BR102020024799A2 - Processo de produção de silicato de sódio a partir de microssílica - Google Patents

Abstract

processo de produção de silicato de sódio a partir de microssílica. o presente pedido refere-se a uma composição e processo de produção de silicato de sódio utilizando microssílica. o objetivo da invenção foi desenvolver um processo de produção de silicato de sódio a partir de microssílica. outro objetivo da invenção foi testar silicado de sódio a partir de microssílica em substituição do silicato de sódio padrão.

Description

PROCESSO DE PRODUÇÃO DE SILICATO DE SÓDIO A PARTIR DE MICROSSÍLICA CAMPO DA INVENÇÃO

[01] O presente pedido refere-se a uma composição e processo de produção de silicato de sódio utilizando microssilica.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[02] O termo silicato de sódio não designa nenhum composto em particular que apresente proporções atômicas fixas, sendo que na prática é usualmente caracterizado quimicamente em termos de suas relações estequiométricas equivalentes a dióxido de silício (ou sílica, Si02) e óxido de sódio (Na20). Dos silicatos de metais alcalinos, conhecidos como vidros líquidos (waterglass), o silicato de sódio é o que apresenta utilidade mais vasta para propósitos industriais. É normalmente utilizado na forma de soluções e categorizados para fins comerciais segundo o teor de sólidos presente e a relação molar Si02:N20.

[03] Em geral, o uso de silicatos de metais alcalinos, onde está incluído o silicato de sódio, se encaixa em duas amplas categorias: na primeira como matéria-prima pela qual importantes produtos industriais podem ser derivados através da utilização de ânions silicatos como blocos de construção para a formação de materiais contendo sílica, representando o maior e mais simples uso de silicatos solúveis. Tais produtos industriais incluem: sílica sóis, sílica gels, sílicas precipitadas, zeolitas, alumino-silicatos, silicatos de magnésio, argilas sintéticas, cerâmicas e catalizadores. Na segunda categoria, é utilizado como aditivo funcional em uma ampla faixa de aplicações que exploram as variadas propriedades dos silicatos, incluindo fonte de alcalinidade tampão (na produção de detergentes), sistema polimérico inorgânico com adesivo (nos moldes de fundição), agente ligante, formador de filme (para revestimentos de superfície), não tóxico, não inflamável, ambientalmente benigno, ampla faixa de composições, capacidade em formar sistemas híbridos com materiais orgânicos (tais como polímeros) e inorgânicos (como fosfatos e boratos), agente precipitador de íons em solução (em tratamentos de água, inclusive potável), propriedades intumescentes sob aquecimento (nas tintas que reagem ao calor) e baixo custo.

[04] Industrialmente, em geral, durante a fabricação do silicato de sódio é necessário uma ou mais fontes de sílica (Si02), onde, normalmente, usa-se sílica gel, quartzo ou areia.

[05] Os silicatos de sódio são preparados pelos métodos (BARBARA, et al, 1997):

[06] 1- Fusão de sílica com carbonato de sódio (Na2C03) a 1300°C;

[07] 2- Fusão de sílica com sulfato de sódio (Na2S04), também a 1300°C;

[08] 3- Pelo vapor d'água em uma mistura fortemente aquecida de areia e cloreto de sódio;

[09] 4- Em soluções de hidróxido de sódio (NaOH) , pelo aquecimento em autoclaves de minerais siliciosos (areia, calcedônia, opala, diatomita, etc.), à alta temperatura e pressão.

[010] A presente invenção é uma alternativa potencializada do estado da técnica, frente aos processos existentes.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

[011] O documento PI 0101413-7, intitulado PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE SILICATO DE SÓDIO E/OU SÍLICO ALUMINATO DE SÓDIO, descreve um processo de produção de silicatos de sódio a partir do uso de matériaprima de baixo custo, posto que é matéria residual de outro processo, e sem aporte adicional de energia, já que a matéria prima já contém o calor de reação. Consistem basicamente na lixiviação entre escórias resultantes dos processos sídero-metalúrgicos (alto-forno, aciaria) e uma substância alcalina, como por exemplo, hidróxido de sódio (NaOH), carbonato de sódio ou trona.

[012] O documento PI 0000920-2, PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE SILICATO DE SÓDIO se refere a um processo de fabricação de silicato de sódio, em que uma fonte de sílica amorfa, que é um concentrado de espongilito (espículas de esponjas) e/ou seus finos de sílica amorfa reativa, que também são provenientes de esponjas de água doce, reage com soda cáustica, a partir de 35°C, em meio aquoso e à pressão atmosférica.

[013] O documento CN102320615A refere-se a um método para a preparação de sílica precipitada pela adoção de microssílica ativa como matéria-prima. O método compreende as seguintes etapas: adotar a micro-sílica ativa como matéria-prima, adicionando hidróxido de sódio para preparar uma pré-mistura; realizar um tratamento de pré-aquecimento a uma temperatura de 40-95° C e ajustar um teor de sólidos a 15-45% em peso numa caldeira de dissolução e ebulição alcalina quente; introduzindo vapor de água, aquecendo até à temperatura de 120-220° C, mantendo a pressão e a temperatura durante 1-6 horas, efectuando depois filtração e separação para obter uma solução de silicato de sódio; adição de água quente para a solução de silicato de sódio, até o teor em Si02 é 2,5-12,0% em peso e a temperatura é de 40-95°C, em seguida adição de um agente tensioactivo e a introdução de C02, parando a reação quando o valor de pH é reduzido para 8,5-10,0, depois, realizando filtração e separação para obter resíduos de filtro sólidos; preparar os resíduos no lïquido da suspensão tendo o teor de resíduos de 15-40% em peso, depois adicionando um liquido inorganico, um liquido organico ou uma solução mista compreendendo um liquido inorganico e um liquido orgico, envelhecendo durante 0,5-2,0 horas para preparar a sílica.

[014] As técnicas apresentadas envolvem número de operações unitárias superior ao proposto pelo presente invento, alé, de consumir mais energia.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[015] O objetivo da invenção foi desenvolver um processo de produção de silicato de sódio a partir de microssílica. Outro objetivo da invenção foi produzir silicao de sódio a partir de microssílica em substituição do silicato de sódio padrão.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[016] A figura 1 ilustra um fluxograma das etapas adotadas para produção com aporte de calor.

[017] A figura 2 ilustra um gráfico tempo x temperatura para produção do silicato de sódio.

[018] A figura 3 ilustra outro fluxograma das etapas do processo sem aporte de calor durante a reação.

[019] A figura 4 ilustra outro gráfico de relação tempo x temperatura para o processo utilizando água aquecida a 90°C.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[020] O silicato de sódio padrão, conhecido no estado da técnica, utiliza como fonte de sílica diversas matérias primas, por exemplo: sílica gel, quartzo ou areia. Silicato de sódio, também conhecido como vidro líquido e água de vidro, encontrável em solução aquosa e na forma sólida, é um composto de fórmula Na2SiO3.

[021] Com o intuito de reutilizar subprodutos, foi desenvolvido um estudo para utilizar microssílica como matéria prima de sílica para a produção de silicato de sódio.

[022] A microssílica é um subproduto proveniente da produção de ligas de ferro, constituída por finas partículas amorfas e esféricas de dióxido de silício, com área superficial próxima a 20 m2g.

[023] A grande área supercial da microssilica (5,7 m2/g) favorece a reação com o hidróxido de sódio, o que acelera o processo de fabricação e reduz o gasto de energia.

[024] O desenvolvimento laboratorial foi fundamentado na seguinte equação 1:
NaOH + nSiO2 + H2O → nNaO:nSiO2 + 2 H2O

[025] Onde n pode variar de 1,6 a 3,8.

[026] A obtenção do silicato é proveniente da reação entre a sílica contida na microssílica e o hidróxido de sódio.

[027] O processo de fabricação do silicato foi realizado utilizando dois processos diferentes, sendo o primeiro com aquecimento do sistema e o segundo utilizando água aquecida para obtenção da solução de hidróxido de sódio e sem aporte adicional de calor. Nos dois processos foram utilizados 20% de NaOH, 30% de SiO2 e 50% de água.

[028] As etapas adotadas para produção com aporte de calor estão listadas a seguir:

• 1) Mistura de hidróxido de sódio puro e água;
• 2) Adição da microssilica à solução de hidróxido de sódio;
• 3) Ajuste da temperatura do sistema entre 100 e 300°C;
• 4) Aquecimento com a fonte de calor em contato direto com o recipiente contendo a solução em constante agitação;
• 5) O tempo de reação com fonte de de temperatura externa variou entre 10 e 30 minutos.

[029] A figura 1 descreve o fluxograma das etapas acima.

[030] A Relação tempo x temperatura para produção do silicato de sódio com aquecimento do sistema a 200°C com tempo de reação de 20 minutos, conformeo gráfico da figura 2.

[031] A produção do silicato de sódio também foi realizada sem fonte externa de calor durante reação. Nesse caso, a água foi aquecida a 90°C antes da adição do hidróxido de sódio. As etapas desse processo estão listadas a seguir:

• 1) Aquecimento da água a 90°C;
• 2) Adição do hidróxido de sódio à água aquecida;
• 3) Adição da microssilica à solução de hidróxido de sódio;
• 4) Tempo de reação variando de 10 a 30 minutos com constante agitação de 540 RPM.

[032] A figura 3 ilustra o fluxograma das etapas do processo sem aporte de calor durante a reação.

[033] O gráfico da figura 4 ilustra a relação tempo x temperatura para o processo utilizando água aquecida a 90°C.

[034] Após a análise dos resultados, foi constatado que é possível obter o silicato de sódio através da reação direta.

[035] Os resultados da produção de silicato de sódio a partir de reação direta entre a fonte de sílica e o hidróxido de sódio são apresentados na Tabela 1:

[036] Tabela 1:

[037] Após a análise do silicato obtido a partir da reação direta entre a microssílica e o hidróxido de sódio, foi realizada uma análise comparativa entre ө um silicato padrão de mercado, silicato fabricado a partir de sílica gel e o silicato a partir de microssílica. Os resultados são descritos na tabela 2.

[038] Tabela 2:

[039] Com base nos resultados é possível verificar que o silicato obtido apresentou viscosidade superior aos utilizados para comparação e, além disso, o processo de fabricação é mais simples e rápido.

[040] Para validação do silicato produzido esse foi utilizado na composição de um briquete em comparação ao produto padrão já consolidado e ao silicato fabricado com sílica gel. Para tal seguiu-se as seguintes etapas:

• 1. Dosagem das matérias-primas constituintes do produto testado
• 2. Mistura das matérias-primas até completa homogeneização
• 3. Adição do silicato em quantidade correspondente a 1,5% em massa
• 4. Mistura das matérias-primas com silicato até completa homogeneização.
• 5. Briquetagem da mistura. A briquetagem consiste na aglomeração de partículas finas por meio de pressão, com o auxílio ou não de aglomerante, permitindo a obtenção de um produto compactado, com forma, tamanho e parâmetros físico-químicos metalúrgicos adequados.
• 6. Manutenção dos briquetes obtidos em repouso durante três dias para cura e obtenção do produto final.

[041] O silicato é utilizado com objetivo de conferir maior resistência mecânica ao produto obtido, sendo esse parâmetro verificado pela medição da resistência a queda. O ensaio consiste na queda de 20kg de amostra previamente classificadas em 9,5 mm de uma altura de 2 metros. Após queda a amostra é recolhida e sofre nova queda, e assim sucessivamente totalizando 4 repetições. Na sequência é mensurada a fração maior que 9,5 mm; sendo o peso obtido dividido pelo peso inicial de amostra.

[042] Os resultados dos ensaios de resistência à queda dos briquetes utilizando diversos tipos de silicato de sódio são relacionados na tabela 3.

[043] Tabela 3.

[044] Com base nos resultados obtidos, pode-se verificar que o silicato produzido levou o produto a resistência mecânica similar ao silicato padrão de mercado.

Claims (5)

1. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE SILICATO DE SÓDIO A PARTIR DE MICROSSÍLICA caracterizado por ser fundamentado pela equação: NaOH + nSiO2 + H2O → nNaO:nSiO2 + 2 H2O Em que n pode variar de 1,6 a 3,8, ea obtenção do silicato é proveniente da reação entre a sílica contida na microssílica e o hidróxido de sódio; Sendo que o processo de produção com aporte de calor segue as etapas:

   • 1) Mistura de hidróxido de sódio puro e água;
   • 2) Adição da microssilica à solução de hidróxido de sódio;
   • 3) Ajuste da temperatura do sistema entre 100 e 300°C;
   • 4) Aquecimento com a fonte de calor em contato direto com o recipiente contendo a solução em constante agitação;
   • 5) O tempo de reação com fonte de de temperatura externa variou entre 10 e 30 minutos.
2. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE SILICATO DE SÓDIO A PARTIR DE MICROSSÍLICA de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo aquecimento do sistema a 200°C com tempo de reação de 20 minutos.
3. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE SILICATO DE SÓDIO A PARTIR DE MICROSSÍLICA caracterizado por ser fundamentado pela equação: NaOH + nSiO2 + H2O → nNaO:nSiO2 + 2 H2O Em que n pode variar de 1,6 a 3,8, ea obtenção do silicato é proveniente da reação entre a silica contida na microssílica e o hidróxido de sódio; Sendo que o processo de produção do silicato de sódio sem fonte externa de calor durante a reação, usando a água aquecida a 90°C antes da adição do hidróxido de sódio compreende as etapas:

   • 1) Aquecimento da água a 90°C;
   • 2) Adição do hidróxido de sódio à água aquecida;
   • 3) Adição da microssilica à solução de hidróxido de sódio;
   • 4) Tempo de reação variando de 10 a 30 minutos com constante agitação de 540 RPM.
4. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE SILICATO DE SÓDIO A PARTIR DE MICROSSILICA de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriorires, caracterizado por conter 20% de NaOH, 30% de Si02 e 50% de água.
5. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE SILICATO DE SÓDIO A PARTIR DE MICROSSILICA de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriorires, caracterizado pelo processo ser uma reação direta.

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