=1670,4 кг/м³ч.

Величина потока раствора карбоната натрия составляла постоянную величину

Wi=viC/Vp=1,44180/0,200=1296 кг/м³ч.

Величина массового соотношения между ионами кальция и карбонат-ионами в процессе синтеза составляла



где - масса карбонат-иона;

- молекулярная масса карбоната натрия;

M²⁺_Ca - масса иона кальция;

- молекулярная масса хлорида кальция.

В реактор с помощью бюретки непрерывно вводили 1%-ный раствор первичного амина, содержащего 17-21 атомов углерода в количестве, чтобы концентрацию модификатора поддерживать не менее 0,310^-3%.

Полученный осадок фильтровали на воронке Бюхнера. Осадок карбоната кальция репульпировали и промывали 3 раза. Для этого осадок с фильтра помещали в термостатируемый при 60^oС стеклянный реактор и заливали дистиллированной водой в соотношении Ж:Т=5. Промывку осуществляли при перемешивании в течение 20 минут. Затем осадок фильтровали на воронке Бюхнера. Процесс промывки осадка проводили в три стадии, каждый раз фильтруя осадок на воронке Бюхнера. Затем сушили пасту карбоната кальция в сушильном шкафу при температуре 100^oС, поместив пасту тонким слоем на фильтровальную бумагу на ровной металлической подложке. Высушенный осадок карбоната кальция анализировали на оптическом микроскопе, а также подвергали химическому анализу. Результаты опыта 1 приведены в таблице. Получен осадок СаСО₃ с тонкодисперсными частицами сферической формы и средними размерами - 2,0 мкм.

Пример 2. Способ получения карбоната кальция проводили аналогично примеру 1 с тем отличием, что процесс синтеза осуществляли при величине потока карбоната натрия 1100 кг/м³ч. В результате получен осадок сферических частиц СаСО₃ с более крупными размерами частиц: максимальный размер частиц 5,2 мкм, средний размер 3,3 мкм.

Пример 3. Способ получения карбоната кальция проводили аналогично примеру 1 с тем отличием, что процесс синтеза осуществляли при соотношении ионов кальция к карбонат-ионам 1,30. В результате получен осадок сферических и призматических частиц СаСО₃ с более крупными размерами частиц: максимальный размер частиц 8,0 мкм, средний размер 5,0 мкм.

Пример 4. Способ получения карбоната кальция проводили аналогично примеру 1 с тем отличием, что в процессе синтеза поддерживали температуру 80^oС. В результате получен осадок частиц СаСО₃ сферической формы с размерами: максимальный размер частиц 5,0 мкм, средний размер 2,0 мкм.

Пример 5. Способ получения карбоната кальция проводили аналогично примеру 1 с тем отличием, что в процессе-синтеза поддерживали температуру 85^oС. В результате получен осадок более крупных сферических частиц СаСО₃ с размерами: максимальный размер частиц 6,0 мкм, средний размер 3,0 мкм.

Пример 6. Способ получения карбоната кальция проводили аналогично примеру 1 с тем отличием, что процесс синтеза проводили при температуре 55^oС. В результате получен осадок более крупных сферических частиц СаСО₃ с размерами: максимальный размер частиц 6,0 мкм, средний размер 3,5 мкм.

Пример 7. Способ получения карбоната кальция проводили аналогично примеру 1 с тем отличием, что процесс синтеза проводили без добавки модификатора. В результате получены агломерированные сферические частицы СаСО₃ с размерами: максимальный размер частиц 9,0 мкм, средний размер 5,5 мкм.

Пример 8. Способ получения карбоната кальция проводили аналогично примеру 1 с тем отличием, что процесс синтеза проводили с добавкой модификатора - раствора амина, содержащего 17-21 атомов углерода, с концентрацией амина в реакционной смеси 310^-3%. В результате получен тонкодисперсный осадок сферических частиц СаСО₃ с размерами: максимальный размер частиц 4,0 мкм, средний размер 1,8 мкм.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать тонкодисперсный химически осажденный карбонат кальция с узким фракционным составом (1-4 мкм), средним размером частиц 1,8-2 мкм сферической формы, при этом продукт содержит не менее 99,0% основного вещества, что позволяет использовать его в парфюмерии для изготовления зубной пасты, а также в качестве наполнителя.

Источники информации

1. Патент США 5750086, C 01 F 011/18, You; Kyu Jae Процесс для производства ультратонких частиц коллоидного углекислого кальция. May 12, 1998.

2. Патент США 5695733. C 01 F 11/18 Kroc, et. al. Сгруппированные осажденные частицы углекислого кальция. Dec. 9, 1997.