BR0016104B1

BR0016104B1 - processos contÍnuos para preparaÇço de microgÉis de polissilicato.

Info

Publication number: BR0016104B1
Application number: BRPI0016104-7A
Authority: BR
Inventors: Robert Harvey Moffett; Walter John Simmons
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 2000-12-06
Publication date: 2010-02-23
Also published as: NO20022681L; ZA200203694B; EP1240104B1; SK7682002A3; KR20020054365A; KR100729333B1; AU780244B2; AU1816501A; HUP0203797A2; CN1213944C; DK1240104T3; DE60010928T2; MXPA02005606A; DE60010928D1; PL201651B1; JP4808350B2; RU2244681C2; SK285343B6; PT1240104E; BR0016104A

Description

"PROCESSOS CONTÍNUOS PARA PREPARAÇÃO DE MICROGÉIS DEPOLISSILICATO"

Campo da Invenção

A presente invenção se refere a um processo contínuo parapreparação de microgéis com base em sílica, através do qual se pode atingirqualidade consistente do microgel com velocidades de produção variáveis.

Antecedentes da Invenção

Microgéis de polissilicato (ou seja, soluções aquosas formadasatravés da formação parcial em gel de uma sílica solúvel) são bem conhecidosna técnica. Esses microgéis podem ser preparados através da formação parcialem gel de um silicato de metal alcalino, misturando-se o silicato com uminiciador de gel, envelhecendo-se a mistura por curto período e, em seguida,suspendendo-se a formação adicional de gel através de diluição da mistura. Osiniciadores de gel também são denominados "agentes neutralizantes" e/ou"agentes de ativação". Ácidos minerais e alúmen são os iniciadores de gel maiscomumente empregados. Os microgéis resultantes possuem utilidadecomercial como auxiliar de retenção e drenagem na fabricação de papel, comoagente de floculação em instalações de purificação de água potável e emaplicações similares.

Diversos fatores práticos limitam atualmente a utilização comercialde microgéis de polissilicato, embora sejam excelentes floculadores eambientalmente benignos. As soluções de microgel são, por exemplo,necessariamente diluídas, tornando impraticável o transporte de grandesvolumes a longas distâncias. Os microgéis são tipicamente produzidos,portanto, em um local de campo pelo usuário. Os microgéis também sãopropensos a transformar-se em gel e formar depósitos de sílica emequipamentos utilizados para a preparação do produto. Esses problemaspodem ser superados pelo design do equipamento e pessoal treinado em umambiente fabril, mas apresentam maior dificuldade em aplicações de campo,em que o equipamento deverá ser de operação e manutenção relativamentefáceis.

Processos contínuos e de bateladas foram desenvolvidos aolongo dos anos para a produção de microgéis de sílica. Concluiu-se, entretanto,que a consistência do desempenho do produto varia consideravelmente debatelada para batelada e mesmo ao longo de períodos relativamente curtoscom processo contínuo.

Demonstrou-se que o desempenho dos microgéis de sílica comofloculadores é altamente dependente do crescimento dos microgéis de sílicaaté o tamanho adequado antes da utilização. Dois dos fatores mais importantesque afetam o tamanho do microgel produzido são o pH durante a formaçãoparcial em gel do silicato e o tempo de reação, que inclui o tempo de mistura,mas é principalmente o tempo de envelhecimento, ou o tempo até a diluição dasolução de microgel de sílica.

Durante a formação parcial em gel da sílica, o pH é de difícilcontrole ao utilizar-se um ácido forte, tal como ácido sulfúrico, como iniciadorde gel, pois tipicamente cerca de 85% da alcalinidade do silicato é neutralizada,de forma que o microgel possa ser utilizado rapidamente após a preparação.Pequenas modificações da quantidade de iniciador resultam em grandesvariações do pH que, por sua vez, resultam em mudanças do tamanho e dodesempenho do microgel.

Em reator de bateladas, o tempo de reação pode ser facilmentealterado. Em reator contínuo, entretanto, o tempo de reação é determinadopela velocidade de fluxo dos reagentes, e do volume do reator. Caso asvelocidades de fluxo dos reagentes sejam alteradas, por exemplo, para atendera uma mudança da velocidade de demanda por microgel de sílica, o tempo dereação, o tamanho do microgel formado e, portanto, o desempenho do microgelvariará.

Moffett e Rushmere, nas Patentes US 5.279.807, US 5.503.820,US 5.648.055 e US 5.853.616, descrevem processos contínuos aperfeiçoadospara a preparação de microgéis de polissilicato, em que a deposição de sílica égrandemente reduzida através da mistura de uma solução de silicato solúvel eum iniciador de gel sob condições específicas.

Moffett, Simmons e Jones, no Pedido de Patente US 09/119468,depositado em 20 de julho de 1998, descrevem um processo contínuo parapreparação de microgéis de polissilicato, em que recipientes elasticamentedeformáveis são incorporados ao processo. Esses recipientes permitem odesprendimento de depósitos formados sobre as paredes dos recipientes.

Embora os modelos ensinados nessas patentes resultem emdeposição muito reduzida e tenham encontrado utilidade comercial, permanecea falta de consistência da qualidade ao variar-se a velocidade de produção demicrogéis. Quando as velocidades de fluxo de reagentes forem modificadaspara atender a variação da demanda na velocidade de produção, mudanças notempo de envelhecimento e, portanto, o tamanho e o desempenho do microgelformado podem variar. O usuário deve adaptar-se, portanto, para desempenhovariável.

Um processo contínuo que poderá produzir, de forma confiável,microgéis de polissilicato com qualidade consistente e que apresentemdesempenho consistente em diferentes velocidades de produção no mesmoequipamento para atender as demandas variáveis dos consumidores teria altautilidade.

Descrição Resumida Da Invenção

A presente invenção proporciona um processo contínuo parapreparação de microgéis de polissilicato, que compreende:

(a) contato de uma corrente de alimentação que compreende umafonte de sílica, em que a fonte de sílica é selecionada a partir do grupo queconsiste de uma solução aquosa de um silicato hidrossolúvel, um sol de sílicacoloidal e suas combinações, com uma corrente de alimentação quecompreende dióxido de carbono em um recipiente para contato para produziruma mistura; e

(b) envelhecimento da mistura em um recipiente deenvelhecimento para transformar parcialmente em gel a mistura, para produziruma mistura envelhecida;

em que a etapa de contato, a etapa de envelhecimento ou ambassão realizadas sob pressão de pelo menos cerca de 172 kPa (cerca de 25psig).

A corrente que compreende dióxido de carbono pode conterdióxido de carbono livre, tipicamente na forma de gás ou liquido ou na forma dematerial que liberará dióxido de carbono sob condições de reação. Misturas dedióxido de carbono com outros componentes também são contempladas.

A presente invenção e suas realizações específicas proporcionamvantagens em um processo contínuo para preparação de microgéis de sílica,que incluem melhor controle do pH durante a etapa em que as correntes dealimentação são colocados em contato; tamanho e desempenho de microgelmais consistentes; eliminação de ácidos minerais fortes no processo, o queproporciona benefícios de segurança, bem como menores custos deequipamento; melhor capacidade de remoção de depósitos de sílica; e sistemade purga eficiente na eventualidade de perda do fornecimento de água.

Descrição Detalhada da Invenção

Microgéis de polissilicato são ,soluções aquosas formadas atravésda formação parcial em gel de uma fonte de sílica, tal como um silicatohidrossolúvel, um sol de sílica coloidal ou suas combinações.

Os silicatos hidrossolúveis incluem silicatos e polissilicatos demetal alcalino, tais como silicato de sódio, contendo na sua forma mais comumuma parte de Na2Ü para 3,3 partes de S1O2 em peso. Os microgéis formados apartir de silicatos solúveis são tipicamente compostos de água e partículas desílica ligadas com diâmetro de 1 a 5 nm e área de superfície de pelo menos500 m2/g, mais tipicamente pelo menos 1000 m2/g. As partículas são ligadasumas as outras durante a preparação (ou seja, durante a formação parcial emgel) para formar agregados que contenham cadeias e redes tridimensionais.Preferencialmente, a fonte de sílica é uma solução aquosa de silicatohidrossolúvel.

Os sóis de sílica coloidal são disponíveis comercialmente, porexemplo, através da Ε. I. duPont de Nemours and Company, Inc., vendidos sobo nome Sílica Coloidal Ludox®. Os sóis de sílica úteis na presente invençãosão compostos de água e partículas discretas de sílica com diâmetro de 4 a 60nm, preferencialmente menos de 50 nm. As partículas em sol também se ligamdurante a formação parcial em gel, para formar agregados que contêm cadeiase redes tridimensionais. Os microgéis formados a partir dos sóis de sílica terãotipicamente área de superfície na faixa de cerca de 50 a 750 m2/g.

Em pH abaixo de 5, os microgéis de polissilicato às vezes sãodenominados microgéis de ácido polissilícico. À medida que se eleva o valor dopH, esses produtos podem conter misturas de ácido polissilícico e microgéis depolissilicato, com a razão sendo dependente do pH. Da forma utilizada nopresente, a expressão "microgel de polissilicato" ou "microgel de sílica" incluiessas misturas de ácido polissilícico e microgéis de polissilicato.

Os microgéis de polissilicato são freqüentemente modificadosatravés da incorporação de íons de aluminato à sua estrutura. O alumínio podeestar presente ao longo dos agregados de polissilicato, ou somente sobre asua superfície, dependendo de onde se adiciona a fonte de alumínio aoprocesso. Pode-se adicionar alumínio para aumentar a velocidade de formaçãode microgéis e, portanto, reduzir o tempo de envelhecimento. Alumínioadicionado na forma de aluminato também permite que o microgel retenha suacarga sob condições de baixo pH. Sóis de sílica podem conter alumínioincorporado às partículas em sol. Da forma utilizada no presente, a expressão"microgel de polissilicato" ou "microgel de sílica" inclui microgéis de polissilicatoque contêm alumínio, o que às vezes é denominado na técnica microgéis depolialuminossilicato.

Contato

Na presente invenção, uma corrente de alimentação quecompreende uma fonte de sílica, a "corrente de alimentação de sílica", écolocada em contato com uma corrente de alimentação que compreendedióxido de carbono. A fonte de sílica é selecionada a partir do grupo queconsiste de uma solução aquosa de um silicato hidrossolúvel, um sol de sílicacoloidal e suas combinações. O termo "contato" designa a combinação dasduas correntes de alimentação, de tal forma que as correntes se misturem. Amistura é tipicamente conseguida através de fluxo turbulento das correntes dealimentação. A corrente de alimentação que compreende uma fonte de sílica eo fluxo de alimentação que compreende dióxido de carbono são introduzidossimultaneamente em uma região de mistura, onde os fluxos de alimentaçãoconvergem em ângulo de não menos de 30°. A corrente de alimentação desílica pode compreender qualquer solução de silicato hidrossolúvelconvencional e/ou sílica coloidal.

Quando a corrente de alimentação de sílica compreender umasolução de silicato solúvel, a corrente de sílica deverá conter concentração desílica na faixa de 0,5 a 15%, preferencialmente 1% a 10% e, de maiorpreferência, 1 a 5% em peso. O microgel geralmente será formado muitolentamente para utilização prática sob concentrações abaixo de 0,5%. Comsílica acima de 15%, a velocidade de formação em gel é rápida demais para ocontrole efetivo ao utilizar-se um silicato hidrossolúvel. Pode-se utilizarsoluções de silicato comerciais que contenham concentrações mais altas desílica com diluição apropriada, através da adição de água para reduzir aconcentração de sílica.

Quando a corrente de alimentação dè sílica compreender um solde síüca coloidal, na ausência de um silicato hidrossolúvel, a corrente de sílicapode ser utilizada sem diluição. A concentração de sílica na corrente dealimentação pode ser a mesma da concentração de sílica no sol de sílica, oumenos. Preferencialmente, a concentração de sílica na corrente de alimentaçãode sílica encontra-se na faixa de 15% a 50% em peso, ao utilizar-se um sol desílica coloidal, na ausência de silicato hidrossolúvel.

O contato das correntes de alimentação pode ser conduzido emqualquer recipiente para contato apropriado, tal como tanque, cano, tubo,mangueira, tanque sob agitação contínua, reator de fluxo pistonado ("plugflow"), tubulação ou suas combinações. O termo "recipiente" indica uminstrumento oco utilizado para fluidos, especialmente líquidos.

A corrente de alimentação de sílica é colocada em contato comuma corrente de alimentação que compreende dióxido de carbono comoiniciador de gel em processo contínuo, que inicia a formação do microgel.Embora se prefira alimentar dióxido de carbono como de dióxido de carbonolivre na forma de gás ou líquido na corrente de alimentação, a corrente dealimentação também pode conter dióxido de carbono na forma de material queliberará dióxido de carbono sob condições de reação, tal como bicarbonato desódio. Outros componentes, líquidos ou gases podem também estar presentesna corrente de alimentação de dióxido de carbono.

As velocidades de fluxo das correntes de alimentação de sílica edióxido de carbono podem ser controladas volumetricamente (tipicamente nafaixa do pH de 6 a 10) devido ao efeito tampão dos carbonatos resultantes. Ocontrole volumétrico oferece a vantagem de evitar sensores do pH, que podemexigir limpeza, calibragem e substituições freqüentes.

Iniciadores de géis adicionais podem ser adicionados, tais comocompostos de alumínio, especialmente ao serem preparadas soluções demicrogel de polialuminossilicato, o que pode reduzir o pH. Outros iniciadores degei podem também ser alimentados para o reator, seja com a corrente dealimentação de dióxido de carbono ou como uma corrente separada. Estesincluem, por exemplo, ácidos orgânicos e inorgânicos, tais como ácidos acéticoe sulfúrico, sais de ácidos, tais como bórax, bissulfito de sódio, sulfato deamônia, sais de metal alcalino de ácidos metálicos anfotéricos, tais comoaluminato de sódio e certos compostos orgânicos, tais como anidridosorgânicos, amidas e ésteres. Uma relação mais completa de iniciadores de gelé fornecida em Rushmere, na Patente US 4.954.220, incorporada ao presentecomo referência.

A etapa de contato, a etapa de envelhecimento subseqüente ouas duas etapas deverão ser realizadas sob pressão de pelo menos cerca de172 kPa (cerca de 25 psig) e tipicamente menos de 13.800 kPa (cerca de 2000psig), com o limite superior ajustado mais por praticidade e economia que porlimitações do processo. Preferencialmente, a etapa de contato é realizada sobpressão na faixa de cerca de 344 a 1380 kPa (cerca de 50 a 200 psig).Surpreendentemente, concluiu-se que, sob pressão elevada, atinge-seprodução contínua de microgéis de sílica que possuem tamanho consistente,mesmo sob velocidades de fluxo variáveis. As velocidades de produção podemvariar, por exemplo, em faixa de três vezes, sem necessidade de variar aconcentração de sílica ou a velocidade de fluxo de CO2.

A corrente de alimentação de dióxido de carbono é colocada emcontato com a corrente de alimentação de sílica, de tal forma que a quantidadede dióxido de carbono adicionasse faixas de pouco menos da estequiométricaaté excesso, com base na quantidade necessária para neutralizar aalcalinidade da corrente de alimentação de sílica. Quantidade pouco menor quea estequiométrica indicará tipicamente pelo menos 80% da quantidadeestequiométrica e, preferencialmente, pelo menos 90% da quantidadeestequiométrica necessária para neutralizar a alcalinidade de sílica. Aquantidade de dióxido de carbono adicionada pode ser de menos de 80% daquantidade estequiométrica necessária para neutralizar a alcalinidade de sílicaao utilizar-se dióxido de carbono em combinação com outros iniciadores de gel.Preferencialmente, existe a adição de pelo menos a quantidadeestequiométrica para controle do pH mais consistente. De maior preferência,adiciona-se CO2 em quantidade correspondente a 100 até 500% da quantidadeestequiométrica necessária para neutralizar a alcalinidade de sílica.

A alcalinidade de sílica pode ser a alcalinidade de uma soluçãoaquosa de um silicato hidrossolúvel, por exemplo, de uma solução de silicatode metal alcalino, tal como silicato de sódio. Essas soluções são básicas e osiniciadores de gel são tipicamente ácidos. Silicatos hidrossolúveis distinguem-se pela sua razão entre sílica e álcali, em que o álcali é da fórmula M2O e M étipicamente Na, K ou NH4. Alternativamente, a alcalinidade de sílica podeindicar a alcalinidade de um sol de sílica coloidal. Em um sol de sílica, aspartículas de sílica são dispersas em meio alcalino, que estabiliza as partículasaté a formação em gel. O meio alcalino pode conter, por exemplo, hidróxido desódio ou amônia.

Preferencialmente, dióxido de carbono será utilizado na ausênciade outros iniciadores de gel e a velocidade de alimentação de dióxido decarbono será maior que a solubilidade de dióxido de carbono em água sobpressão e temperatura dadas. À medida que aumenta a temperatura, asolubilidade do dióxido de carbono diminui. A temperatura para condução dequalquer etapa encontra-se tipicamente na faixa de O0C a 50°C.Opcionalmente, um sal de alumínio ou um aluminato de metalalcalino é convenientemente adicionado na forma de componente solúvel nasolução de silicato, ou pode ser adicionado na forma de corrente separada àmistura. Excelentes microgéis de polialuminossilicato contêm razão molar deAl203/Si02 na faixa de 1:1500 a 1:25, preferencialmente 1:1250 a 1:50.Geralmente, até 25% de silício de superfície podem ser substituídos poralumínio.

Embora qualquer condição possa ser empregada na prática dapresente invenção para colocar em contato as correntes de alimentação, sãopreferidas condições turbulentas, de tal forma que as correntes de alimentaçãosejam colocadas em contato em número de Reynolds de pelo menos 1.000,preferencialmente mais de 6.000.

Após a etapa de contato, quando a corrente de alimentação desílica compreender uma solução de silicato hidrossolúvel, a mistura deveráconter concentração de sílica de 0,5 a 15% em peso, preferencialmente 1 a10% em peso, de maior preferência 1 a 5% em peso. Quando a corrente dealimentação de sílica compreender um sol de sílica coloidal na ausência de umsilicato hidrossolúvel, a mistura pode conter concentração de sílica mais alta,ou seja, concentração de sílica igual à concentração de sílica no sol de sílicaou menos, preferencialmente concentração de sílica na faixa de 15% a 50% empeso. O pH deverá estar na faixa de 6 a 10, preferencialmente 6,5 a 7,5, aoutilizar-se dióxido de carbono na ausência de iniciadores de gel adicionais.

Envelhecimento

A mistura é envelhecida em um recipiente de envelhecimento porum período de tempo suficiente para atingir o nível desejado de formaçãoparcial em gel, que normalmente leva pelo menos dez segundos e geralmentenão mais de quinze minutos. A formação parcial em gel produz uma misturaenvelhecida, que é um agregado de cadeias e redes tridimensionais departículas de sílica com alta área de superfície conhecidas na técnica comomicrogéis de polissilicato. Essa etapa de envelhecimento é preferencialmenterealizada sob pressão de mais de cerca de 172 kPa (cerca de 25 psig) etipicamente menos de 13.800 kPa (2000 psig). Preferencialmente, a mistura éenvelhecida sob pressão na faixa de 344 a 1380 kPa (50 a 200 psig).

A extensão da formação parcial em gel desejada varia com osingredientes selecionados e a aplicação, mas geralmente é atingida dentro10% a 90% do tempo, em que ocorre a formação completa de gel. Assim, ostécnicos podem determinar facilmente o tempo de gel e ajustar a concentraçãode sílica para atingir a formação parcial de gel desejada. Alternativamente, ocomprimento e/ou diâmetro do recipiente de envelhecimento, temperatura evelocidades de fluxo pode ser otimizado para uma aplicação específica. Atemperatura durante o envelhecimento encontra-se tipicamente na faixa de O0Ca 50°C.

Em processo contínuo, o envelhecimento ocorre à medida que amistura passa através de um recipiente de envelhecimento, que é tipicamenteum recipiente alongado e é essencialmente completado quando a misturaatinge a descarga do recipiente. O recipiente de envelhecimento pode serqualquer recipiente apropriado, tal como um cano, tubo, mangueira, reator defluxo pistonado "plug flow", tubulação ou suas combinações. O recipiente deenvelhecimento possui tipicamente diâmetro constante, com diâmetro ecomprimento sendo selecionados para proporcionar o tempo de residêncianecessário para que a mistura "envelheça" até o ponto desejado. Um recipientede envelhecimento típico possui diâmetro na faixa de 0,5 cm a 25 cm (1/4 a 10polegadas) e comprimento de 60 cm a 150 m (2 a 500 pés), para proporcionartempo de residência de dez segundos a quinze minutos. Geralmente não existevantagem em empregar tempo de residência de mais de quinze minutos.

O recipiente de contato e/ou envelhecimento é preferencialmenteum recipiente elasticamente deformável (por exemplo, um cano ou tubo),conforme descrito no Pedido de Patente US 09/119468, depositado em 20 dejulho de 1998. Nele é descrito um processo contínuo para preparação demicrogéis de polissilicato, em que o recipiente elasticamente deformável édescrito como sendo temporariamente deformado de tempos em tempos paradesprender depósitos que se formam sobre as paredes do recipiente. Orecipiente é construído de material que possui (i) elasticidade maior que a dosdepósitos de sílica; e (ii) características de superfície tais que a deformação dorecipiente superará as forças de adesão entre o recipiente e os depósitos, deforma a fazer com que os depósitos sejam desprendidos quando o recipientefor deformado. A utilização de dióxido de carbono sob pressões de pelo menoscerca de 172 kPa (cerca de 25 psig) é especialmente benéfica para aeliminação de depósitos de sílica. Os depósitos desprendidos são purgados apartir do recipiente através da mistura da corrente de sílica e dióxido decarbono, à medida que a mistura passa continuamente através do recipiente.Como os depósitos são compostos de sílica, não há necessidade de segregá-los e removê-los da mistura que sai do recipiente para várias aplicações. Asvantagens da utilização de recipientes deformáveis são especialmenteevidentes quando aplicados ao período de contato e envelhecimento precocedo processo em que os depósitos são particularmente propensos a seformarem.

Embora a utilização da pressão na presente invenção contribuapara a deformação de um recipiente deformável, quando esse recipiente forutilizado, outros meios de deformação do recipiente de contato e/ou deenvelhecimento também podem ser utilizados. Estes incluem meios mecânicose meios de vibração. Os meios mecânicos incluem compressão, estiramento ouflexão (dobra) e liberação das paredes de um recipiente por um rolo, prensa ououtro dispositivo mecânico, ou através da variação da pressão externa sobreum recipiente por um fluido circundarite. Os meios de vibração incluem autilização de ondas sonoras sônicas ou ultrassônicas.

A utilização de dióxido de carbono também auxilia grandementena purga do sistema de reação, que inclui o recipiente de contato e o recipientede envelhecimento, para desprender depósitos que se formam sobre asparedes do recipiente. Ou seja, a purga ou lavagem ocorre quando a pressãofor reduzida da pressão de reação de pelo menos cerca de 172 kPa (cerca de25 psig) para a ambiente. O processo de acordo com a presente invençãocompreende ainda opcionalmente uma etapa que envolve a purga dosrecipientes de contato e/ou envelhecimento, através do desprendimento dedepósitos que se formam sobre as paredes do recipiente, reduzindorapidamente a pressão nos recipientes. A redução da pressão causa mudançada solubilidade de dióxido de carbono, que gera grandes volumes de gás quepurgam rapidamente o sistema. Isso é particularmente vantajoso ao utilizar-seum recipiente deformável como recipiente de contato e/ou o recipiente deenvelhecimento.

Utilização Industrial

A mistura envelhecida ou o microgel de polissilicato são tratadosgeralmente para suspender ou minimizar a formação de gel adicional. Quandoa corrente de alimentação de sílica compreender uma solução de silicatohidrossolúvel, esse tratamento pode ser uma etapa de diluição simples quereduz a concentração de sílica para menos de cerca de 10%,preferencialmente menos de 5% e, de preferência ainda maior, menos de 2%em peso, para produzir uma mistura diluída, ou microgel de polissilicato diluído.Quando a corrente de alimentação de sílica compreender um sol de sílicacoloidal na ausência de um silicato hidrossolúvel, pode-se também utilizar umaetapa de diluição. Alternativamente, o tratamento pode ser uma etapa de ajustedo pH ou uma combinação de etapas de ajuste do pH e diluição, através daqual a formação de gel é suspensa, retardada ou ambos. Em etapa de ajustedo pH, o pH é tipicamente ajustado em menos de 3 ou mais de 9 paraminimizar a formação de gel adicional. Outros métodos conhecidos na técnicapodem ser selecionados para também suspender a formação de gel.

O microgel tratado, ou seja, após a diluição ou ajuste do pH, podeentão ser armazenado ou consumido em sua utilização pretendida.Alternativamente, caso o microgel seja consumido imediatamente, ou se aformação adicional em gel estiver dentro de limites aceitáveis para a aplicaçãodesejada, pode não ser necessário diluir ou ajustar o pH do microgel. Sedesejado, o microgel envelhecido pode ser filtrado para remover depósitos desílica inaceitavelmente grandes que foram desprendidos durante a prática dapresente invenção.

Os microgéis de polissilicato preparados de acordo com apresente invenção podem ser utilizados em aplicações convencionais queconsumam esses microgéis, bem como em novas aplicações tornadas práticasporque os microgéis podem ser produzidos de forma confiável no campo. Osmicrogéis podem ser utilizados, por exemplo, como agente floculante pararemover sólidos de suspensões aquosas, ou como auxiliar de retenção depapel, freqüentemente em conjunto com outros polímeros e/ou substânciasquímicas utilizadas para aquele propósito.

Descrita a presente invenção, ela agora será ilustrada, mas semlimitar-se, pelos exemplos a seguir.

Exemplos

Exemplo 1

Este exemplo demonstra como a velocidade da corrente de sílicapode variar, resultando em tempos de envelhecimento que variam sem afetarsubstancialmente o tamanho do microgel ao utilizar-se CO2 como iniciador degel sob pressão de cerca de 516 kPa (75 psig). Este exemplo tambémdemonstra como a razão entre o iniciador de gel e sílica pode sersignificativamente modificada sem afetar substancialmente o tamanho domicrogel ao utilizar-se CO2 como iniciador de gel sob pressão de cerca de 516kPa (75 psig).

Preparou-se um microgel de polissilicato através da mistura deurna solução de silicato de sódio com dióxido de carbono. A solução de silicatode sódio continha razão de 3,22 de Na20:Si02 e continha 28,5% em peso deSiO2. A solução de silicato foi diluída em linha com quantidade suficiente deágua, para reduzir a concentração de SiO2 a 2,4% em peso de SiO2, que foientão alimentado continuamente em 91,4 m (300 pés) de uma mangueira devinil elasticamente deformável que possuí diâmetro interno de 3,8 cm (1,5polegadas). A velocidade de fluxo da solução de silicato diluída variou paraatingir diferentes tempos de reação. Da forma utilizada no presente, "tempo dereação" indica o tempo de envelhecimento teórico ou "tempo deenvelhecimento", com base na velocidade de fluxo da solução de silicatodiluída. Alimentou-se dióxido de carbono (CO2) para a mangueira sobvelocidade de fluxo de 340 l/min. A quantidade de CO2 adicionada variou depouco menos da estequiométrica até excesso, com base na quantidadenecessária para neutralizar completamente a alcalinidade do silicato,dependendo da velocidade de fluxo da solução de silicato. A pressão no interiorda mangueira foi mantida em 516 kPa (75 psig) por uma válvula de controlelocalizada na extremidade de descarga da mangueira. O pH e o tempo de inícioda formação visível de gel, ou seja, o "tempo de gel" do produto de microgel desílica a 2,4% em peso foi medido na extremidade de descarga da mangueira.

Amostras do produto de microgel de sílica foram preparadas paramedições de viscosidade, através da diluição imediata do produto de microgela 2,4% em peso a SiO2 a 1% em peso e redução do pH para 2. A viscosidadefoi medida através da utilização de um tubo viscosimétrico Cannon Fensketamanho 50. O tamanho médio de microgel (diâmetro em nm) foi estimadoatravés de comparação de medições de viscosidade com medições deviscosidade de uma série de microgéis de síiica para os quais os tamanhos departículas foram medidos através da utilização de análise de difusão de luzdinâmica. As medições de viscosidade da série de microgéis foramcorrelacionadas ao tamanho de partículas medido através da utilização daanálise de difusão de luz.

A análise de difusão de luz dinâmica foi realizada através dautilização de um goniômetro de difusão de luz da Brookhaven Instrument,modelo BI-200SM. As medições dos microgéis foram conduzidas à temperaturaambiente, através da utilização de um laser de íon de argônio comcomprimento de onda de 488 nm operando sob potência de 200 mW. Asmedições de intensidade de difusão de luz foram feitas em ângulos diferentes eos dados foram analisados através da utilização de plotagem Zimm.

Os resultados são fornecidos na Tabela 1.

Tabela 1

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* l/min = litros por minuto; gpm = galões por minuto

Como se pode observar na Tabela 1, os tempos de gel e o pH domicrogel foram muito consistentes, indicando tamanho consistente do microgel.Exemplo Comparativo

Este exemplo demonstra como a variação do tempo deenvelhecimento ao utilizar-se ácido sulfúrico como iniciador de gel resulta emmudanças significativas no tamanho do microgel e, portanto, suaspropriedades. Este exemplo também demonstra como pequenas mudanças narazão entre o iniciador de gel e sílica ao utilizar-se ácido sulfúrico resultam emgrandes mudanças no tamanho e propriedades do microgel.

Para fins de comparação, preparou-se um microgel depolissilicato através da mistura de 2,5 Mol/L (5N) de H2SO4 com 983 gramas desilicato de sódio diluído para proporcionar solução de microgel contendo 2,4%em peso de SiO2. Foram realizadas duas conduções separadas a 41,5 ml e41,0 ml de H2SO4, respectivamente. A mistura foi mantida em envelhecimentopara proporcionar tempos de reação similares como no Exemplo IOpH foimedido após um minuto de envelhecimento. As amostras foram retiradas damistura, diluídas a 1% em peso de SiO2 e ajustadas até pH 2 nos tempos deenvelhecimento observados. A viscosidade e o diâmetro estimado para asamostras envelhecidas foram determinados como no Exemplo 1. O tempo degel para cada condução também é fornecido.

Tabela 2

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Como se pode observar a partir da Tabela 2, a utilização de ácidosulfúrico como iniciador de gel para preparar microgéis de sílica proporcionouprodutos de microgéis com viscosidades e tamanhos de partículasignificativamente diferentes em tempos de envelhecimento diferentes. Alémdisso, pequena diferença da quantidade de ácido sulfúrico resultou em grandediferença do tempo de gel e diferenças de viscosidade e tamanho de partícula.Em comparação com os resultados da Tabela 1, pode-se observar que autilização de dióxido de carbono como iniciador de gel proporcionou produtomuito mais consistente,

No Exemplo 1, a quantidade de iniciador (CO2) muda durante umafaixa de três vezes com relação ao silicato e observou-se pouca variação daviscosidade e do diâmetro médio do microgel. Por outro lado, no ExemploComparativo, a quantidade de iniciador (ácido sulfúrico) é modificada emapenas 1,2% com relação ao silicato e foram observadas grandes mudançasna viscosidade e diâmetro médio de microgel.

Exemplo 2

Este exemplo demonstra como um produto mais consistente éproduzido através da condução das etapas de contato e envelhecimento sobpressões de mais de 172 kPa (cerca de 25 psig).O processo do Exemplo 1 foi repetido sob pressões variadas.Uma solução de silicato de sódio que possui razão de 3,22 de Na20:Si02contendo 28,5% em peso de SiO2 foi diluída em linha com quantidadesuficiente de água para reduzir a concentração de SiO2 para 2,1% em peso deSiO2. Adicionou-se CO2 sob velocidade de 270 l/min. A velocidade de fluxo deSÍO2 diluído foi de 28 litros por minuto (7,5 gpm). As soluções de CO2 esilicatos foram alimentadas continuamente em 91,4 m (300 pés) de mangueirade vinil com diâmetro interno de 3,8 cm (1,5 polegadas). A pressão no interiorda mangueira foi mantida por uma válvula de controle localizada naextremidade de descarga da mangueira. O pH e o tempo de gel da solução a2,1% em peso foram medidos na extremidade de descarga da mangueira.

Tabela 3

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Como se pode observar através da Tabela 3, os tempos de gel epH foram mais consistentes sob pressões de cerca de 172 kPa (cerca de 25psig) e acima. Tempos de gel e pH consistentes indicam tamanho consistentede microgel.

Claims

1. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, caracterizado pelo fato de que compreende:(a) contato de uma corrente de alimentação que compreende umafonte de sílica, em que a fonte de sílica é selecionada a partir do grupo queconsiste de uma solução aquosa de um silicato hidrossolúvel e um sol de sílicacoloidal, com uma corrente de alimentação compreendendo dióxido de carbonoem recipiente de contato para produzir uma mistura; e(b) envelhecimento da mistura em um recipiente deenvelhecimento para transformar parcialmente em gel a mistura e produzir umamistura envelhecida;em que a etapa de contato, a etapa de envelhecimento ou ambassão realizadas sob pressão de pelo menos cerca de 172 kPa.

2. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a fonte de sílica é uma solução aquosa de umsilicato hidrossolúvel e compreende adicionalmente a diluição da misturaenvelhecida até concentração de sílica de menos de 10% em peso, paraproduzir uma mistura diluída (somente necessária para silicato).

3. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente o ajuste do pH damistura envelhecida até pH de menos de 3 ou mais de 9.

4. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de , acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente o ajuste do pH damistura diluída até pH de menos de 3 ou mais de 9.

5. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a fonte de sílica é uma solução aquosa desilicato hidrossolúvel e a concentração de sílica na corrente de alimentação quecompreende uma fonte de sílica está na faixa de 0,5 a 15% em peso.

6. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de que a concentração de sílica na corrente dealimentação que compreende uma fonte de sílica está na faixa de 1 a 10% empeso.

7. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que dióxido de carbono está presente em quantidadeque é pelo menos 80% da quantidade estequiométrica necessária paraneutralizar a alcalinidade de sílica.

8. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que dióxido de carbono está presente pelo menosem quantidade estequiométrica necessária para neutralizar a alcalinidade desílica.

9. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a etapa de contato, a etapa de envelhecimentoou ambas são realizadas sob pressão na faixa de cerca de 344 kPa a 1380kPa.

10. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o recipiente de contato, o recipiente deenvelhecimento ou ambos são recipientes elasticamente deformáveis.

11. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a deformaçãoperiódica do recipiente elasticamente deformável para desprender depósitosque se formam sobre as paredes do recipiente.

12. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente o desprendimentode depósitos que se formam sobre as paredes do recipiente de contato, dorecipiente de envelhecimento ou ambos, através de rápida redução da pressãono recipiente a partir de uma pressão de mais de cerca de 172 kPa para apressão ambiente.

13. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, caracterizado pelo fato de que compreende:(a) contato de uma corrente de alimentação que compreende umafonte de sílica, em que a fonte de sílica é uma solução aquosa de silicatohidrossolúvel, com corrente de alimentação compreendendo dióxido decarbono em recipiente de contato para produzir uma mistura; e(b) envelhecimento da mistura em recipiente de envelhecimentopara a formação parcial em gel da mistura, a fim de produzir uma misturaenvelhecida;em que a concentração de sílica na corrente de alimentação quecompreende a fonte de sílica está na faixa de 0,5 a 15% em peso; dióxido decarbono está presente em quantidade que é de pelo menos 80% da quantidadeestequiométrica necessária para neutralizar a alcalinidade de sílica e o ditoprocesso é conduzido sob pressão na faixa de cerca de 344 kPa a 1380 kPa.

14. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 13,caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a diluição damistura envelhecida até uma concentração de sílica de menos de 5,0% empeso, para produzir uma mistura diluída.

15. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 13,caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente o ajuste do ph" damistura até pH de menos de 3 ou mais de 9.

16. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente o ajuste do pH damistura diluída até pH de menos de 3 ou mais de 9.

17. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 13,caracterizado pelo fato de que dióxido de carbono está presente pelo menosem uma quantidade estequiométrica necessária para neutralizar a alcalinidadede sílica.

18. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 13,caracterizado pelo fato de que a corrente de alimentação que compreende umafonte de sílica e o fluxo de alimentação que compreende dióxido de carbonosão introduzidos simultaneamente em uma região de mistura, onde os fluxosde alimentação convergem em ângulo de não menos de 30°.

19. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, de acordo com a reivindicação 18,caracterizado pelo fato de que o recipiente de contato, o recipiente deenvelhecimento ou ambos são recipientes elasticamente deformáveis ecompreende adicionalmente a deformação periódica dos recipienteselasticamente deformáveis para desprender depósitos que se formam sobre asparedes do recipiente, purgando-se os depósitos dos recipientes.

20. PROCESSO CONTÍNUO PARA PREPARAÇÃO DEMICROGÉIS DE POLISSILICATO, caracterizado pelo fato de que compreende:(a) contato de uma corrente de alimentação que compreende umafonte de sílica, em que a fonte de sílica é uma solução aquosa de um silicatohidrossolúvel, com uma corrente de alimentação que compreende dióxido decarbono em um recipiente de contato, para produzir uma mistura que possui pHna faixa de 6,5 a 7,5;(b) envelhecimento da mistura em um recipiente deenvelhecimento para a formação parcial em gel da mistura, a fim de produziruma mistura envelhecida;(c) diluição da mistura envelhecida até uma concentração de sílicade menos de 5%;em que o dióxido de carbono está presente em quantidade que épelo menos a quantidade estequiométrica necessária para neutralizar aalcalinidade de sílica e o dito processo é conduzido sob pressão na faixa decerca de 344 kPa a 1380 kPa.