DE4216119A1 - Verfahren zur Herstellung und Konzentrierung von Kieselsolen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Konzentrierung von alkalischen Kieselsolen mit nicht aggregierten, sphärischen SiO₂-Partikeln eines Durch­ messers von 4 nm ausgehend von SiO₂-Konzentrationen von 4 bis 3 Gew.-% unter Verwendung von mikroporösen Membranfiltern.

Für viele industrielle Anwendungen, wie z. B. als Hoch­ temperaturbindemittel, werden stabile, SiO₂-haltige Pro­ dukte in Form von Solen, sogenannten Kieselsolen, benö­ tigt. Der aktive Inhaltsstoff des Produktes, das SiO₂, muß in einer möglichst hohen Konzentration in Form von diskreten, sphärischen, nicht aggregierten Partikeln vorliegen. Der Vorteil eines solchen Produktes ist offensichtlich: Transport- und Lagerkosten beispiels­ weise stehen in umgekehrtem Verhältnis zur SiO₂-Kon­ zentration des Produktes.

So beschreibt DE-OS 16 67 645 die Herstellung eines Kieselsols mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 15-150 nm und einem SiO₂-Gehalt von 45-55 Gew.-%. Hierzu wird aus einer wäßrigen, alkalischen Lösung bei erhöhtem Druck (472-9443 kPa) Wasser verdampft, wobei gleich­ zeitig zur Aufrechterhaltung eines konstanten Volumens ein saures, aktives Kieselsol, welches Partikel eines mittleren Durchmessers unterhalb von 5 nm enthält, zuge­ geben wird.

US 3 673 104 und US 3 947 376 beschreiben einstufige, diskontinuierliche Verfahren zur Herstellung von alka­ lischen Kieselsolen in bevorzugt wäßrigem Medium mit einem SiO₂-Gehalt von mindestens 35 Gew.-%. Die SiO₂- Partikel in den dort beschriebenen Verfahren weisen mittlere Partikeldurchmesser von 45 bis 100 nm auf, sind sphärisch und nicht aggregiert.

Zur Konzentrierung von nach herkömmlichen und dem Fach­ mann bekannten Methoden hergestellten Kieselsolen wird üblicherweise die Wasserverdampfung bei Siedetemperatur des Sols herangezogen (US 2 574 902, US 3 440 175). Die Wasserverdampfung erfordert jedoch insbesondere bei Sie­ detemperaturen bei atmosphärischem Druck einen erheb­ lichen Energieaufwand und ist demzufolge von wirtschaft­ lichem Nachteil.

Es sind deswegen Versuche zur Konzentrierung von Kiesel­ solen mit weniger energieaufwendigen Verfahren, wie z. B. unter Verwendung von mikroporösen Membranfiltern, die auch als Ultrafilter bezeichnet werden, unternommen worden.

DE-OS 21 34 974 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Kieselsol aus Natriumsilikat und einer Säure, wobei die Verfahrensschritte der Konzentrierung (= Entfernung von Lösungsmittel) und der Entfernung der im Sol enthal­ tenen Salze in einer Membranfiltrationsanlage durchge­ führt werden. Die Salzkonzentration muß bei der in DE-OS 21 34 974 beschriebenen Membranfiltration in engen Grenzen gehalten und demzufolge ständig überprüft wer­ den, da die Gefahr der Verfestigung des Sols besteht, sobald eine gewisse Salzkonzentration überschritten wird. Die Notwendigkeit der ständigen Wasserzufuhr und damit der erhöhten Wasserentfernung durch Ultrafiltra­ tion und des Einsatzes größerer Membranflächen, die ständige Kontrolle der Salzkonzentration und die Gefahr der Verfestigung des Sols beeinträchtigen das Verfahren erheblich.

Aufgabe war es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es gestattet, Kieselsole wirtschaftlich günstig mit geringem Energieeinsatz und technisch ein­ fach herzustellen und aufzukonzentrieren.

Gegenstand der Erfindung ist ein kontinuierliches Ver­ fahren zur Herstellung wäßriger, alkalischer Kieselsole mit einem Wassergehalt von 50 bis 95 Gew.-%, die nicht aggregierte kugelförmige SiO₂-Partikel enthalten, aus saurem Frischsol, welches 4 bis 8 Gew.-% SiO₂ in Form von Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von 2 bis 4 nm bei einem pH-Wert von 2 bis 4 enthält und welches zu einer Vorlage gegeben wird, die eine wäßrige, alkalische, kolloidale Kieselsollösung mit einem pH-Wert von 8 enthält, durch einen alkalischen Aufwachsprozeß bei Temperaturen 60°C und Aufkonzentrierung der so hergestellten wäßrigen, alkalischen Kieselsole, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• A) das saure Frischsol den Reaktoren einer mehrstu­ figen Reaktionskaskade kontinuierlich zugeführt wird und auf eine oder mehrere Stufen verteilt wird, wobei der pH-Wert in den Reaktoren nicht unter 8 fallen darf,
• B) dem ersten oder den ersten der Reaktoren alkalische Agenzien, vorzugsweise alkalische Natriumsilikatlö­ sung, alkalische Kaliumsilikatlösung, Natronlauge, Kalilauge, kontinuierlich in einer Menge zugeführt werden, so daß sich in den damit beschickten Reak­ toren ein pH-Wert von 3 bis 12,5 einstellt,
• C) die mittlere Verweilzeit in den mit saurem Frisch­ sol beschickten Stufen der Reaktionskaskade derart eingestellt wird, daß eine mittlere Partikelgröße von 4 nm, vorzugsweise von 5 nm, erhalten wird,
• D) die Konzentrierung mittels Ultrafiltration durch­ geführt wird.

Die Ultrafiltration wird bevorzugt bei einem Druck von 3 bis 30 bar, vorzugsweise bei 5 bis 15 bar, und einer Temperatur von 15 bis 35°C, vorzugsweise bei Raumtem­ peratur, ausgeführt.

Die Permeatflüsse liegen unter den oben erwähnten Be­ dingungen bei 20 bis 100 l/m²h.

Bei der Ultrafiltration wird bevorzugt eine alkalista­ bile Membran einer Trenngrenze von kleiner als 30 000, vorzugsweise von kleiner als 15 000 Dalton eingesetzt.

Der SiO₂-Rückhalt liegt bei mehr als 99%.

Vorzugsweise werden bezüglich des Porendurchmessers asymmetrische Membranen aus homogenen Materialien oder aus Compositmaterialien, sogenannte Mehrschichtmembra­ nen, eingesetzt.

Die Membranen bestehen vorzugsweise aus organischen Polymermaterialien oder aus anorganischen Materialien, vorzugsweise aus Keramik oder Graphit.

Die Teilchengröße der SiO₂-Partikel läßt sich mit dem Elektronenmikroskop bestimmen. Die mittlere Partikel­ größe D der Teilchen ist auch aus der nach G.W. Sears (Analytical Chemistry, 28 (1981) 1956) bestimmten spe­ zifischen Oberfläche O gemäß der nachfolgenden Formel (vergleiche R.K. Iler, "The Chemistry of Silica", Wiley, New York 1979) zu errechnen.

Dabei ist D der mittlere Durchmesser einer Oberflächen­ verteilung in nm, O die spezifische Oberfläche in m²/g und f die Dichte der SiO₂-Partikel. Zur Vereinfachung ist mit der idealen Dichte von amorphem SiO₂ zu rechnen, welche 2,2 g/ml beträgt.

Die Anwendung der Ultrafiltrationstechnologie zur Kon­ zentrierung von Kieselsolen bringt einige systemspezifi­ sche Probleme mit sich: Die zur Ultrafiltration gelan­ genden, verdünnten Kieselsole dürfen nur einen geringen Anteil an aggregierten Partikeln, sogenanntes Mikrogel, enthalten. Höhere Mikrogelgehalte bewirken einen rasche­ ren Anstieg der Viskosität beim Konzentrierungsvorgang, so daß unter Umständen die gewünschte Endkonzentration nicht erreicht wird, sondern sich das Sol vorher verfe­ stigt und damit unbrauchbar wird. Hohe Mikrogelgehalte stören den Wasserdurchgang durch die Membran und bedin­ gen die Notwendigkeit häufigerer Reinigungsoperationen.

Wird das zur Ultrafiltration eingesetzte Kieselsol nach dem beanspruchten Verfahren hergestellt, so ist gewähr­ leistet, daß keine störenden Mikrogelgehalte vorhanden sind. Eine Konzentrierung der Kieselsole auf mindestens 30 Gew.-% SiO₂ kann ohne Störungen bei Drücken von 3 bis 30 bar, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 15 bar mit der beanspruchten Filtration vorgenommen werden.

Zur Ultrafiltration wird ein Membranfilter verwendet, dessen Poren einen Durchmesser in der Größe besitzen, daß Wassermoleküle und wasserlösliche Salze noch die Poren passieren, die enthaltenen kolloidalen SiO₂-Teil­ chen jedoch gerade zurückgehalten werden. Wird eine Membran mit einem kleineren Porendurchmesser verwendet, werden zwar die kolloidalen Siliziumdioxidpartikel auch zurückgehalten, zur Filtration sind aber höhere und damit unvorteilhaftere Drücke erforderlich, um ähnliche Filtrationsgeschwindigkeiten zu erreichen. Geeignete Membranen sind solche mit Trenngrenzen kleiner als 30 000 Dalton, vorzugsweise kleiner als 15 000 Dalton. Die eingesetzten Membranen bestehen vorzugsweise aus organischem Polymermaterial oder anorganischen Materia­ lien, wie z. B. Keramik oder Graphit. Für die erfindungs­ gemäße Konzentrierung sind vorzugsweise asymmetrische Membranen aus einheitlichen Materialien oder Mehr­ schichtmembranen geeignet.

Die zur Konzentrierung der Kieselsole geeigneten Mem­ branen werden in handelsüblichen Modulen (Apparaten), vorzugsweise in Rohrmodulen, im erfindungsgemäßen Ver­ fahren eingesetzt. Im Laufe der Standzeit der Membran kommt es zur Ablagerung von Siliziumdioxid auf der Membranoberfläche. Diese Ablagerungen hemmen den Per­ meatfluß. Die Membranaktivität kann durch Einwirkung von warmer (ca. 50°C), verdünnter Alkalilösung, vorzugsweise Natronlauge regeneriert werden. Demzufolge ist es zur Erzielung möglichst langer und wirtschaftlich vorteil­ hafter Standzeiten günstig, wenn die verwendeten Mem­ branen und Apparate alkalistabil sind.

Das zur Konzentrierung der Ultrafiltration zu unter­ werfende Kieselsol ist im Kreislauf an der Oberfläche der Membran vorbeizuleiten. An der Membranoberfläche entsteht eine turbulente Strömung. Diese Strömungsver­ hältnisse wirken einer Konzentrationspolarisation entgegen. Die Aufrechterhaltung besagter, turbulenter Strömungsverhältnisse ist besonders vorteilhaft, da das enthaltene Siliziumdioxid bei höheren Konzentrationen zur Gelbildung neigt, welche sich störend auf die Membranfiltration auswirkt.

Der bei der Membranfiltration anzuwendende Druck ist nicht über einen Wert zu steigern, bei dem ein wirt­ schaftlich praktikabler Permeatfluß auftritt, da zu hohe Drücke die Bildung besagter höherer SiO₂-Konzentrationen in der Nähe der Membranoberfläche begünstigen.

Die Filtrationsgeschwindigkeit steigt bei Temperaturer­ höhung beträchtlich an, doch ist die Filtration des al­ kalischen Kieselsols bei Temperaturen oberhalb von 35°C weniger vorteilhaft, da hierdurch eine Dauerbelastung der Membran mit dem heißen alkalischen Kieselsol resul­ tieren würde, welche eine erhebliche Beanspruchung der Membran darstellt. Befriedigende Permeatflüße von 20 bis 100 l/m²h werden auch bereits bei Temperaturen von 20 bis 30°C erreicht.

Die Ultrafiltration kann auch in einer Reihe von hinter­ einander geschalteten Filtern erfolgen.

Die Erfindung wird anhand von einigen Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1 Herstellung

Die Apparatur, die hier Anwendung findet, besteht aus drei hintereinander angeordneten und miteinander ver­ bundenen Reaktoren aus Glas. Die Reaktoren 1 und 2 sind als Überlaufreaktoren konstruiert, Reaktor 3 besitzt einen Bodenablauf. Der Inhalt der Reaktoren ist bei Siedetemperatur bis zum Überlauf gemessen und beträgt für Reaktor 1: 783 ml und für Reaktor 2: 617 ml. Der dritte Reaktor besitzt ein nutzbares Volumen von 30 l.

Der Inhalt jedes Reaktionsgefäßes wird mit Propeller­ rührer durchmischt. Die Beheizung des Reaktorinhaltes erfolgt indirekt mit Dampf. Zu diesem Zwecke sind im Innern der Reaktoren dampfdurchströmte Metallschlangen aus VA-Stahl angebracht. Die Brüden werden für Reaktor 2 über einen Wasserkühler geführt, kondansiert und anschließend gemessen. Die Reaktoren 1 und 3 arbeiten unter Rückfluß. Der Dampfdruck des Heizdampfes, mit dem die aus den einzelnen Reaktoren abzudestillierende Was­ sermenge bzw. die Temperatur zu regulieren ist, wird mit einem geeigneten Nadelventil und einem entsprechenden Kondensatabscheider auf einem konstanten Wert gehalten.

Die Heizschlangen der Reaktoren sind in Parallelschal­ tung an eine Hauptdampfleitung angeschlossen. Jedes der vorab beschriebenen Reaktionsgefäße ist mit einem eigenen Kondensatabscheider versehen, um aus jedem der Reaktoren festgelegte unterschiedliche Wassermengen ver­ dampfen zu können, bzw. genau definierte Temperaturen halten zu können.

In den ersten Reaktor wird mit einer Zugabevorrichtung eine wie beispielsweise in US 2 244 325 hergestellte Lösung von saurem Frischsol gegeben. Mit einer Dosier­ vorrichtung ist ebenso die Zugabe der alkalischen Agenz­ lösung, wie z. B. Metallhydroxid- oder Metallsilikatlö­ sung, vorzugsweise einer Lösung von Natriumsilikat, in den ersten Reaktor möglich.

Um die Lagerstabilität, d. h. die Zeitdauer der Lagerfä­ higkeit der sauren Lösung des aktiven Silikates zu erhö­ hen, wird besagte Lösung von Kieselsäurefrischsol auf Temperaturen von 4-10°C gekühlt.

Der stationäre Zustand in den ersten beiden Reaktoren ist bei einer mittleren Verweilzeit von 12 min. im 1. Reaktor und 14 min. im 2. Reaktor durch die Zugabe von 3604 ml Kieselsäurefrischsol mit 6 Gew.-% SiO₂ pro Stun­ de in den ersten Reaktor und 176 ml verdünnter alkali­ scher Natronwasserglaslösung pro Stunde (mit 6 Gew.-% SiO₂) in Reaktor 1 aufrechtzuerhalten. Die Temperatur im ersten Reaktor beträgt 74°C, im 2. und 3. Reaktor herrscht Siedetemperatur. Aus dem 2. Reaktor werden pro Stunde 1116 ml Wasser abdestilliert. Ist der 3. Reaktor befüllt, wird das aus Reaktor 2 überlaufende Kieselsol in einen weiteren bauartgleichen Reaktor geleitet. Das Sol aus Reaktor 3 wird durch Ultrafiltration konzen­ triert, sobald eine spezifische Oberfläche von 300 m²/g erreicht ist.

Im stationären Betriebszustand der kontinuierlich arbei­ tenden Apparatur ergeben sich dann für alle Reaktoren spezifische pH-Werte. Der pH-Wert beträgt in Reaktor 1: 9,2, in Reaktor 2: 9,5, im 3. Reaktor 10. Die SiO₂-Kon­ zentrationen in den Solen im stationären Zustand betra­ gen im 1. Reaktor 6 Gew.-%, im 2. Reaktor 3 Gew.-%. Im 3. Reaktor beträgt die SiO₂-Konzentration ebenfalls 8 Gew.-%.

Die spezifische Oberfläche des Sols stellt sich ein im 1. Reaktor auf 569 m²/g, im 2. Reaktor auf 464 m²/g und im 3. Reaktor auf 300 m²/g.

Die spezifische Oberfläche des während insgesamt 80 Be­ triebsstunden unter diesen Bedingungen erhaltenen Kie­ selsols lag bei 300 m²/g. Der pH-Wert betrug 10,0, die Viskosität betrug 3,5 mPas bei 20°C und die SiO₂-Konzen­ tration lag bei 30 Gew.-%.

Zum Anfahren der Reaktionskaskade wird jeweils der erste Reaktor mit dem aufbewahrten Inhalt des ersten Reaktors der letzten Fahrperiode befüllt.

Durch Zugabe der Frischsol- und Natronwasserglasmengen und durch Abdampfen der definierten Mengen Wasser wird der stationäre Betriebszustand eingestellt und durch Überlauf der 2. Reaktor befüllt. Ist der zweite Reaktor befüllt, wird hier der stationäre Betriebszustand einge­ stellt und durch Überlauf der nächstfolgende Reaktor be­ füllt usw.

Konzentrierung

Ein Kieselsol mit einer SiO₂-Konzentration von 8 Gew.-% enthaltend Partikel eines Durchmessers von 5-20 nm wird bei einer Temperatur von 25°C durch ein Ultrafilter mit einer Filtrationsfläche von 44 cm² filtriert. Die Über­ strömung der Testzelle erfolgt mit 500 l/h. Dadurch werden turbulente Strömungsverhältnisse hervorgerufen. Der auf die Membran wirkende Flüssigkeitsdruck lag bei einem Mittelwert von 10 bar. Als Apparatur wird eine Filtrationsvorrichtung vom Typ TZ der Firma Amafilter (Hannover) verwendet.

Die Ultrafiltrationsmembran ist eine asymmetrische, aus organischem Polymermaterial aufgebaute Membran mit einer Trenngrenze von 3000 g/mol. (Diese Membran wird unter der Bezeichnung Desal G 20 von der Firma Desalination Systems Inc., Aarau hergestellt.) Der Permeatfluß durch die Membran beträgt in Abhängigkeit von der Konzentra­ tion 30-100 l/m²h. Nach ca. 10 Betriebsstunden ist der Permeatfluß durch die Membran bei einem Wert angelangt, der in erster Näherung linear konzentrationsabhängig ist. Nach Erreichen einer SiO₂-Konzentration von ca. 30 Gew.-% wird die Anlage mit Permeatrückführung weitere 15 h im Kreis gefahren: Nach Konzentrierungsende fällt der Fluß nicht weiter ab, die Membran arbeitet stabil.

Nach Versuchsende wird in der gespülten Anlage der Rein­ wasserfluß der Membran bestimmt. Das Ergebnis liegt im Bereich des Nennwertes für die Membran.

Das erhaltene Kieselsol hatte eine Viskosität von 3,5 mPas, bestimmt mit dem Höppler-Kugelfallviskosimeter bei 20°C. Der pH-Wert des Kieselsols beträgt 10. Die Leitfä­ higkeit des Produktes liegt bei 4,7 mS, der Na₂O-Gehalt in der Lösung beträgt 0,34 Gew.-%. Der Kieselsolrückhalt durch die Desal G 20-Membran beträgt über 99,5%.

Vergleichsbeispiel 1

Das nach Beispiel 1 hergestellte Kieselsol mit einem SiO₂-Gehalt von 8 Gew.-% wird einer Ultrafiltration bei 25°C unterworfen.

Die Konzentrierung wird in einer Laboranlage der Fa. Amafilter, Hannover (Typ TZ) durchgeführt.

Die Filtrationsfläche des Ultrafilters beträgt 44 cm². Die Überströmung der Testzelle erfolgt mit 500 l/h.

Die verwendete Ultrafiltrationsmembran ist eine asymme­ trische, aus organischem Polymermaterial aufgebaute Membran mit einer Trenngrenze von 0,100 micron. (Diese Membran wird unter der Bezeichnung K 150 von der Fa. Desalination Systems Inc., Aarau hergestellt).

Die Trennleistung der Membran ist nicht ausreichend, es gelangen deutliche Mengen kolloidales SiO₂ ins Permeat.

Claims (6)

1. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung wäß­ riger, alkalischer Kieselsole mit einem Wasser­ gehalt von 50 bis 95 Gew.-%, die nicht aggregierte kugelförmige SiO₂-Partikel enthalten, aus saurem Frischsol, welches 4-8 Gew.-% SiO₂ in Form von Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von 2-4 nm bei einem pH-Wert von 2-4 enthält und welches zu einer Vorlage gegeben wird, die eine wäßrige, al­ kalische, kolloidale Kieselsollösung mit einem pH-Wert von 8 enthält, durch einen alkalischen Aufwachsprozeß bei Temperaturen 60°C und Auf­ konzentrierung der so hergestellten wäßrigen, alka­ lischen Kieselsole, dadurch gekennzeichnet, daß

• A) das saure Frischsol den Reaktoren einer mehr­ stufigen Reaktionskaskade kontinuierlich zuge­ führt wird und auf eine oder mehrere Stufen verteilt wird, wobei der pH-Wert den in Reak­ toren nicht unter 8 fallen darf,
• B) dem ersten oder den ersten der Reaktoren alka­ lische Agenzien, vorzugsweise alkalische Na­ triumsilikatlösung, alkalische Kaliumsilikat­ lösung, Natronlauge, Kalilauge, kontinuierlich in einer Menge zugeführt werden, so daß sich in den damit beschickten Reaktoren ein pH-Wert von 8 bis 12,5 einstellt,
• C) die mittlere Verweilzeit in den mit saurem Frischsol beschickten Stufen der Reaktions­ kaskade derart eingestellt wird, daß eine mitt­ lere Partikelgröße von 4 nm erhalten wird,
• D) die Konzentrierung mittels Ultrafiltration durchführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultrafiltration bei einem Druck von 3 bis 30 bar, vorzugsweise 5 bis 15 bar, und einer Tem­ peratur von 15 bis 35°C, vorzugsweise bei Raum­ temperatur ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei der Ultrafiltration eine alka­ listabile Membran einer Trenngrenze von kleiner als 30 000, vorzugsweise von kleiner als 15 000 Dalton eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der SiO₂- Rückhalt bei mehr als 99% liegt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß asymmetrische Membranen aus homogenen Materialien oder aus Com­ positmaterialien, sogenannte Mehrschichtmembranen, eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen aus organischen Polymermaterialien oder aus anorga­ nischen Materialien, vorzugsweise aus Keramik oder Graphit, bestehen.