способ получения ультрадисперсного карбоната кальция

Формула изобретения

Способ получения ультрадисперсного карбоната кальция, включающий карбонизацию водной суспензии исходного сырья в условиях избыточного давления углекислого газа, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют природный карбонат кальция с величиной частиц от 10 до 50 мкм, процесс проводят при Т=0÷25°С и избыточном давлении углекислого газа от 8 до 50 атм без дополнительных стабилизаторов рН среды, и далее, из получаемого при этом насыщенного водного раствора гидрокарбоната кальция путем снижения давления СО ₂ до величины атмосферного осаждают ультрадисперсный карбонат кальция.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии неорганических веществ и материалов.

Известны способы получения ультрадисперсного карбоната кальция СаСО₃, основанные на карбонизации водной суспензии гидрооксида кальция Са(ОН)₂ [1, 2], однако для проведения таких процессов необходимо использование гидрооксида кальция, который не является природным сырьем и, соответственно, его приготовление требует дополнительных экономических затрат, кроме того, такие способы требуют повышенного расхода двуокиси углерода СО₂ ввиду того, что по условиям реакции для образования одного моля СаСО₃ требуется 2 моля CO₂.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ высокоскоростного процесса производства осажденного углекислого кальция с использованием давления проточного СО₂, основанный на карбонизации водной суспензии гидрооксида кальция Са(ОН)₂ или СаО, проводимой в сосудах высокого давления с механической агитацией и внутренним барботажем СО ₂ [3]. Однако он требует предварительного получения из природного сырья гидрооксида кальция Са(ОН)₂ или СаО, которые применяются в способе в качестве источников ионов кальция, и повышенного расхода углекислого газа, обусловленного сложной схемой химического взаимодействия Са(ОН)₂ с CO ₂, что значительным образом увеличивает себестоимость конечного продукта и технологически усложняет процесс.

Новая техническая задача - повышение простоты и экономичности осуществления способа.

Поставленную задачу решают применением нового способа получения насыщенного водного раствора гидрокарбоната кальция Са(НСО₃)₂ и ультрадисперсного карбоната кальция СаСО₃ из него, включающий карбонизацию водной суспензии исходного сырья в условиях избыточного давления окиси углерода СО₂, причем в качестве исходного сырья используют природный карбонат кальция СаСО₂ с величиной частиц 10-50 мкм, процесс проводят при Т=0+25°С и избыточном давлении СО₂ от 8 до 50 атм без дополнительных стабилизаторов рН среды и далее путем снижения давления до величины атмосферного из получаемого при этом насыщенного водного раствора Са(НСО ₃)₂ осаждают ультрадисперсный СаСО₃ .

Способ осуществляют следующим образом.

В сосуд высокого давления (автоклав), снабженный механическим агитатором (мешалкой), помещают смесь дистиллированной воды и природного карбоната кальция СаСО₃ со средним диаметром частиц 10-50 мкм, в сосуде создается избыточное давление СО₂ , величиной от 8 до 50 атм, далее, посредствам барботажа СО ₂ через образовавшуюся суспензию, при этом суспензию подвергают механическому перемешиванию на всем протяжении процесса и обеспечивают поддержание постоянного избыточного давления до установления его постоянства, после чего подачу CO₂ прекращают получаемый при этом насыщенный водный раствор Са(НСО₃ )₂, под давлением перекачивают в баллоны высокого давления и используют по назначению, в случае, если конечной целью является получение ультрадисперсного СаСО₃, раствор, полученный в сосуде высокого давления (автоклаве), далее подвергают разложению при стравливании избыточного давления CO ₂ до величины атмосферного, полученную суспензию вторичного СаСО₃ выгружают из сосуда, а полученный ультрадисперсный СаСО₃ подвергают сушке.

Пример 1.

В сосуд высокого давления объемом 7 л, снабженный механическим перемешивающим устройством (агитатором), заливается 5 литров дистиллированной, либо технической воды и засыпают от 3 до 3,5 кг природного СаСО ₃ со средним диаметром частиц d=10-50 мкм, определенном из данных по удельной поверхности материала [4], в сосуде создается избыточное давление СО₂ от 8 до 50 атм. Водную суспензию выдерживают при избыточном давлении CO₂ и постоянном перемешивании до достижения стабилизации давления CO₂ в сосуде, при этом протекает процесс превращения нерастворимого СаСО₃ в хорошо растворимый Са(НСО₃) ₂ по схеме:

после чего, перемешивание прекращают, а избыточное давление CO₂ стравливают до атмосферного, при этом растворенный в воде Са(НСО₃)₂ разлагается с образованием СаСО₃ по схеме:

при этом полученный карбонат кальция, образовавшийся в таком процессе характеризуется определенной, как "ультрадисперсная" величиной частиц по данным об удельной поверхности материала [4], на основании чего, можно сделать вывод, что способ обеспечивает получение ультрадисперсного карбоната кальция из природного карбоната кальция, что не требует дополнительных химических операций по приготовлению гидрооксида кальция, а также снижает потребление CO₂, необходимого для проведения реакции в 2 раза (при отсутствии необходимости вторичного использования выделяющегося по схеме II углекислого газа).

Теоретические и экспериментальные исследования, включающие теоретическое обоснование и поиск оптимального режима проведения процесса, включали проведение процесса в условиях изменения величин давления, диапазона температур и использования исходного сырья - природного СаСО₃ с иными техническими характеристиками (размером частиц менее 10 мкм и более 50 мкм), давления менее 8 атм и более 50 атм, температуры более 25 подтвердили наибольшую оптимальность выбранных значений для наиболее рационального проведения процесса с целью получения насыщенного гидрокарбоната кальция и далее кабоната кальция, имеющего необходимые технические характеристики, а именно требуемую величину частиц. Процесс начинают при величине избыточного давления CO₂ 8 атмосфер, что соответствует режиму насыщения реакционной смеси, причем увеличение давления до 50 атмосфер способствует увеличению скорости реакции тем самым способствуя сокращению времени ее проведения, используемый температурный режим от 0 до +25° соответствует диапазону максимальной растворимости CO₂. Выбранная величина частиц 10-50 мкм является оптимальной для создания наиболее благоприятных условий, а именно способствует сокращению времени проведения процесса с использованием природного сырья и получению достаточного выхода промежуточного и конечного продуктов.

В условиях высокого давления СО₂ при механическом перемешивании в водной среде происходит растворение карбоната кальция с образованием гидрокарбоната. Также при контакте дистиллята с СаСО₃ происходит хемосорбция агрессивной углекислоты с образованием бикарбоната кальция по схеме

в результате прохождения процесса агрессивная углекислота полностью связывается, а рН повышается до величины 8-8,5, таким образом, осуществляется саморегулируемость процесса, при использовании пропорции 1 г агрессивной углекислоты и 2,5 г СаСО₃ при достижении рН величины 8,5 практически, все присутствующие в воде ионы (98%) находятся в форме бикарбонатных ионов.

Ввиду неустойчивости высококонцентрированных водных растворов гидрокарбонат кальция при атмосферном давлении подвергается разложению с образованием нормального карбоната кальция СаСО₃ и выделением СО₂, остаточная концентрация гидрокарбоната кальция в воде при нормальном давлении не превышает 1 г/л. Поскольку образование карбоната кальция из водных растворов гидрокарбонатов кальция, при стравливании давления протекает довольно быстро, в условиях пониженной концентрации центров кристаллизации, то при таком процессе в объеме раствора образуется огромное количество зародышей кристаллизации, которые и определяют распределение частиц вторичного карбоната кальция по размерам и обуславливают его повышенную, по сравнению с исходным сырьем, дисперсность.

Таким образом применение предлагаемого способа позволяет получать насыщенный раствор гидрокарбоната кальция Са(НСО ₃)₂ и ультрадисперсный карбонат кальция СаСО ₃ из природного сырья при снижении, как минимум, в 2 раза расхода углекислого газа, что способствует значительному упрощению способа и уменьшению его общей себестоимости.

Источники информации

1. Gomez-Morales J., Torrent-Burgues J., Lopes-Macipe A. et al., J. Cryst. Growth., 1996, v.166, № 1-4, p.1020.

2. Пат. Канады №2203210 АА от 21.10.1998, Porter A.L, Wilson W.J.

3. High speed manufacturing process for precipitated calcium carbonate employing sequential pressure carbonation, № П 2651356, IPC: C 01 F 11/18, 21.07.1999 г. (прототип).

4. Буянова Н.Е., Карнаухов А.П., Алабужев Ю.А., Определение удельной поверхности дисперсных и порошковых материалов, Новосибирск, 1978 г.