CZ305594B6

CZ305594B6 - Způsob výroby disperze částic hydroxidu vápenatého a zařízení k provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ305594B6
Application number: CZ2013-1056A
Authority: CZ
Inventors: Zuzana Slížková; Krzysztof Niedoba
Original assignee: Ústav Teoretické A Aplikované Mechaniky Av Čr, V. V. I. Akademie Věd České Republiky, V.V.I.
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-12-30
Also published as: CZ20131056A3

Abstract

Řešení se týká způsobu výroby disperze částic hydroxidu vápenatého o velikosti řádově jednotek nm až jednotek .mi.m v alkoholu, při kterém se do proudícího srážecího média mísitelného s vodou přivádí vodný roztok hydroxidu vápenatého (Ca(OH).sub.2.n.), smísením se z vodného roztoku hydroxidu vápenatého vysrážejí pevné částice hydroxidu vápenatého, které se následně od směsi srážecího média s vodou separují a poté se rozptýlí v disperzním médiu v koncentraci alespoň 5 g.1.sup.-1.n., přičemž se jako srážecí médium použije alkohol mísitelný s vodou a jako disperzní médium ethanol, isopropylalkohol nebo jejich směs. Zařízení k provádění popsaného způsobu sestává z nádoby (14) pro mísení proudícího srážecího média s vodným roztokem hydroxidu vápenatého s přívody (15, 16) obou kapalin, která je vybavená míchacím ústrojím, přičemž k jejímu výstupu je připojené dělicí zařízení (21) pro separaci vysrážených částic hydroxidu vápenatého, které má odtok směsi vody a srážecího média a výstup (19) částic hydroxidu vápenatého ústící do rozptylovacího kontejneru (12) hydroxidu vápenatého v disperzním médiu.

Description

Oblast techniky

Předložený vynález se týká způsobu výroby disperze částic hydroxidu vápenatého řádově o velikosti jednotek nm až jednotek pm a zařízení k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Disperze hydroxidu vápenatého se používají pro konzervaci nebo tzv. konsolidaci stavebních materiálů, zejména těch, jejichž složkou je uhličitan vápenatý, například vápence, vápenné malty. Tyto stavební materiály, pokud vyžadovaly strukturní zpevnění, byly doposud konsolidovány především vápennou vodou, což je vodný roztok hydroxidu vápenatého, nebo estery kyseliny křemičité, takzvaným ethylsilikátem. Z hlediska požadavku kompatibilních materiálových vlastností konsolidantu a ošetřovaného stavebního materiálu jsou v poslední době pro vápenné stavební materiály upřednostňovány konsolidanty na bázi hydroxidu vápenatého. Vápenná voda, resp. nasycený vodný roztok hydroxidu vápenatého, i disperze hydroxidu vápenatého obsahují stejnou účinnou látku, tedy hydroxid vápenatý. Zatímco ve vápenné vodě je množství hydroxidu vápenatého velmi malé, asi 1,7 g.l¹ při 20 °C, disperze hydroxidu vápenatého nabízejí více koncentrované varianty, např. 5 a více g.l“¹, a jedná se o koloidní roztok částic o velikosti desítek až stovek nanometrů v alkoholu, nejčastěji ethanolu nebo isopropylalkoholu. Výhodou vyšší koncentrace hydroxidu vápenatého v disperzích je především možnost zkrácení doby trvání zpevňovacího procesu. Částice hydroxidu vápenatého musejí být natolik malé, aby byly schopné pronikat do pórů nebo prasklin ošetřovaného stavebního materiálu a zpevnit jej nejen na povrchu, ale podle potřeby ve vrstvě několika mm až cm. Z hlediska velikosti pórů nejčastěji konsolidovaných stavebních materiálů je žádoucí, aby velikost částic hydroxidu vápenatého v disperzi byla co nejmenší. Po ošetření materiálu disperzní hydroxidu vápenatého dochází k odpaření alkoholu a k postupné přeměně hydroxidu vápenatého proniklého do pórů na uhličitan vápenatý, který zpevňuje degradovaný stavební materiál.

V případě potřeby opakované aplikace konsolidačního prostředku na degradovaný stavební materiál, je možné aplikovat další potřebnou dávku disperze, a to díky rychlému odpařování alkoholu v relativně krátkém časovém odstupu (ve srovnání s vodnými prostředky, kde je odpařování vody a vysychání ošetřeného materiálu obvykle pomalejší).

Dosavadní postupy výroby disperzí hydroxidu vápenatého jsou založeny na srážení roztoku chloridu vápenatého roztokem hydroxidu sodného za zvýšené teploty v reakčním prostředí, kterým je etylenglykol. Samotné srážení je značně komplikovaný proces a vyžaduje náročnou optimalizaci, protože je nutné nastavit jednotlivé procesní parametry tak, aby nedošlo k výraznému poklesu teploty reakční směsi v důsledku endotermní nukleace. Výsledkem tak jsou disperze s výskytem podílu relativně velkých částic hydroxidu vápenatého a proces je navíc spojený se vznikem vedlejších produktů.

Další známý způsob výroby je založený na syntéze hydroxidu vápenatého z vápníku, alkoholu a vody. Tímto způsobem se vyrábí první komerčně dostupný produkt CaLoSiL, který obsahuje částice hydroxidu vápenatého dispergované v různých alkoholech, jako je ethanol nebo isopropylalkohol. Částice mají velikost mezi 50 a 150 nm, v závislosti na způsobu výroby. Produkty vyráběné tímto způsobem jsou při koncentraci 25 g Ca(OH)₂ na litr disperze relativně drahé. Existuje proto potřeba navrhnout jiný, jednoduchý způsob výroby disperze částic hydroxidu vápenatého o velikosti jednotek až stovek nm, který by uvedené nevýhody dosavadních způsobů výroby eliminoval. Současně si pak vynález klade za cíl navrhnout konstrukčně jednoduché a nenáročné zařízení k realizaci takového procesu výroby.

- 1 CZ 305594 B6

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody stavu techniky zcela odstraňuje a vytčený cíl řeší způsob výroby disperze částic hydroxidu vápenatého o velikosti řádově jednotek nm až jednotek pm v alkoholu, zejména ethanolu, isopropylalkoholu nebo jejich směsi v libovolném poměru, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že do proudícího srážecího média mísitelného s vodou se přivádí vodný roztok hydroxidu vápenatého (Ca(OH)₂), smísením srážecího média s vodou se z vodného roztoku hydroxidu vápenatého vysrážejí pevné vápenné částice hydroxidu vápenatého (Ca(OH)₂), které se následně od směsi srážecího média s vodou separují a poté se rozptýlí v disperzním médiu v koncentraci alespoň 5 g.l¹.

Podle vynálezu je výhodné, použije-li se jako srážecí médium alkohol mísitelný s vodou nebo směs alkoholů mísitelných s vodou.

Pro efektivní realizaci způsobu podle vynálezu je účelné používat vodný roztok hydroxidu vápenatého o koncentraci od 10 mg.T¹ do nasyceného roztoku.

Jako výhodné se ukázalo, aby byl směšovací poměr objemů srážecího média k vápenné vodě alespoň 0,08.

Zařízení na výrobu disperze částic hydroxidu vápenatého, resp. provádění způsobu podle vynálezu je tvořené nádobou, do které ústí přívody srážecího média a vodného roztoku hydroxidu vápenatého a která je vybavená míchacím ústrojím pro uvádění srážecího média do pohybu a míšení obou kapalin, na jejímž výstupu je podle vynálezu uspořádané dělící zařízení pro separaci částic hydroxidu vápenatého, které má odtok směsi vody a srážecího média a výstup částic hydroxidu vápenatého pro jejich přivádění do rozptylovacího kontejneru pro jejich rozptýlení v disperzním médiu.

Míchací ústrojí může být s výhodou tvořené rotujícím diskem poháněným hnací jednotkou uspořádanou vně nádoby, jejíž výstupní hnací hřídel disku prochází stěnou, dnem nebo víkem nádoby.

Podle jedné další výhodné formy provedení může být míchací ústrojí tvořené magneticky ovládaným míchacím tělesem poháněným zevně nádoby magnetem.

Další možná výhodná forma provedení zařízení k realizaci způsobu podle vynálezu spočívá vtom, že míchací ústrojí je tvořené soustavou čeřících výčnělků upevněných na vnitřní stěně pláště nádoby a vystupujících kjejímu středu.

Způsob navržený podle vynálezu je ekologický, nevznikají při něm žádné vedlejší produkty, které by byly obtížně likvidovatelné nebo by zatěžovaly životní prostředí a navíc je snadno automatizovatelný a levný. Postačuje pouhá separace vysrážených částic a vzniklou směs srážecího média resp. alkoholu a vody lze snadno recyklovat pomocí destilace. Obě složky, zejména alkohol, lze z ekonomických i ekologických důvodů poté použít znovu.

Objasnění výkresů

Dále bude vynález blíže vysvětlen na příkladech dvou konkrétních provedení zařízení pro realizaci procesu podle vynálezu za pomoci připojených výkresů, na kterých představuje obr. 1 - blokové schéma procesu výroby konzervační disperze, obr. 2 - schematicky princip jednoho provedení zařízení k provádění způsobu podle vynálezu s rotujícím diskem a obr. 3 - schematicky princip alternativního provedení zařízení k provádění způsobu podle vynálezu s průtočnou nádobou.

-2CZ 305594 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Na obrázku 1 je velmi názorně naznačen celý průběh procesu výroby disperze částic hydroxidu vápenatého (Ca(OH)₂) v alkoholu. Ze zásobníku i hydroxidu vápenatého a zásobníku 3 vody se obě látky přivádějí do směšovacího modulu 4, kde vzniká vodný roztok hydroxidu vápenatého. Ten se spolu se srážecím médiem uloženým v zásobníku 2 srážecího média přivádí do směšovací sekce 5, ve které dochází k promísení obou proudících složek a vysrážení pevných vápenných částic, takže vznikne disperze vápenných částic v disperzním prostředí, jímž je roztok vody a srážecího média, konkrétně alkoholu. Po fázi 6 srážení se provádí oddělení 7 vápenných částic od roztoku vody a alkoholu vhodnou separační metodou, např. filtrací nebo odstředěním. Vysrážené vápenné částice 10 se následně smísí resp. rozptýlí v disperzním médiu, konkrétně v alkoholu, zejména ethanolu nebo isopropylalkoholu přiváděném ze zásobníku 11 disperzního média a v rozptylovacím kontejneru 12 vzniká výsledná disperze. Na obrázku je také vyznačena výhodná část procesu, která ale není součástí nárokovaného řešení. Představuje totiž destilaci 8 vody a srážecího média zachycovaných ve sběrné nádrži 9 a jejich recyklaci do procesu, resp. vrácení do zásobníků 2 a 3.

Obrázek 2 ukazuje nádobu 14 s přívodem 15 srážecího média a s přívody 16 vápenné vody resp. vodného roztoku hydroxidu vápenatého, který je přiváděný těsně nad rotující disk 17, který je roztáčen koaxiálním hřídelem 1_8 vstupujícím do nádoby Γ4 jejím dnem a poháněným neznázorněnou hnací jednotkou. Ve dnu nádoby 14 je výstup 19 vysrážených pevných částic hydroxidu vápenatého a samozřejmě také výstupní otvor směsi vody a srážecího média, který není v částečném výřezu na obrázku 2 viditelný. Metoda podle vynálezu je obecně založená na tom, že vápenná voda po smíchání s dostatečným množstvím srážecího média, zejména alkoholu, ztrácí schopnost rozpouštět hydroxid vápenatý, a dochází tak kjeho vysrážení. Popsané zařízení pracuje tak, že se nádoba 14, která reprezentuje směšovací sekci 5 z obr. 1, naplní alkoholem a ten se uvede do proudění otáčením disku 17, který je v něm ponořený. Přívodem 16 roztoku hydroxidu vápenatého se přivádí hydroxid vápenatý těsně nad rotující disk 17 a je jím strháván a míšen s okolním srážecím médiem. Vysrážené částice hydroxidu vápenatého jsou následně po separaci odváděny a míšeny v rozptylovacím kontejneru 12 s disperzním médiem, nejlépe alkoholem. Směs vody a alkoholu použitého jako srážecí médium se rovněž odvádí do sběrné nádrže 9 a destilaci 8 se obě složky oddělují a mohou se případně vracet do procesu.

Na obrázku 3 je představené možné další provedení zařízení podle vynálezu. V tomto případě je nádoba 1_4 vytvořená jako průtočná. Přívod J_5 srážecího média i přívod 16 vodného roztoku hydroxidu vápenatého jsou opatřené čerpadly 25 resp. 26 uvedených kapalin. Míchací ústrojí je v tomto případě reprezentováno soustavou radiálních výčnělků 20 upevněných na vnitřní stěně pláště nádoby 14, jejíž výstup je osazený dělicím zařízením 21, například filtrem. Oddělené vysrážené částice hydroxidu vápenatého se pak v rozptylovacím kontejneru 12 mísí s disperzním médiem resp. alkoholem přiváděným ze zásobníku J_1 disperzního média a vzniká finální disperze. Směs vody a srážecího média se z dělicího zařízení 21 odvádí do nádrže 22 a z ní do destilačního zařízení 23 a obě kapaliny jsou tak připravené pro recyklaci. Proces, který se popsaným zařízením realizuje, je shodný s procesem popsaným v souvislosti se zařízením podle obr. 2. Rozdíl je jen ve způsobu míchání směsi.

Stejně tak je tomu i u zmíněného zařízení, jehož míchací element srážecího média je uváděn do pohybu magneticky. Proto není tomuto provedení věnována větší pozornost. Je také zřejmé, že pro průměrného odborníka bude nasnadě celá řada dalších možných forem provedení míchacích ústrojí, a proto je v příslušném hlavním nároku definováno jen obecně.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby disperze částic hydroxidu vápenatého o velikosti řádově jednotek nm až jednotek pm v alkoholu, zejména ethanolu, isopropylalkoholu nebo jejich směsi v libovolném poměru, vyznačující se tím, že do proudícího srážecího média mísitelného s vodou se přivádí vodný roztok hydroxidu vápenatého (Ca(OH)₂), smísením srážecího média s vodou se z vodného roztoku hydroxidu vápenatého vysrážejí pevné vápenné částice, které se následně od směsi srážecího média s vodou separují a poté se rozptýlí v disperzním médiu v koncentraci alespoň 5 g.l^-1.
2. Způsob výroby disperze částic hydroxidu vápenatého v alkoholu podle nároku 1, vyznačující se tím, že se jako srážecí médium použije alkohol mísitelný s vodou nebo směs alkoholů mísitelných s vodou.
3. Způsob výroby disperze částic hydroxidu vápenatého v alkoholu podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že se použije vodný roztok hydroxidu vápenatého o koncentraci od 10 mg.r¹ po nasycený roztok.
4. Způsob výroby disperze částic hydroxidu vápenatého v alkoholu podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že směšovací poměr objemů srážecího média kvápenné vodě alespoň 0,08.
5. Zařízení k provádění způsobu podle nároků 1 až 4, které zahrnuje nádobu (14) pro míšení proudícího srážecího média s vodným roztokem hydroxidu vápenatého, do které ústí přívody (15, 16) obou kapalin a která je vybavená míchacím ústrojím přiváděných kapalin, vyznačující se tím, že k jejímu výstupu je připojené dělicí zařízení (21) pro separaci částic hydroxidu vápenatého, které má odtok směsi vody a srážecího média a výstup (19) částic hydroxidu vápenatého ústící do rozptylovacího kontejneru (12) hydroxidu vápenatého v disperzním médiu.
6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že míchací ústrojí je tvořené rotujícím diskem (17) poháněným hnací jednotkou uspořádanou vně nádoby (14) přes hřídel (18) procházející dnem, víkem nebo stěnou nádoby (14) nebo magneticky ovládaným míchacím tělesem poháněným zevně nádoby (14) magnetem.
7. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že míchací ústrojí je tvořené soustavou čeřících výčnělků (20) upevněných na vnitřní stěně pláště nádoby (14) a vystupujících k jejímu středu.