DE1667654A1

DE1667654A1 - Silikasol mit geringer Teilchengroesse und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE1667654A1
Application number: DE19671667654
Authority: DE
Inventors: Morris Mindick
Original assignee: Nalco Chemical Co
Current assignee: ChampionX LLC
Priority date: 1966-10-18
Filing date: 1967-08-11
Publication date: 1972-05-25
Also published as: ES343760A1; GB1181296A; US3502593A

Description

BERLIN 33 t MÜNCHEN

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Hal co Chemical Company, Giilcago, Illinois, Y.St.A.

mit; geringer Teilchengröße und Verfahren zur Herstellung desselben

Silikasole mit kleinem Teilchendurchmesser sind bei bestimmten Anwendungen sehr erwinscht. Zum Beispiel werden Silikasole mit kleinem Teilohendurchmesser bei der Behandlung von Wolldecken verwendet, um Verschmutzen zu verhindern, und haben sich auch als höchst geeignet als Bindemittel für die Herstellung feuerfesten Gutes erwiesen. Sine besondere Klasse von Silikasolen mit kleinem Teilchendurchmesser ist von der bilika-Industrie genutzt worden und wird in der USA-Patentschrift 2 750 34-5 von Alexander beschriebeil. Diese Silikasole init kleiner Teilchengröße sind dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen keine Salze enthalten una bis zu etwa 20 - 25 % reichende Konzent r ö ti one η ha b en.

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Jedoch besitzen die Sole mit kleinen Teilchen νοώ Typ Alexander bestimmte Nachteile, wodurch die . Verwendung dieses Materials in verschiedenen industriellen Verfahren beschränkt ist·-. Insbesondere .sind die . Sole des Standes der Technik in. ihrer Herstellung kostspielig, da die letzte Yerfahreasstuf e dieser Sole erfordert, daß sie im wesentlichen desionisiert sind, normalerweise mittels Ionenaustauschtechnik, .und danach im Salzgehalt durch weitere Zugabe von solchen Materialien wie Natriumhydroxyd eingestellt werden. Zusätzlich ist die höchste zulässige Konzentration dieser Sole des Standes der Technik verhältnismäßig niedrig, was das Mitführen von unwirtschaftlich großen Wassermengen zum Letztverbraucher notwendig macht. Zum Beispiel wird in der oben genannten Patentschrift eine obere Konzentrat!onsgrenze von 12,ooo / A beschrieben, wobei A von 350 bis 600 reicht· A entspricht in dieser Formel dan spezifischen Oberflächenbereich der Solteilchen. Demzufolge hat ein Sol mit einem Teilchendurchmesser von 5 ma eine höchste Eonzentrati ons grenze von annähernd 20 Gew.-%, da der Wert von A für diese Sole annähernd 600 ist.

Bin großer Fortschritt in der Silikasol-Technik ware erreicht, wenn Silikasole mit kleiner Teilchengröße bei höheren Konzentrationen zur Verfugung stehen würden. Auch würden Silikasole, welche bei höheren

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Salzkonzentrationen stabil sind, gleicher maßen wertvoll sein, da dar kostspielige und zeitraubende Arbeitsschritt der ßalzentfernung vermieden werden könnte.

Ss ist deshalb ein Gegenstand dieser Srfiüdung, ein Silikasol zu vermitteln, welches eine hohe Konzentration und einen Seichend urchme sser im Bereich von annähernd 5 bis 10 ψχ besitzt.

Die vorliegende .Erfindung vermittelt deshalb ein wäßriges Silikasol, welches einzelne dichte amorphe Teilchen von Siliziumdioxyd (Silika) enthält, die einen l'eilchendurchnesser im. Bereich von 5 his 10 mjn haben, worin das Siliziumdioxyd in einer Menge von 5 ♦ 3 B Gew.-% bis 10+3

Gew.% zugegen ist, B ist der Teilßhendurchmesser, und das Sol einen Salzgehalt von 0,05 bis 0,15 Gew.-^ besitzt.

Bin Heiterer Gegenstand dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Silikasoien mit gericger Teilchengröße, welche eine hohe Konzentration und einen meßbaren Salzgehalt aufweisen.

Die vorliegende Erfindung vermittelt weiter ein Verfahren zur Herstellung eines wäßrigen Silika so Is, welches darin besteht, daß' eine Menge an Alkalisilikät zu einer bestimmten iuenge sauren Sols mit einer Konzentration vori-4 bis 8 Gew.-% Siliziumdioxyd, als SiOo» in solchen Anteilen zugegeben wird, daß das fertige Silikasol ein

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Verhältnis von Siliziumdioxyd zu Alkaline tall, berechnet HlB-SiO₂ / MgO, Ton gleich (10 ♦ 6) D hat, wobei B im Bereich von 5 bis 10 liegt und den Teilche ndur dime es er dar et el It ι daß dadurch «ine liiachung daraus gebildet wird und aus dieser Mischung im Vakuum von etwa 25 bis 62 mm Hg Wasser verdampft wird, während gleichzeitig ausreichend» zusätzliches saures Sol zugefügt wird, damit ¹ ein konstantes Volumen dioaer Mischung für eine hinreichende &eit aufrecht gehalten wird, um eine Konzentration an Silika von 5 ♦ 3 D big 15 + 3 B Gew.-% »u bilden, wobei B wiederum bei 5 bis 10 liegt.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sollten die Anteils an Alkalisilikat und des sauren Sole ao abgestimmt sein, daß sichergestellt ist, daß das Endverhältnis innerhalb des oben erwähnten Bereiches liegt. Sobald die Mischung gebildet ist, wird das Wasser aus der Mischung unter einem Vakuum von 25 bis 62 mm Hg verdampft, während gleichzeitig auareicband saures Sol hinzugegeben wird, um ein konstantes Volumen aufrecht zu erhalten. Dieser Vorgang wird durchgeführt, bis eine ßilikakonzentration erreicht ist, die im Bereich von 5 + 3 D bis 15 + 3 B Gew.-% liegt, wobei L bei 5 bis 10 liegt.

Wie oben bemerkt w urde, haben die erfind ungsgeioäßen Silikasole einen Teilchend urchma sser im Bereich von

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5 bis 10 ma. und einen Salzgehalt von 0,05 bis 0,15 %· Die Konzentration variiert innerhalb des gemäß der obigen Formel festgelegten Bereiches, was vom Teilchen durchmesser abhängt. Zum Beispiel liegt die Konzentration im Bereich von 20 bis 30 Gew. ->·>, wenn der Teilchendurchmesser 5 m^u beträgt. Ähnlich liegt die Konzentration des Silikasols in der wäßrigen Lösung im Bereich von 35 bis 45 Gew. -%, berechnet als SiOp, wenn der Teilchandurchmesser 10 mja. beträgt. JSs ist ersichtlich, daß hiermit Silikasole mit geringer Teilchengröße zur Verfügung stehen, walche beträchtlich höhere Konzentrationen des Silikasols aufweisen als sie bisher in der Technik möglich waren* Speziell die oben angeführte Patentschrift von Alexander besagt, daß die Konzentration der Silikasole mit einem Teilohend urchmasser von 5 mn im Bereich 15 bis höchstens 20 % liegt. Dagegen habe α die Silikasole dieser Erfindung mit 5 w/i eine Konzentration im Bereich von 20 bis 3° %· Biese höhere Konzentraten an Silika führt zu wesentlichen Erleichterungen für den Endverbraucher, da das zu versendende Wasser herabgesetzt wird, xiatürlich können die erfindungsgemäßen Sole zu jeder niedrigeren Konzentration für den Endverbrauch verdünnt werden. Zusätzlich beeinträchtigt die ^enge an vorhandenem balz in den vorliegenden Solen nicht die Stabilität, im Gegensatz zu den oolen von Alexander, welche in Gegenwart /meßbarer oalzmeogen instabil sind.

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Bas erfindungsgemäße Verfahren ist vorzüglich zuj? Anwendung beider Herstellung der erfindungsgemäßen Silikasole geeignet. Be* erste Schritt dieses Verfahrens besteht in der Zugabe einer Menge an Alkalisilikat zu einer bestimmten ^ivienge sauren Sols, welches eine Konzentration von 4 bis 8 Gew. -% Silika aufweist. Bie Anteile dieser Materialien sollten ausreichen, ein Verhältnis von Silika zu Alkalimetall von (10 + 6) B zu geben, wobei B bei 5 bis 10 im fertigen Endprodukt; liegt. Bann wird das Wasser aus der Mischung unter einem Vakuum von etwa 25 bis 62 mm Hg verdampft, während gleichzeitig hinreichend saures Silikasol zugefügt wird, um ein konstantes Volumen dieser Mischung aufrecht zu erhalten. Sie Mischung wird gemäß dieser Arbeitsweise verdampft, bis die Konzentration den oben angeführten Bereich von 5 ♦ 3 B bis 15 + B erreicht, wobei B 5 his 10 ist.

Bas in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Älkalisilikat ist das herkömmliche Material, welches in der gesamten Silikasoltechnik angewendet wird. Eine besonders bevorzugte Quelle für Alkalisilikat ist NatriuBisilikat oder Wasserglas. Dieses Material steht im Handel in Konzentrationen von 25 bis 30 Gew.-70 zur Verfugung. Biese handelsüblichen Lösungen von ITatriumsilikat oder anderer Alkalisilikate können "wie sis siud" angewendet

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oder verdünnt »erden, «at von der jeweiligen Natur der anzuwendenden Ausrüstung abhängt.

Die «zweite Komponente beim Start- oder Anfangisch?itt dieses Verfahrens ist eins bestimmte Menge wx saurem Sol. Der Begriff "saures Sol" ist in der Technik bekannt und wird verwendet, am Kieselsäuresole zu bezeichnen, welche diemlich verdünnt und von ausnahmsweise geringer Teilchengröße sind. Die Sole können hergestellt werden durch Neutralisieren von Natriumsilikat mit Chlorwasserstoff sä ure unter Bedingungen, welche die Menge der darin vorhandenen Kationen und Anionen herabsetzen. Ein bevorzugteres Verfahren zur herstellung saurer Sole besteht in der Anwendung der in der USA-Patentschrift 2 244 325 von Bird gegebenen Lehren. Diese Arbeitsweise enthält einen Schritt, wo verdünnte Natriumsilikat lösung en durch ein Kationaustauschharz in der Wasserstoff form geschickt werden, um das Kieselsäuresol zu erhalten. Jedoch ist eine Modifizierung der nach dem Verfahren von Bird als solche hergestellten Silikasole notwendig, bevor diese Sole zur Anwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet sind. Speziell die Konzentration der nach dem Verfahren von Bin Jiergestellten sauren Sole ist auf ein iwaximum von annähernd 4 Gew.-% Silika beschränkt. Diese Sole sind zu verdünnt und ihre Anwendung führt nicht zu Silikasolen

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mit den oben "beschriebenen .Eigenschaf ten. ü's wurde gefunden, dab die üonzent ration an oiliks in dem sauren Ausgaugssol bei annähernd 4 bis etwa 8 Gew.-/O oilika, als oiOp» liegen muß, um die üole dieser JJrfind uug au erzielen, demzufolge können die nach dem Verfahren von Bird hergestellten Dole dieses Konzeat rs ti ons b°r eiche ε von 4 bis 8 '/o zwecks Anwendung in dem erf ind ur%s-anäßen Verfahren konzentriert werden. Sine andere praktischere Methode zur herstellung des sauren Δ us gangs so Is besteht in der Anwendung des in der USA-Patentanmeldung, oeriennummer 541 858 vom 11. April 1966, gelehrten Verfahrens. Dieses Verfahren besteht, kurz wiedergegeben, in einem öchritt, bei welchem die Lösung des Alkalisilikats, welches mindestens 5 % Festteilchen enthält, durch ein kstionoustauschsrharz in d er Wasserstoff orm geschickt wird, bis der erste Tropfen an abfließender Flüssigkeit mit Leitfähigkeit festgestellt wird. Each diesem Verfahren können saure Sole mit richtiger Konzentration direkt hergestellt werden.

iSs wurde gefunden, daß das sla .ausgangsreaktsnt verwendete saure Sol in dem erfindungsgemäßen Verfahren in jedem Falle eine öilikakonzentration, als öiüp, im bereich von etwa 4 bis 8 % haben sollte. Das söure fc>ol und das Alkalisilikat werden dann vermischt, so daß des Verhältnis im hergestellten Endprodukt von Vorhand euer »Silika zu Alkalimetall, berechnet als SiOp / M₂O, wobei i« das

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Alkalimetall ist, gleich (10 + 6) B ist, wobei ß zwischen 5 und 10 lisgt, Dann vird die Mischung,, wie oben ange-. geben, konzentriert, um die erfindungsgemäße Sole zu erhalten.

Die folgenden Beispiele werden wiedergegeben, um verschiedene ausfuhr ungsfο men der ärfindung zu ve-ra U-: cn a u 1 i cn an ·

In diesem Versuch wurde ein Verdampfungskessel mit (100 Gallonen) 454 Latern saurem Sol ( 5 % SiO₂) Deschickt. Unter angemessenem. Vermischen wurden 32,7 Liter (7,2 Gallonen) iiatriumsilikat (28,5 % SiO₂) zu dem Verdampfer gegeben. BIe Anteile dieser materialien sind derart, daß das ifcäprodukt ein Verhältnis von Silika zu Alkali von etwa 50 : 1 hat. Bann wurde ein Vakuum aagelegt um d is löschung zum üieden erhitzt. In diesem i?all wurden 38>1 ⁰^¹ Hg angewendet. Die Verdampfung wurde mit einer Geschwindigkeit von annähernd 454 bis 500 Litern/otunde fortgesetzt, während gleichzeitig zusätzliches saures Hol zugefügt wurde, bis die konzentration an ciiQ₂ 30 fo erreicht hatte. Baa fertige tüodukt hatte einen Teilchendurchmesser von etwa 8 nm bei einer Konzentration von 30 Gew.-% Silika. Der Salzgehalt war annähernd 0,075 Gew.-%.

Beispiel II

Versuch ähnlich wie in Beispiel I wurde durchgeführt. In diesem Fall wurde eine Verdampfungs-

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apparatur mit 454- L it era eines at urea Sols mit eiuer Konzentration von 6,5 Yo SiO₂ ""beschickt. 30- Liter iilKalisiliiaat von einer Konzentration 28,5 % SiOp wurden unter Mischen zugegeben. Das fertige Produkt hatte ein Verhältnis von Silika zu Alkalimetall von 35 · 1» wenn diese Anteile eingesetzt wurden. In diesem •'■unkt wurde ein 60-min Hg Vakuum, angewendet und die mischung zum Sieden erhitzt. Annähernd 136 bis 182 Liter Wasser je Stunde wurden verdampft, wobei zusatzlicnes saures Sol zugegeben wurde, um ein konstantes Volumen aufrecht zu erhalten. .Das Verfahren wurde unterbrochen, als die Konzentration an dilika 25 % SiOp erreicht hatte« ßer 'Teilchendurchmesser des erhaltenen Sols war 5 m/¹ uod der Salzgehalt 0,0625 Gew.—%.

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BAD ORIGINAL

Claims

Pat enta nsprü ch e

1. Wäßriges Silikasol, welches einzelne dichte amorphe Teilchen an Silika enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen eiuen Teile hendurchmesser im Bereich von 5 bis IO m/i haben, die Silika in einer Menge von 5 + 3 B Gew.-% bis 15 + 3BGew.-% vorliegt, wobei B der TeilchendurchnBsser ist, und das Sol einen Salzgehalt im Bereich von 0,05 bis ^, 15 Grew--% hat.

2. Verfahren zur Herstellung eines wäßrigen rfililcasols nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine kenge Alkalisiliiaat zu einer bestimmten kenge an saurem Sol zugegeben wird, ν·β3 ches eine Konzentration von 4 bia 8 Gew. -fo Silika als SiO₂ aufweist, in solchen Anteilen zugegeben wird, daß das fertige Silikasol ein Verhältnis von Silika zu Alkalimetall, berechnet als SiO₂ / M₂O₁ von gleich (10 + 6) D hat, wobei D zwischen 5 und 10 liegt, und dadurch eine mischung derselben gebildet wird und daß Wasser aus der Mischung unter einem Vakuum von etwa 25 bis 62 mm Hg verdampft wird, während gleichzeitig ausreichend zusätzliches söures Sol zugefügt -wird, um ein konstantes Volumen der mischung für

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eiue iiinreicüeiiäe Zeit sufreciit zu erhalten , um «iue konz'3ntrsüiou au uilik-: im ^--ireicii von 5 ⁺ 3 ß bis 15 + 3 i; ϋ^-νν.-,ϊ» zu schaffen, wjbei C !wiederum zvri.£cüsn 5· und 10 liait.

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