CS196619B1 - Způsob přípravy stabilního sólu kysličníku křemičitého - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu přípravy sólu kysličníku křemičitého s velikostí částic pod 10 nm.

Pro výrobu koloidních roztoků kysličníku křemičitého (solů SiO₂) s částicemi, jejichž střední průměr nepřevyšuje hodnotu 10 nm, byly navrženy· postupy, které jsou většinou modifikacemi postupů pro výrobu solů SiO₂ s částicemi většími než 10 nm.

Zpravidla se vychází ze zředěného, kyselého sólu SiO₂, připraveného z křemičitanu alkalického kovu pomocí silně kyselého katexu. Kyselý zředěný sol se například dále alkalizuje na pH 7 až 10,5, pak se rozdělí na dvě části, které se ohřívají na stejnou teplotu 50 až 150’Ο, přičemž odpařená voda z jedné části se nahrazuje sólem z druhé tak, aby objem prvé části byl konstantní. Je výhodné odpařovat za sníženého tlaku a teploty 85 °C. Podle jiného způsobu se zředěný kyselý sol s koncentrací SiO₂ 4 až 8 hm. % alkalizuje a pak se za vakua z této směsi odpařuje voda za současného přidávání kyselého zředěného sólu tak, aby objem reakční směsi byl konstantní. Rovněž je znám způsob, podle kterého se zředěný kyselý sol přidává ke zředěnému roztoku alkalického křemičitanu během 4 až 8 hodin, přičemž ne více než 25 hmot. % sólu se přidá během kterékoli hodinové periody, ale nejméně 25 % se přidá když je teplota v rozsahu 25 až 50 °C, nejméně 7 až 30 % při 50 až 90 °C a zbytek při 70 až 100 °C. Poslední fáze je koncentrování sólu odpařením vody až na koncentraci 19 až 36 hmot. % SiO₂.

Vzhledem k vysokým poměrům SiO₂/Na₂O (50 až 60) v reakční směsi je nutno u dosud známých postupů používat při odpařování vakuové odparky, aby měl produkt velikost částic pod 10 nm. Při použití atmosférického tlaku by velikost částic narůstala nad požadované rozmezí. Postupy, které nepotřebují vakuovou odparku, jsou nevýhodné v tom, že se při nich přidává velké'·množství kyselého sólu za nízkých teplot, což zhoršuje stabilitu produktu a je zapotřebí pečlivé regulace. Navíc je nutno používat objemově velikého zařízení pro odpařování přebytečné vody, což se provádí až v závěru procesu. Nyní bylo zjištěno, že stabilní vodní sol SiO₂ lze vyrobit podstatně jednodušším způsobem podle předkládaného vynálezu. Předmětem vynálezu je způsob přípravy stabilního sólu kysličníku křemičitého s velikostí částic 5 až 10 nm, vyznačující se tím, že se vodní sklo zředí na koncentraci 3 až 8 hmot. % SiO₂, zfíltruje, dealkalizuje katexem v H⁺ cyklu, zpětně alkalizuje na hmotový poměr SiO₂/Na₂O = 20 až 40, rozdělí na dvě části, jedna část o velikosti rovné užitečnému objemu odpařovacího zařízení se uvede do varu za atmosférického tlaku d druhou částí, s výhodou předehřátou na 60 až 90 °C se doplňuje odpařená voda na konstantní objem reakční směsi rychlostí 0,5 až 2 vyjádřeno jáko poměr hmoty SiO₂ ve zředěném sólu : hmotě SiO₂ v násadě za hodinu α po smíchání veškerého zpracovávaného alkalizovaného sólu se upraví poměr SiO₂/Na₂O na hodnotu vyšší jako 45 dealkalizací části zahuštěného a ochlazeného sólu nebo přídavkem kyselého zředěného sólu SiO₂i s výhodou předehřátého na teplotu 5 až 90 °C, do zahušťovaného sólu při kónstahťním objemu reakční směsi.

Podstata způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že se připraví nejdříve sol s menším hmotovým poměrem SiO₂/Na₂O, který se nakonec upraví na větší.

Výhodnost způsobu podle vynálezu spočívá zejména v jednoduchosti aparaturního zařízení — není zapotřebí vakuové odparky, nároky na regulaci jsou nízké, velikost zahušťovacího zařízení je přiměřená. Produkt se vyznačuje vysokou stabilitou. V provozním měřítku lze dosáhnout koncentrace hotového sólu až 30 % hmot. SiO₂,

Nejdříve se vyrobí zředěný kyselý sol SiO₂, například dealkalizací zředěného roztoku alkalického křemičitanu katexem v H⁺ formě tak, aby koncentrace SiO2 byla 3 až 8 hmot. % a hmotový poměr SiO2/Na2O větší než'400. Tento zředěný kyselý sol se za míchání alkalizuje zpětně přídavkem alkálie, nejlépe alkalického křemičitanu nebo hydroxidu alkalického kovu tak, aby hmotový poměr SiO2/Na2O upraveného roztoku zředěného sólu byl 20 : 1 až 40 : 1, nejlépe 25 : 1 až 35 : 1. Část upraveného zředěného sólu se použije jako násada do odpařovacího zařízení. Násada se uvede do varu a dávkuje se do ní zbytek upraveného zředěného sólu tak, aby objem reakční směsi v odpařovacím zařízení byl konstantní. Dávkovaný sol se s výhodou předehřívá, nejlépe v průtokovém ohřívači s dobou zádrže 0,1 až 1 hodina na teplotu 60 až 90 °C. Po nadávkování veškerého upraveného sólu se reakční směs v odpařovacím zařízení ochladí na pokojovou teplotu a poměr SiO2/Na2O takto vyrobeného sólu se upraví na vyšší, tj. 45 a více tak, že část sólu se dealkalizuje pomocí silně kyselého katexu v H⁺ formě a pak smíchá za intenzivního míchání s druhou částí. Poměr SiO2/Na₂O v reakční směsi lze podle předkládaného vynálezu zvýšit i tak, že po nadávkování veškerého upraveného sólu se k reakční směsi za varu přidává kyselý zředěný sol s kóncentrací SiO₂ = 3 až 6 hmot. %, s výhodou při malé rychlosti odpařování.

Pro výrobu sólu je vhodný roztok křemičitanu sodného (vodní sklo) s hmotovým poměrem SiO₂/ /Na₂O = 2:1 až 4 : 1, nejlépe 3 : 1 až 3,5 : 1, který se před dealkalizací ředí a filtruje na filtru s pomocnou filtrační přepážkou vytvořenou naplaveni například křemelinové hmoty, drceného azbestu, mikromletého vápence.

Dealkalizací čirého, zředěného roztoku vodního skla je možno provádět například v koloně na vrstvě silně kyselého katexu v H⁺ formě. Vyrobený kyselý roztok kyseliny křemičité obsahuje částice SiO₂, které jsou velmi aktivní. Před zahušťováním je vhodné tuto aktivitu snížit, například ohřevem zředěného sólu na teplotu větší než 60 °C, Při ohřevu na teplotu 60 až 90 °C dochází částečně k tvorbě zárodků, takže při zahušťování nedochází k neúměrnému narůstání částic SiO₂ v odpařovácím zařízení, ale vznikají částice nové. Narůstání částic je pak omezeno hlavně vysokým obsahem alkálie. Důležitým faktorem, který ovlivňuje velikost částic je i rychlost odpařování, .tj. rychlost, s jakou se přivádí do odpářovacího zařízení zředěný sol. Malá rychlost odpařování vede k větším 'částicím SiO₂ v zahuštěném sólu. Velká rychlost odpařování vede k tvorbě velkého množství zárodků, dochází jen k malému nárůstu částic a produkt je nestabilní. Doporučená počáteční rychlost dávkování zředěného sólu, vyjádřená jako poměr hmoty SiO₂ ve zředěném sólu ku hmotě SiO₂ v násadě za hodinu je 0,5 až 2, nejlépe 1 až 1,5.

Sóly vyrobené způsobem podle tohoto vynálezu jsou vhodné zvláště jako žáruvzdorné pojivo různých keramických materiálů, zejména pak jako pojivo pro formy na přesné odlévání kovů, dále jako pojivo žáruvzdorných nátěrů, ohnivzdorných vláken, v textilním průmyslu je možno použít těchto solů jako protišpinivé úpravy koberců, při výrobě pěnové gumy se mohou použít jako přísada pro zvýšení pevnosti, mohou sloužit jako surovina pro výrobu nosičů katalyzátorů.

Příklad 1

Roztok vodního skla s koncentrací 27,45 hmot. procenta SiO₂ a 8 hmot. % Na₂O byl zředěn vodou tak, aby obsahoval 3,5 hmot. % SiO₂ a pak byl zfiltrován na nuči opatřené bavlněnou plachetkou a pomocnou filtrační přepážkou vytvořenou náplavem filtračního perlitu. Čirý, zředěný roztok vodního skla byl dealkalizován průchodem přes vrstvu silně kyselého katexu OSTION - KS v H⁺ formě. Získal se zředěný kyselý sol SiO2 s 3,32 hmot. % SiO2 a 0,0039 hmot. % Na2O. Tento kyselý sol SiO2 v množství 15,53 kg byl za míchání alkalizován zpětně přídavkem 0,29 kg vodního skla o složení 27,45 hmot) % SiO2 a 8 hmot. % Na2O. Takto alkalizovaný sol obsahoval 3,74 hmot. % SiO2 a 0,145 hmot. % Na2O. Tomuto složení odpovídá hmotový poměr SiO2/ /Na2O = 25,8. Část alkalizovaného sólu v množství 2,91 kg byla použita jako násada do odpařovacího zařízení, kterým byl skleněný reaktor s nerezovým topným hadem a míchadlem. Násada byla uvedena za míchání k varu a na bodu varu byla za atmosférického tlaku udržována 3,17 hodiny. Odpařené množství vody bylo plynule doplňováno 12,9 kg«alkalizovaného zředěného sólu, který se předehřívat v průtokovém ohřívači na střední teplotu 66,5 °C, maximální teplotu 84 °C. Doba ohřevu byla 0,59 hodiny, rychlost dávkování 4,07 kg/hodinu, čemuž odpovídá počáteční rychlost dávkování 1,4 vyjádřena v kg SiO2 zředěného solu/kg SiO2 násady za hodinu. Produktem zahušťování byl sol SiO2 s 18,25 hmot. % SiO2 a 0,7 hmot. % Na2O, tj. s hmotovým poměrem SiO2/Na2O = 26,1, Střední průměr částic vypočtený ze specifického povrchu byl 5,7 nm, viskozita sólu 0,0032 Pa. Jedna část takto připraveného sólu, vypočtena na základě jednoduché hmotové bilance byla dealkalizována na silně kyselém katexu v H⁺ formě a smíchána s druhou částí za míchání. Produktem byl sol SiO2 obsahující 18,7 hmot. % SiO₂ a 0,41 hmot. % Na₂O, tj. s hmotovým poměrem SiO₂/Na₂O = 46, středním průměrem částic 6,7 nm a viskozitou 0,0033 Pa.

Příklad 2

Roztok vodního skla s koncentrací SiO₂ 24,6 hmot. % a 7,38 hmot. % Na₂O byl zředěn vodou, tak, aby obsahoval 3,7 hmot. % SiO₂ a pak byl filtrován na nuči opatřené bavlněnou plachetkou a pomocnou filtrační přepážkou tvořenou náplavem filtračního perlitu. Čirý zředěný roztok vodního skla byl dealkalizován průchodem přes vrstvu silně kyselého katexu OSTION - KS v H⁺ formě. Získal se zředěný kyselý sol SiO2 obsahující 3,59 hmot. % SiO2 a 0,0037 hmot. °/o Na2O. Tento kyselý sol v množství 12,83 kg byl za míchání alkalizován přídavkem 0,24 kg vodního skla s obsahem SiO2 24,6 hmot. °/o ^a 7,38 hmot. % Na2O. Hmotový poměr SiO₂/Na₂O byl 31,7. Část alkalizovaného sólu v množství 2,924 kg byla použita jako násada do odpařovacího zařízení tvořeného skleněným reaktorem s nerezovým topným hadem a míchadlem. Násada byla za míchání uvedena k varu a za atmosférického tlaku udržována 've varu 3,83 hodiny. Odpařovaná voda byla plynule doplňována přidáváním 10,15 kg alkalizovaného zředěného sólu, který se předehříval v průtokovém ohřívači na střední teplotu 86°C. Doba ohřevu byla 0,92 hodin, rychlost dávkování 2,65 kg/hodinu, čemuž odpovídala počáteční rychlost dávkování 0,91 vyjádřená kg SiO₂ zředěného sólu na kg SiO₂ v násadě za hodinu. Po nadávkování veškerého alkalizovaného zředěného sólu bylo dále dávkováno 9,69 kg kyselého zředěného sólu SiO₂, který obsahoval 3,62 hmot. % SiO₂. Rychlost dávkování byla 2,64 kg za hodinu. Tento sol byl předehříván na střední teplotu 77 °C v průtokovém ohřívači s dobou zádrže 0,45 hodiny. Produktem zahušťování byl sol SiO₂ obsahující 24,5 hmot. % SiO₂ a 0,445 hmot. procenta Na₂O, tj. s hmotovým poměrem SiO₂/ /Na₂O = 55. Střední průměr částic SiO₂ vypočtený ze specifického povrchu byl 7,4 nm, viskozita sólu byla 0,0041 Pa.

Příklad 3

Postupem uvedeným v příkladu 2 byl připraven zředěný alkalizóvaný sol SiO₂ s tím rozdílem, že vodní sklo bylo naředěno na 3,45 hmot. % SiO₂ a získaný kyselý sol byl alkalizován tak, že hmotový poměr SiO₂/Na₂O byl 31,5; obsah SiO₂ byl 3,97 hmot. %, Na₂O 0,126 hmot. %. Část alkalizovaného sólu v množství 3,54 kg byla použita jako násada do odpařovacího zařízení. Násada byla za míchání uvedena k varu a na bodu varu za atmosférického tlaku udržována 4,58 hodiny. Odpařené množství vody bylo plynule doplňováno 14,61 kg alkalizovaného zředěného sólu, který se předehříval v průtokovém ohřívači na střední teplotu 66 °C s dobou zádrže 0,75 hodiny. Po nadávkování alkalizovaného sólu bylo dále za varu reakční směsi po dobu 5,77 hodiny dávkováno 13,32 kg kyselého zředěného sólu, který obsahoval 3,23 hmot. % SiO₂ a 0,0039 hmot. % Na₂O a byl předehříván v průtokovém ohřívači s dobou zádrže 1,04 hodiny na střední teplotu 59°C. Produktem zahušťování byl sol SiO₂ s 3Ó,3 hmot. % SiO₂, 0,447 hmot. % Na₂O, tj. s hmotovým poměrem SiO₂/Na₂O = 61, Střední průměr částic $iO₂ vypočtený ze specifického povrchu byl 7,2 nm, viskozita sólu 0,050 Pa.

Claims (1)

1. Způsob přípravy stabilního sólu kysličníku křemičitého s velikostí částic 5 až 10 nm, vyznačující se tím, že se vodní sklo zředí na koncentraci 3 až 8 hmot. % SiO₂, zfiltruje, dealkalizuje katexem v H⁺ cyklu, zpětně alkalizuje na hmotový poměr SiO₂/Na₂O = 20 až 40, rozdělí na dvě části, jedna část o velikosti rovné užitečnému objemu odpařovacího zařízení se uvede k varu za atmosférického tlaku a druhou částí, s výhodou předehřátou na 60 až 90 °C se doplňuje odpařená voda

   VYNÁLEZU na konstantní objem reakční směsi rychlostí 0,5 až 2 vyjádřeno jako poměr hmoty SiO₂ ve zředěném sólu : hmotě SiO₂ v násadě za hodinu a po smíchání, veškerého zpracovávaného alkalizovaného sólu se upraví poměr SiO₂/Na₂O na hodnotu vyšší než 45 dealkalizací části zahuštěného a ochlazeného sólu nebo přídavkem kyselého zředěného solu.SiO₂, s výhodou předehřátého na teplotu 50 až 90 °C, do zahušťovaného sólu při konstantním objemu reakční směsi.