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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung
niedrigkonzentrierter Polyaluminiumsilicatmikrogele, d.h. wäßriger Lösungen mit
einer Konzentration an aktivem Siliciumdioxid von im allgemeinen
weniger als etwa 1,0 Gew.-%, die gebildet werden durch die Teilgelierung
eines Alkalimetallsilicats oder eines Polysilicats, wie z.B. Natriumpolysilicat,
das, bezogen auf das Gewicht, in seiner häufigsten Form einen Teil Na2O auf 3,3 Teile SiO2 enthält, und
die durch den Einbau von Aluminiumoxid in ihre Struktur weiter modifiziert
werden. Die Mikrogele, die als "aktives" Siliciumdioxid bezeichnet
werden, im Gegensatz zu im Handel erhältlichem kolloidalem Siliciumdioxid,
umfassen Lösungen
aus verbundenen Siliciumdioxidteilchen mit einem Durchmesser von
1 bis 2 nm, die eine Oberfläche
von wenigstens etwa 1000 m2/g besitzen.
Die Teilchen werden während
der Herstellung, d.h. während
der Teilgelierung, so miteinander verbunden, daß in dreidimensionalen Netzwerken
und Ketten angeordnete Aggregate gebildet werden. Solche aluminiumoxidmodifizierten Polysilicate
werden als Polyaluminiumsilicatmikrogele klassifiziert und leicht
durch eine Modifizierung des grundlegenden Verfahrens für Polysilicatmikrogele
hergestellt. Ein entscheidender Aspekt der Erfindung ist die Fähigkeit,
die Mikrogele innerhalb eines angemessenen Zeitraums zu erzeugen,
d.h. in nicht mehr als etwa 15 Minuten, bis das Mikrogel gebrauchsfertig
ist, ohne Verfestigungsgefahr und bei minimaler Bildung unerwünschter
Siliciumdioxidablagerungen innerhalb der Herstellungsanlage. In
diesem Zusammenhang wurde gefunden, daß der Einbau von Aluminiumoxid
in das Polysilicatmikrogel insofern nützlich ist, als er die Mikrogelbildungsgeschwindigkeit
erhöht.
Gemäß der Erfindung
erzeugte Polyaluminiumsilicatmikrogele eignen sich besonders in
Kombinationen mit wasserlöslichen
kationischen Polymeren als Entwässerungs-
und Retentionsmittel bei der Papierherstellung. Bei niedrigen pH-Werten
unter pH 5 werden diese Produkte besser passend als Polyaluminiumkieselsäuremikrogele
bezeichnet. Wenn der pH-Wert angehoben wird, können diese Produkte Mischungen
aus Polyaluminiumkieselsäure-
und Polyaluminiumsilicatmikrogelen enthalten, wobei das Verhältnis pH-abhängig ist.
Der Einfachheit halber werden diese Produkte hier nachfolgend als
Polyaluminiumsilicatmikrogele bezeichnet.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zur kontinuierlichen
Herstellung eines niedrigkonzentrierten Polyaluminiumsilicatmikrogels,
das eine Lösung
von Siliciumdioxidteilchen mit einem Durchmesser von 1 bis 2 nm
und einer Oberfläche
von wenigstens etwa 1000 m2/g umfaßt, welche
miteinander zu einzelnen Ketten verbunden sind, um dreidimensionale
Netzwerkstrukturen zu bilden, umfassend:
(a) gleichzeitiges
Einbringen eines ersten Stroms, der eine wasserlösliche Silicatlösung umfaßt, und
eines zweiten Stroms, der ein Alkalimetallaluminat umfaßt, in Abwesenheit
einer starken Säure
mit einem pKa-Wert von
weniger als 6 in eine Mischzone, in der die Ströme unter einem Winkel von nicht
weniger als 30 Grad und mit einer ausreichenden Geschwindigkeit
zusammentreffen, um eine Reynolds-Zahl von wenigstens etwa 4000
und eine resultierende Silicat/Aluminat-Mischung mit einer Siliciumdioxidkonzentration
im Bereich von 1,0 bis 6,0 Gew.-% und einem pH-Wert von > 8 zu erzeugen, (b)
Altern der Silicat/Aluminat-Mischung eine ausreichende Zeit lang,
um einen erwünschten
Grad an Teilgelierung zu ergeben (d.h. Bildung des Mikrogels), üblicherweise
wenigstens 10 Sekunden lang, jedoch nicht länger als etwa 15 Minuten, und
(c) Verdünnen
der gealterten Mischung bis zu einer Siliciumdioxidkonzentration
von nicht mehr als etwa 2,0 Gew.-%, wodurch die Gelierung stabilisiert
wird. Polyaluminiumsilicate können
durch Vermischen eines Alkalimetallaluminats direkt mit dem Silicatstrom
bei einem resultierenden pH-Wert im allgemeinen von über pH 8
und typischerweise über pH
10 hergestellt werden.
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Die
bevorzugten Bedingungen in der Mischzone sind eine Reynolds-Zahl von über 6000,
eine Siliciumdioxidkonzentration im Bereich von 1,5 bis 3,5 Gew.-%
und ein pH-Wert im Bereich von 8 bis 10. Die bevorzugtesten Bedingungen
sind eine Reynolds-Zahl von über
6000, eine Siliciumdioxidkonzentration von 2 Gew.-% und ein pH-Wert
von 9. Polyaluminiumsilicate, die durch Umsetzung eines Alkalimetallaluminats
direkt mit dem Silicat hergestellt werden, können Al2O3/SiO2-Molverhältnisse
im Bereich von bis zu etwa 1:4 besitzen.
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Die
Vorrichtung, die bei der Erfindung verwendet werden kann, umfaßt:
(a)
einen ersten Behälter
zur Aufnahme einer wasserlöslichen
Silicatlösung,
(b) einen zweiten Behälter
zur Aufnahme eines Alkalimetallaluminats, (c) eine Mischeinrichtung
mit einem ersten Einlaß,
der mit dem genannten ersten Behälter
in Verbindung steht, einem zweiten Einlaß, der in einem Winkel von
wenigstens 30 Grad bezüglich
des genannten ersten Einlasses angeordnet ist und mit dem genannten
zweiten Behälter
in Verbindung steht, und einem Auslaß, (d) ein erstes Pumpmittel,
das sich zwischen dem genannten ersten Behälter und der genannten Mischeinrichtung
befindet, um einen Strom Silicatlösung aus dem genannten ersten
Behälter
in den genannten ersten Einlaß zu
pumpen, und ein erstes Steuermittel zur Steuerung der Siliciumdioxidkonzentration
in der genannten Silicatlösung,
während
die genannte Lösung
gepumpt wird, so daß die
Siliciumdioxidkonzentration in der aus der Mischeinrichtung austretenden
Lösung
im Bereich von 1 bis 6 Gew.-% liegt, (e) ein zweites Pumpmittel,
das sich zwischen dem genannten zweiten Behälter und der genannten Mischeinrichtung befindet,
um einen Strom Alkalimetallaluminat aus dem genannten zweiten Behälter in
den genannten zweiten Einlaß zu
pumpen, mit einer Geschwindigkeit, relativ zur Geschwindigkeit des
ersten Pumpmittels, die ausreicht, um eine Reynolds-Zahl innerhalb
der genannten Mischeinrichtung von wenigstens 4000 im Bereich, in dem
die Ströme
zusammentreffen, zu erzeugen, wodurch das genannte Silicat und das
genannte Aluminat gründlich
vermischt werden, (f) ein Mischsteuermittel, das sich innerhalb
des genannten Austritts befindet und auf die Fließgeschwindigkeit
des genannten Aluminats in die genannte Mischeinrichtung reagiert,
um das Aluminat-Siliciumdioxid-Molverhältnis auf < 1:4 zu regeln, (g) einen Auffangtank,
(h) eine verlängerte
Transferschleife, die mit dem Austritt der genannten Mischeinrichtung
und dem genannten Auffangtank in Verbindung steht, um die Mischung
zwischen diesen zu übertragen,
(i) ein Verdünnungsmittel
zur Verdünnung
der Silicat/Aluminat-Mischung in dem Auffangtank bis zu einer Siliciumdioxidkonzentration
von nicht mehr als 2,0 Gew.-%.
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Zusätzlich kann
bei der Herstellung von Polyaluminiumsilicaten mittels dieses Verfahrens
ein pH-Steuermittel (f) weggelassen und der Silicat- und Aluminatstrom
durch volumetrische Fließgeschwindigkeiten
gesteuert werden, so daß die
Konzentration an Aluminat gesteuert wird, welches in das Polyaluminiumsilicatmikrogel
eingebaut wird.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
umfaßt
die Vorrichtung einen NaOH-Behälter
und ein Mittel zur periodischen Spülung des Produktionssystems
mit warmem NaOH, das auf eine Temperatur von 40 bis 60°C erwärmt worden
ist, wodurch Siliciumdioxidablagerungen gelöst und entfernt werden können.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann ein Rührgasstrom,
wie z.B. ein Luft- oder Stickstoffstrom oder ein Strom eines anderen
Inertgases, in die beschriebene Mischeinrichtung mittels eines zusätzlichen
Einlasses, der sich an oder nahe dem Vermischungspunkt befindet,
eingebracht werden. Das Rühren
mit Gas stellt insofern einen bedeutenden industriellen Nutzen dar,
als es den Einsatz geringer Silicatströmungsgeschwindigkeiten ermöglicht,
während
die benötigte
Turbulenz und Reynolds-Zahl in der Mischzone aufrechterhalten werden.
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Bei
noch einer weiteren Ausführungsform
dieser Erfindung kann das Vermischen der wasserlöslichen Silicatlösung mit
einem Aluminat in einer ringförmigen
Mischeinrichtung erfolgen. Diese Einrichtung kann ein inneres Rohr
oder ein innerer Schlauch sein, das/der in das Innere eines größeren Rohres
oder Schlauches ragt und dann in dieses mündet. Der Mündungspunkt des inneren Rohrs
befindet sich üblicherweise,
jedoch nicht notwendigerweise, konzentrisch an der Innenseite des äußeren Rohres.
Eine der beiden zu vermischenden Fluide wird in das innere Rohr
geleitet. Das zweite Fluid wird in das äußere Rohr geleitet und fließt um die Außenseite
des inneren Rohres herum. Das Vermischen der beiden Fluide findet
dort statt, wo das erste Fluid aus dem inneren Rohr austritt und
sich mit dem zweiten Fluid in dem größeren äußeren Rohr vereint.
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Zum
Vermischen der zwei Flüssigkeiten
können
die wasserlösliche
Silicatlösung
und das Alkalimetallaluminat in entweder das innere oder das äußere Rohr
mit Geschwindigkeiten geleitet werden, die ausreichen, um eine Reynolds-Zahl
von über
4000 in der Mischzone zu erzeugen, wenn die beiden Ströme vereint werden.
Ein Rührgasstrom
kann ebenfalls gegebenenfalls eingesetzt werden, um das Vermischen
der zwei Ströme
zu unterstützen.
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Als
weitere Ausführungsform
dieser Erfindung kann das Vermischen des Aluminats und der wasserlöslichen
Silicatlösung
in einem Gefäß durchgeführt werden,
das mit einem mechanischen Mittel zur Erzeugung der notwendigen
Turbulenz ausgestattet ist, so daß das Vermischen der zwei Ströme bei einer
Reynolds-Zahl von über
4000 erfolgt. Das Gefäß kann gegebenenfalls
mit Schikanen ausgestattet sein. Das Alkalimetallaluminat und die
wasserlösliche
Silicatlösung
können,
ohne es jedoch zu müssen,
gleichzeitig in das Gefäß eingespeist
werden.
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Durch
die direkte Verwendung von Aluminat wird die Mikrogelbildungsgeschwindigkeit
erhöht
und ein Polyaluminiumsilicatmikrogel gebildet, bei dem innerhalb
der gesamten Mikrogelstruktur Aluminiumreste eingebaut sind.
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Das
Verfahren der Erfindung ist in der Lage, innerhalb einer geeigneten
Zeitspanne von nicht mehr als etwa 15–16 Minuten, üblicherweise
jedoch innerhalb von 30 bis 90 Sekunden, stabile Polyaluminiumsilicatmikrogele
zu erzeugen, die eine verringerte Siliciumdioxidablagerung ergeben,
ohne Verfestigungsgefahr und mit minimaler Bildung unerwünschter
Siliciumdioxidablagerungen innerhalb der Verarbeitungsanlage. Die Betriebstemperatur
liegt üblicherweise
im Bereich von 0–50°C.
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Eine
Siliciumdioxidablagerung in der Herstellungsapparatur ist unerwünscht, da
sie sämtliche
Innenflächen
der Apparatur überzieht
und die Funktion wichtiger beweglicher Teile und Instrumente beeinträchtigen kann.
Zum Beispiel kann sich eine Siliciumdioxidablagerung bis zu dem
Punkt aufbauen, bei dem die Ventile nicht länger funktionieren, und sie
kann den Durchfluß von
Fluid durch Röhre
und Schläuche
drosseln. Die Siliciumdioxidablagerung ist auch auf den pH-Meßelektroden
unerwünscht,
da sie die Überwachung
des Verfahrens-pH-Wertes, einem bedeutenden Qualitätsüberwachungsparameter
für die
Siliciumdioxidmikrogelproduktion, verhindert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Bei
den folgenden Figuren sind die 1 bis 3 nicht
von der vorliegenden Erfindung umfaßt und lediglich als Hintergrund
und Referenz angegeben.
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1 ist
ein Schemadiagramm des Verfahrens, das einen NaOH-Behälter und
Mittel zur periodischen Spülung
des Produktionssystems umfaßt.
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2 ist
ein Schemadiagramm eines Zweileitungs-Polysilicatmikrogelproduktionssystems,
das für eine
ununterbrochene Mikrogelproduktion sorgt.
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3 ist
ein Schemadiagramm des Verfahrens der Erfindung zur Herstellung
von Polyaluminiumsilicatmikrogelen, das einen Aluminiumsalzbehälter und
Mittel zum Einbringen des genannten Salzes in den Strom aus verdünnter Säure umfaßt.
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4 ist
ein Schemadiagramm des Zweileitungs-Polyaluminiumsilicatmikrogelproduktionssystems, das
für eine
ununterbrochene Mikrogelproduktion sorgt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Aktives
Siliciumdioxid ist eine spezielle Form von mikroteilchenförmigem Siliciumdioxid,
das sehr kleine Teilchen mit einem Durchmesser von 1–2 nm umfaßt, welche
in Ketten oder Netzwerken verbunden sind, so daß sie dreidimensionale Strukturen
bilden, die als "Mikrogele" bekannt sind. Der
Oberflächenbereich
der aktiven Siliciumdioxidmikroteilchen, d.h. der Mikrogele, beträgt wenigstens
etwa 1000 m2/g. Allgemeine Verfahren zur
Herstellung von Polysilicatmikrogelen sind in dem US-Patent 4 954
220 beschrieben, dessen Lehren hier durch Bezugnahme mitumfaßt sind.
Von den darin beschriebenen Verfahren ist das Ansäuern einer verdünnten wäßrigen Lösung eines
Alkalimetallsilicats mit einer anorganischen Säure oder einer organischen Säure, d.h.
einer starken Säure
mit einem pKa-Wert von weniger als 6, das Verfahren, für das sich
diese Erfindung besonders eignet. Die vorliegende Erfindung gewährleistet
die zuverlässige
und kontinuierliche Herstellung von Polyaluminiumsilicatmikrogelen
am vorgesehenen Einsatzort ohne Bildung unerwünschter Siliciumdioxidablagerungen
innerhalb der Verarbeitungsanlage und bei sehr zweckmäßigen Alterungszeiten
im allgemeinen von weniger als 15 Minuten und vorzugsweise zwischen
10 und 90 Sekunden.
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Das
Verfahren der Erfindung wird durch gleichzeitiges Vermischen der
Silicatlösung
mit einem Alkalimetallaluminat in einer Mischzone oder an einem
Vermischungspunkt durchgeführt,
so daß die
Ströme
in einem Winkel von im allgemeinen nicht weniger als 30 Grad zueinander
und mit einer ausreichenden Geschwindigkeit zusammentreffen, um
in dem Bereich, in dem die zwei Ströme zusammentreffen, eine Reynolds-Zahl von
wenigstens 4000 und vorzugsweise im Bereich von etwa 6000 und darüber zu erzeugen.
Die Reynolds-Zahl ist eine dimensionslose Zahl, die in der Technik
verwendet wird, um Flüssigkeitsströmungsbedingungen
innerhalb eines Rohrs oder Schlauches zu beschreiben. Zahlen unter
2000 stellen eine laminare Strömung
(schlechte Mischumgebung) dar, und Zahlen von 4000 und darüber bedeuten
eine turbulente Strömung (gute
Mischumgebung). Allgemein gilt: je größer die Reynolds-Zahl, desto
besser das Vermischen. Die Reynolds-Zahl (Re) für die Strömung in einem Rohr oder Schlauch
wird durch die Gleichung
ermittelt, wobei:
- Q
- = Strömung in
Kubikfuß pro
Sekunde
- d
- = Dichte in Pounds
pro Kubikfuß
- D
- = Rohrdurchmesser
in Fuß
- u
- = Viskosität in Pounds
pro Quadratfuß
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Die
Reynolds-Zahl für
mit Rührflügeln gerührte Gefäße wird
durch die Gleichung Re = (D2 × N × p)/uermittelt,
wobei:
- D
- = Rührflügeldurchmesser
in cm
- N
- = Rotationsgeschwindigkeit
in Umdrehungen pro Sekunde
- p
- = Fluiddichte in Gramm
pro cm3
- u
- = Viskosität in Gramm
pro (Sekunde)(Zentimeter)
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Das
Vermischen von Silicatlösung
und Alkalimetallaluminat wird bei pH > 8 und vorzugsweise bei pH > 10 durchgeführt. Besonders
bevorzugt liegt die Siliciumdioxidkonzentration im Bereich von 1,5
bis 3,5 Gew.-%. Die bevorzugtesten Betriebsbedingungen sind bei
einer Reynolds-Zahl von mehr als 6000, einer Siliciumdioxidkonzentration
von 2 Gew.-% und einem pH-Wert von 9.
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Die
Alterung findet im allgemeinen in 10 bis etwa 90 Sekunden statt,
indem die Silicat/Aluminat-Mischung durch eine verlängerte Transferschleife
in Richtung eines Endprodukt-Auffangtanks geleitet wird, in dem
die Mischung sofort verdünnt
und anschließend
bei einer Konzentration von aktivem Siliciumdioxid von nicht mehr
als 2,0 Gew.-% und vorzugsweise nicht mehr als 1,0 Gew.-% gehalten
wird. Die Teilgelierung, welche die dreidimensionalen aggregierten
Netzwerke und Ketten von aktiven Siliciumdioxidteilchen mit großer Oberfläche erzeugt,
wird während
der Alterung erzielt. Das Verdünnen
der Silicat/Aluminat-Mischungen auf eine niedrige Konzentration
dient dazu, den Gelierprozeß anzuhalten
und das Mikrogel für
die nachfolgende Verwendung zu stabilisieren.
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Das
Verfahren der Erfindung und eine Apparatur für dessen Durchführung wird
nun in größerem Detail mit
Bezug auf die Zeichnungen erörtert,
wobei die 1 bis 3 keinen
Teil der Erfindung bilden, sondern als Hintergrund und Referenz
angegeben sind. 1 ist ein Schemadiagramm des
Verfahrens in seiner einfachsten Form, um Polysilicatmikrogele herzustellen.
Die hier beschriebenen Größen, Kapazitäten und
Geschwindigkeiten können
innerhalb weiter Bereiche variieren, was hauptsächlich von den erforderlichen
Polysilicatmikrogel- oder Polyaluminiumsilicatmengen und von der
erwarteten Verbrauchsrate abhängt.
Die in bezug auf die Zeichnungen beschriebenen Größen und
Fassungsvermögen
beziehen sich auf ein System zur Herstellung, d.h. Erzeugung, von
Polysilicat- oder Polyaluminiumsilicatmikrogelen auf im allgemeinen
kontinuierlicher Basis zur Verwendung als Entwässerungs- und Retentionshilfsmittel
beim Papierherstellungsverfahren, bei dem die Verbrauchsrate von
etwa 10 bis 4000 lbs Mikrogel pro Stunde reicht.
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In 1a sind ein Verdünnungswasserbehälter 10,
ein Säurebehälter 12 und
ein Silicatbehälter 14 gezeigt.
Die Behälter,
d.h. die Tanks, sind zweckmäßigerweise
aus Polyethylen hergestellt, wobei der Wasserbehälter ein Fassungsvermögen von
500 Gallonen, der Säurebehälter ein
Fassungsvermögen
von 100 Gallonen und der Silicatbehälter ein Fassungsvermögen von
300 Gallonen besitzt. Andere in 1 gezeigte
Gefäße sind
der NaOH-Spültank 16 und
der Endprodukt-Auffangtang 18. Der NaOH-Spültank ist
aus korrosionsbeständigem
Material, wie z.B. aus 316 Edelstahl, hergestellt, er hat ein Fassungsvermögen von
20 Gallonen und wird mit einem um den Tank herum gewickelten Widerstandstrommelheizer
(Cole-Palmer, 2000 Watt, 115 Volt) erwärmt. Der Endprodukt-Auffangtank
besitzt ein Fassungsvermögen
von 1000 Gallonen und ist aus Polyethylen hergestellt.
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Ein
entscheidendes Element des Verfahrens ist der Vermischungspunkt 20,
der eine Mischzone definiert, in der ein Säurestrom und ein Strom wasserlöslichen
Silicats entlang getrennter Pfade eingebracht werden, welche in
der Mischzone in einem Winkel von im allgemeinen nicht weniger als
30 Grad zusammentreffen. Ein "T"- oder Y"-förmiger Vermischungspunkt
eignet sich zur Durchführung
der Erfindung und kann leicht aus einer passend dimensionierten
316-Edelstahl-"Swagelok"-Klemmkupplung, die
mit Edelstahlleitungen ausgestattet ist, konstruiert werden.
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Die
Geschwindigkeiten, mit denen die zwei Ströme in die Mischzone eintreten,
d.h. in die Mischzone gepumpt werden, werden so gewählt, daß darin
eine Reynolds-Zahl von wenigstens 4000 und vorzugsweise bis zu 6000
oder höher
erzeugt wird, was zu einer nahezu sofortigen und gründlichen
Vermischung der Säure und
des Silicats führt,
so daß die
resultierende Mischung eine Siliciumdioxidkonzentration im Bereich
von 1,5 bis 3,5 Gew.-% und einen pH-Wert von 7 bis 10 besitzt. Jede
zweckmäßige im
Handel erhältliche
Quelle für wasserlösliches
Silicat kann eingesetzt werden, wie zum Beispiel "PQ (N)"-Natriumsilicat (41
Baume, SiO2:Na2O=
322:1, bezogen auf das Gewicht, 28,7 Gew.-% SiO2),
das von der PQ-Corporation vertrieben wird. Das im Handel erhältliche
Silicat wird unverdünnt
in Behälter 14 aufbewahrt, üblicherweise
in einer Konzentration von 24 bis 36 Gew.-%, wie es vom Hersteller
geliefert wird, bis es benötigt
wird. Es wird durch eine geeignete Verrohrung 22 (316 Edelstahl, ¼ Inch
Außendurchmesser)
mittels einer Zahnradpumpe oder einer Mikropumpe 24 mit
geringer Strömungsgeschwindigkeit
(z.B. Micropump Corp., Modell 140, max. Strömungsgeschwindigkeit
1,7 gpm) dem Vermischungspunkt 20 zugeführt. Korrosionsbeständige Konstruktionsmaterialien,
z.B. 316 Edelstahl, werden bevorzugt, um jegliches Risiko einer
Korrosion und nachfolgenden Kontaminierung zu vermeiden. Die Silicat-Zufuhrleitung
umfaßt
auch ein Strömungssteuerventil 26 (Whitey,
316 Edelstahl, ¼-Inch-Nadel),
ein magnetisches Strömungsmeßgerät 28 (Fisher
Porter, 316 Edelstahl, Größe 1/10
Inch) und ein Prüfventil 86 (Whitey,
316 Edelstahl, Durchmesser ¼ Inch) zur
Steuerung und Überwachung
der Silicatstrommenge- und -richtung. Während des Betriebs wird Verdünnungswasser
in die Silicatzufuhrleitung 22 an einem zweckmäßigen Ort
stromaufwärts
des Silicat/Säure-Verbindungspunktes
20 eingebracht, so daß die
Siliciumdioxidkonzentration auf einen Wert im Bereich von 2 bis
10 Gew.-% eingestellt wird. Um das vollständige Vermischen von Silicat
und Wasser zu gewährleisten,
wird ein In-Line-Statikmischer 32 (Cole-Palmer,
316 Edelstahl, ½-Inch-Leitungen,
15 Elemente) bereitgestellt, gefolgt von einem Prüfventil 30 (Whitey,
316 Edelstahl, Durchmesser ½ Inch).
Das Verdünnungswasser
wird über
Zufuhrleitung 34 (Außendurchmesser ½ Inch, 316
Edelstahl) durch die Zentrifugalpumpe 36 (Eastern Pump,
lHP, max. Strömung
54 gpm) und einen Rotameter 38 (Brooks, Brass Ball, 3,06
gpm max.) zugeführt.
Das Steuerventil 40 (Whitey, 316 Edelstahl, ½-Inch-NE-Nadel)
und das Prüfventil 42 (Whitey,
316 Edelstahl, Durchmesser ½ Inch)
können
zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit
und -richtung verwendet werden.
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Obwohl
eine Vielzahl an sauren Materialien, wie zum Beispiel Mineralsäuren, organische
Säure,
Säuresalze
und Gase, Ionenaustauschharze und Salze von starken Säuren mit
schwachen Basen, zur Verwendung bei der Herstellung von aktivem
Siliciumdioxid beschrieben worden ist, ist das einfachste und zweckmäßigste Mittel
zur Ansäuerung
mit einer starken Säure
mit einem pKa-Wert von weniger als 6. Die bevorzugte Säure ist
Schwefelsäure.
Von DuPont und Anderen hergestellte Handelsqualitäten sind
im allgemeinen geeignet. Während
des Betriebs wird eine Stammlösung
der Säure
bei einer Konzentration im Bereich von 5 bis 100 Gew.-% in Säurebehälter 12 gehalten.
Die Säure
wird mit einer Zahnradpumpe oder einer ähnlichen Mikropumpe 44 (z.B.
Micropump Modell 040, ¼ HP,
max. Strömung
0,83 gpm) durch Leitung 46 (316 Edelstahl, Außendurchmesser ¼ Inch)
und Prüfventil 88 (Whitey,
316 Edelstahl, Durchmesser ¼ Inch)
zum Vermischungspunkt 20 gepumpt. Ein einschleifiger Regler 90 (Moore,
Modell 352E) wird mit einem pH-Transmitter 48 (Great Lakes
Instruments, Modell 672P3FICON) und einem pH-Fühler 48A (Great Lakes
Instruments, Typ 6028PO) verbunden, um den Strom zum Vermischungspunkt 20 mittels
des automatischen Strömungssteuerventils 50 (Research
Controls, K Trim, Außendurchmesser ¼ Inch,
316 Edelstahl) als Reaktion auf den pH-Wert der Silicat/Säure-Mischung,
die am Austrittspunkt des Vermischungspunktes gemessen wird, zu
steuern. Ein automatisches Drei-Wege-Ventil 52 (Whitey,
316 Edelstahl, Durchmesser ½ Inch)
wird ebenfalls innerhalb des Steuersystems eingesetzt, damit die
Möglichkeit
gegeben ist, eine nicht spezifikationsgerechte Silicat/Säure-Mischung
an die Kanalisation umzuleiten. Das Verdünnungswasser aus dem Wasserbehälter 10 wird
durch Leitung 54 (316 Edelstahl, Außendurchmesser ½ Inch)
zugeführt,
um die Säurezufuhr
stromaufwärts
des Vermischungspunktes 20 auf eine vorbestimmte Konzentration
im Bereich von 1 bis 20 Gew.-% zu verdünnen. Ein Statikmischer 56 (Cole-Palmer,
316 Edelstahl, Durchmesser ½ Inch,
15 Umdrehungen) wird stromabwärts
des Punktes, an dem Verdünnungswasser
in die Säurezufuhrleitung
eingeleitet wird, bereitgestellt, um ein vollständiges Vermischen und Verdünnen der
Säure zu
gewährleisten.
Ein Rotameter 58 (Brooks, Brass Ball, 1,09 gpm Maximum),
ein Steuerventil 60 (Whitey, 316 Edelstahl, ½-Inch-Nadel) und ein
Prüfventil 62 (Whitey,
316 Edelstahl, Durchmesser ½ Inch)
werden verwendet, um die Strömungsgeschwindigkeit
und die Strömungsrichtung des
Verdünnungswassers
zu steuern.
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Die
Silicat/Säure-Mischung,
die aus dem Vermischungspunkt 20 austritt, besitzt vorzugsweise
eine SiO2-Konzentration im Bereich von 1,5
bis 3,5 Gew.-% und einen pH-Wert im Bereich von 7 bis 10. Besonders bevorzugt
werden die Siliciumdioxidkonzentration bei 2 Gew.-% und der pH-Wert bei 9 gehalten.
Die Mischung wird durch eine verlängerte Transferleitung 64 (1½-Inch-Plan-40-PVC-Rohr,
75 Fuß lang)
in Richtung des Endprodukt-Auffangtanks 18 geleitet. Die
Länge der
Transferleitung ist so gewählt,
daß sichergestellt
wird, daß der Transfer
wenigstens 10 Sekunden dauert, vorzugsweise jedoch etwa 30 Sekunden
bis 90 Sekunden, wobei während
dieser Zeit das "Altern" oder die Teilgelierung
der Mischung stattfindet. Die Transferzeit kann bei sehr niedrigen
Strömungsgeschwindigkeiten
bis zu 15–16
Minuten betragen und noch immer zufriedenstellende Ergebnisse liefern.
Das Verdünnungswasser
aus dem Behälter 10 wird
durch Leitung 66 (316 Edelstahl, Außendurchmesser ½ Inch)
zu der Mischung zugegeben, unmittelbar bevor diese in den Endprodukt-Auffangtank 18 mündet oder
an einer beliebigen anderen Stelle, solange die Silicat/Säure-Mischung
auf eine SiO2-Konzentration von weniger
als 1,0 Gew.-% verdünnt
wird, was das Gelierverfahren stabilisiert. Das Verdünnungswasser wird
durch die Zentrifugalpumpe 68 (Eastern, 316 Edelstahl,
1 HP, 54 gpm Maximum) zugeführt,
und die Strömungssteuerung
erfolgt bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit mit dem Steuerventil 70 (Whitey,
316 Edelstahl, ½-Inch-Nadel)
und dem Rotameter 72 (Brooks, SS Ball, 12,46 gpm Maximum).
Der Endprodukt-Auffangtang 18 ist mit einem Füllstandsteuersystem 74 (Sensall,
Modell 502) ausgestattet, das in Verbindung mit einem automatischen
Drei-Wege-Ventil 76 (Whitey, 316 Edelstahl, Durchmesser ½ Inch)
betrieben wird, um den Silicat/Säure-Mischungsstrom
an die Kanalisation umzuleiten, wenn der Füllstand des Endprodukts zu
hoch wird.
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Nach
einer Periode mit kontinuierlichem Betrieb, die von der erzeugten
Menge an aktivem Siliciumdioxid abhängt, kann es wünschenswert sein,
die Erzeugung des aktiven Siliciumdioxids zu stoppen und den Vermischungspunkt 20 und
den Teil des Systems, der stromabwärts davon liegt, d.h. die Rohre,
Ventile, Transferleitungen usw., die mit der Silicat/Säure-Mischung
in Kontakt standen, mit Wasser und warmem NaOH zu spülen. Das
Spülen
des Systems entfernt sämtliche
unerwünschten
Siliciumdioxidablagerungen, die sich in Teilen der Apparatur angesammelt
haben könnten,
wo die erforderlichen turbulenten Strömungsbedingungen aufgrund von
Konstruktionseinschränkungen
nicht aufrechterhalten werden konnten, wie z.B. im Bereich der pH-Messung.
Das Spülverfahren
hilft, das System frei von Siliciumdioxidablagerung zu halten, und
wird begonnen, indem zunächst
die Verdünnungspumpe 68,
die Säurepumpe 44 und
die Silicatpumpe 24 abgeschaltet werden. Das Verdünnungswasser
aus Pumpe 36 wird anschließend etwa 5 Minuten lang durch
den stromabwärts
gelegenen Teil des Systems zirkuliert, wonach die Pumpe 36 abgeschaltet
wird und der Verdünnungswasserbehälter durch
Schließen
der Ventile 40, 60 und 70 isoliert wird.
Anschließend
werden die automatischen Drei-Wege-Ventile 52 und 76 und
die manuellen Ventile 78, 80 und 82 (alle
Whitey, 316 Edelstahl, Außendurchmesser ½ Inch)
zusammen mit der Zentrifugalzirkulationspumpe 84 (Eastern,
316 Edelstahl, 1,5 HP, 15 gpm Maximum) aktiviert, damit das NaOH,
das bei einer Konzentration von 20 Gew.-% und einer Temperatur im
Bereich von 40 bis 60°C
gehalten wird, durch den stromabwärts gelegenen Teil des Systems
im allgemeinen nicht länger
als etwa 20–30
Minuten lang zirkuliert werden kann. Dann werden die NaOH-Zirkulationspumpe 84 und
der Spültank 16 von
dem System isoliert, indem wiederum die Drei-Wege-Ventile 80 und 82 aktiviert
werden, und Verdünnungswasser
wird erneut durch das stromabwärts
gelegene System gespült
und in die Kanalisation abgelassen. Nach dem Ende des Reinigungs/Spül-Verfahrens
kann die Produktion von aktivem Siliciumdioxid wieder aufgenommen
werden.
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In 2 ist
ein Schemadiagramm eines Zweileitungsproduktionssystems für aktives
Siliciumdioxid gezeigt, wobei eine Leitung zu jeder Zeit betriebsbereit
sein kann, während
die andere Leitung gespült
oder in einem Bereitschaftszustand gehalten wird. Die Komponententeile
sind gemäß 1 numeriert.
Ein im Handel erhältliches
System entweder gemäß 1 oder 2 wird
im allgemeinen aus Edelstahl- oder Polyvinylchloridrohrleitungen
mit einem Durchmesser von im allgemeinen 1 Inch oder weniger, je
nach Anforderung des aktiven Siliciumdioxids, konstruiert sein.
Wenn Edelstahlrohrleitungen verwendet werden, können die Verbindungen der verschiedenen
Instrumente, Kupplungen, Ventile und Sektionen zweckmäßigerweise
mit "Swagelok"-Klemmkupplungen
erzeugt werden.
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3 ist
ein Schemadiagramm, das eine Modifizierung der grund legenden Apparatur
von 1 zeigt, welche zur Herstellung von Polyaluminiumsilicatmikrogelen
geeignet ist. Aus dem Behälter 100 kann
eine konzentrierte Lösung
eines Aluminiumsalzes, vorzugsweise Aluminiumsulfat, durch die Rohrleitungen
(Durchmesser ¼ Inch,
316 Edelstahl) mittels einer Membran-Dosierpumpe 102 (Pulsatron®-Modell
LPR 2-MAPTC1, glasgefülltes
Polypropylen, Teflon®-Membran, max. Strömung 12,5
ml/Minute) gepumpt werden. Die Dosierpumpe 102 kann elektronisch
mit dem Regler 90 verbunden sein und kann sich parallel
mit der Silicatverwendung bewegen. Nach dem Durchströmen des
Prüfventils 104 (Whitey,
316 Edelstahl, Durchmesser ¼ Inch)
kann die Aluminiumsalzlösung
in die Leitung mit verdünnter
Säure an
Punkt 106 mittels eines 316-Edelstahl-"T"-Verbindungspunktes
eingebracht werden. Das gründliche
Vermischen des Aluminiumsalzes mit der verdünnten Säure kann durch den In-Line-Mischer 56 vor
der Reaktion mit dem Silicat abgeschlossen werden, um Polyaluminiumsilicatmikrogele
zu erzeugen, was an dem "T"-Vermischungspunkt 20 geschieht.
Eine bevorzugte Aluminiumsalzlösung
zur Verwendung bei dem Verfahren ist eine im Handel erhältliche
Aluminiumsulfatlösung,
wie z.B. eine flüssige
Alaunlösung
Al2(SO4)3·14H2O, die 8,3 Gew.-% Al2O3 enthält
und von der American Cyanamid Company bereitgestellt wird.
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Von
Zeit zu Zeit ist es notwendig, die Polyaluminiumsilicatapparatur
mittels warmer Ätznatronlösung wie
oben beschrieben von Siliciumdioxidablagerungen freizuwaschen.
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Es
sollte verstanden werden, daß eine
Zweileitungsapparatur für
die kontinuierliche Herstellung von Polyaluminiumsilicatmikrogelen
durch geeignete Modifizierungen der Zweileitungsapparatur von 2 konstruiert
werden kann.
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4 ist
ein Schemadiagramm, das eine Modifizierung der grundlegenden Apparatur
von 1 zeigt, welche zur Herstellung von durch Vermischen
von Silicat mit Aluminat erzeugten Polyaluminiumsilicatmikrogelen
geeignet ist. Behälter 12 enthält eine
Alkalimetallaluminatlösung,
vorzugsweise Natriumaluminat. Die Natriumaluminatlösung kann
aus trockenem Natriumaluminat hergestellt werden, welches dann in
Wasser gelöst
wird, oder es kann als eine bereits gelöste und stabilisierte Lösung erworben
werden. Die Aluminatlösung wird
durch die Mikropumpe 24 dem Vermischungspunkt zugeführt. Die
Aluminatzufuhrleitung umfaßt
auch ein Strömungssteuerventil 50 und
ein Prüfventil 86.
Ein zusätzliches
magneti sches Strömungsmeßgerät 280 (Fisher
Porter, 316 Edelstahl, Größe 1/10
Inch) zur Überwachung
der Aluminatstrommenge kann hinzugefügt werden, oder der Aluminatstrom
kann durch Variieren der Geschwindigkeit von Mikropumpe 24 gesteuert
werden. Gegebenenfalls können
die pH-Fühler 48A und 48B und
der pH-Regler 48 weggelassen werden. Während des Betriebs wird Verdünnungswasser
in die Aluminatzufuhrleitung 46 an einem zweckmäßigen Ort
stromaufwärts des
Silicat/Aluminat-Vermischungspunktes 20 eingebracht. Um
ein vollständiges
Vermischen von Aluminat und Wasser zu gewährleisten, wird ein In-Line-Statikmischer 56 bereitgestellt.
Nach dem Vermischen mit dem Silicatstrom hat die resultierende Lösung eine
Siliciumdioxidkonzentration im Bereich von 2 bis 10 Gew.-%.
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Von
Zeit zu Zeit ist es notwendig, die Polyaluminiumsilicatapparatur
mittels warmer Ätznatronlösung wie
oben beschrieben von Siliciumdioxidablagerungen freizuwaschen.
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Bei
den folgenden Beispielen bilden die Beispiele 1 bis 3 keinen Teil
der vorliegenden Erfindung und sind lediglich als Hintergrund und
Referenz angegeben.
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Beispiel 1 – Demonstration
der Auswirkung von Turbulenz auf die Verringerung von Siliciumdioxidablagerungen
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Ein
Laborgenerator zur Erzeugung von Polysilicatmikrogelen wurde gemäß den in 1 beschriebenen
Prinzipien konstruiert. Die Silicat- und Schwefelsäurezuflüsse enthielten vor dem Verdünnen und
Vermischen 15 Gew.-% Siliciumdioxid bzw. 20 Gew.-% Säure. Der
entscheidende Vermischungspunkt wurde aus einer ¼-Inch-316-Edelstahl-"Swagelok"-T-Klemmkupplung
mit 6-Inch-Armen aus ¼-Inch-Außendurchmesser-316-Edelstahl-Rohren konstruiert.
Der Innendurchmesser der Kupplung betrug 0,409 cm. Für die Tests,
bei denen ein Gas in den Vermischungspunkt eingebracht wird, wurde
eine ähnliche "Swagelok"-X-Klemmkupplung
verwendet, bei der der vierte Arm des X die Gaseinleitung war. Ein
In-Line-Filter, das aus einem 60-Mesh-Edelstahl-Sieb mit einem Durchmesser
von 1 Inch bestand, wurde etwa 12 Inch von dem Säure/Silicat-Verbindungspunkt
entfernt plaziert, um teilchenförmiges
Siliciumdioxid aufzufangen. Das Sieb wurde zu Beginn eines jeden
Tests und erneut am Ende eines jeden Tests nach dem Waschen und
Trocknen gewogen, um ein Maß für die Siliciumdioxidablagerung
zu erhalten. Alle Tests wurden so durchgeführt, daß zum Zeitpunkt der Silicatansäuerung Bedingungen
von 2 Gew.-% Siliciumdioxid und pH 9 herrschten, und jeder Test
wurde eine ausreichend lange Zeit durchgeführt, um insgesamt 1590 g Polysilicatmikrogel
zu erzeugen. Die Ergebnisse der Tests sind in der nachstehenden
Tabelle 1 angegeben. Der Flüssigkeitsstrom
stellt den Gesamtflüssigkeitsstrom
dar, das heißt
den Strom der vereinten Silicat/Säure-Mischung in dem Austrittsrohr.
Bei den Tests, bei denen ein Gas eingeleitet wurde, um den Flüssigkeitsstrom
und die Turbulenz zu erhöhen,
wurde die Reynolds-Zahl auf der Grundlage der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit
des flüssigen
Teils alleine berechnet, wobei angenommen wurde, daß die Flüssigkeitsdichte
und -viskosität
sich nicht merklich ändern.
Dieses Berechnungsverfahren wurde angewandt, da es keine fertige
Formel für
die Berechnung der Reynolds-Zahl von Flüssigkeits/Gas-Mischungen gibt.
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Tabelle
1 Siliciumdioxidablagerung
als Funktion der Revnolds-Zahl
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Ein
Vergleich der Ergebnisse der Tests 1 & 2 mit den Ergebnissen der Tests
3–10 zeigt
deutlich die vorteilhafte Auswirkung einer turbulenten Flüssigkeitsströmung (Reynolds-Zahl
von über
4000) auf die Verringerung der beobachteten Menge an Siliciumdioxidablagerung.
Bei den turbulenten Strömungsbedingungen der
vorliegenden Erfindung stellte die durchschnittliche Siliciumdioxidablagerung
von 0,007 g nur 0,0004% der Gesamtmenge des verarbeiteten Siliciumdioxids
dar. Wenn die Reynolds-Zahl unter dem für die vorliegende Erfindung
erforderlichen Minimum von 4000 lag, war die unerwünschte Siliciumdioxidablagerung
wenigstens etwa 15fach höher.
Sobald das von dem Verfahren dieser Erfindung geforderte Reynolds-Zahl-Minimum erreicht
war, bewirkte die Erhöhung
der Reynolds-Zahl auf über
4000, zum Beispiel von 4144 auf 6217 auf 10362, keine wesentliche
weitere Verringerung der Siliciumdioxidablagerung.
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Beispiel 2 – Apparatur
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Eine
großtechnische
Apparatur zur Herstellung von aktiven Siliciumdioxidmikrogelen wurde
gemäß dem in 1 gezeigten
Schemadiagramm zusammengebaut und in einer großtechnischen Papiermühle installiert.
Die Apparatur war, bis auf die Rohmaterialzufuhrbehälter, fest
auf einem Stahlgerüst
auf zwei jeweils etwa sechs auf acht Fuß großen Gestellen montiert. Auf
Gestell 1 waren die Einlässe
zur Verbindung mit großtechnischen
Natriumsilicat- und Schwefelsäurezuflüssen und
ein Einlaß für Stadtwasser,
das für
Verdünnungszwecke
verwendet wurde, montiert. Auf Gestell 1 waren auch die Verdünnungs-
und Strömungssteuermittel, der
Silicat/Säure-Vermischungspunkt,
die pH-Meßeinrichtung
und der pH-Regler, der Natriumhydroxidspülbehälter, die erforderlichen Pumpen
und Ventile und die elektrischen Steuereinrichtungen montiert. Auf
Gestell 2 waren die Alterungsschleife, der Endproduktbehälter, die
Füllstandsteuereinrichtung
und die erforderlichen Pumpen und Ventile montiert. Die Gesamthöhe eines
jeden Gestells betrug etwa sieben Fuß. Die Vorratsbehälter des
Herstellers wurden als die Behälter
für das
Silicat und die Schwefelsäure
verwendet, und diese wurden direkt mit den entsprechenden Einlässen an
Gestell 1 verbunden.
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Die
Apparatur wurde kontinuierlich sechs (6) Tage lang betrieben, wobei
0,5 gew.-%iges aktives Siliciumdioxid mit einer Geschwindigkeit,
die zwischen 3 und 4,8 Gallonen pro Minute variierte, erzeugt wurde. Bei
einer Herstellungsgeschwindigkeit von 3 gpm wurde eine Reynolds-Zahl
von 4250 für
die verwendete Mischzone berechnet. Innerhalb des Vermischungspunktes 20 wurde
keine Siliciumdioxidablagerung beobachtet, obwohl eine gewisse Siliciumdioxidablagerung
in der Nähe
des pH-Fühlers,
der sich unmittelbar stromabwärts
des Austrittes aus dem Vermischungspunkt befand, nach 12 Stunden
kontinuierlichen Betriebs beobachtet wurde. Um diese Situation zu
bereinigen, wurde eine Wasser/NaOH/Wasser-Waschfolge durchgeführt, die
weniger als 30 Minuten dauerte, und das System nahm anschließend die
normale Produktion wieder auf. Innerhalb des gesamten Zeitraums
von sechs Tagen lief die Apparatur ohne Fehler und erzeugte aktives
Siliciumdioxid von hervorragender Qualität, welches von der Mühle zur
Herstellung einer Reihe von Papieren mit unterschiedlichen Papiergewichten
verwendet wurde.
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Beispiel 3 – Herstellung
von Polyaluminiumsilicatmikrogel
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Eine
großtechnische
Apparatur zur Herstellung einer Polyaluminiumsilicatmikrogellösung wurde
gemäß den in 3 gezeigten
Prinzipien zusammengebaut. Die Apparatur war, bis auf die Rohmaterialzufuhrbehälter, fest
auf einem Stahlgerüst
auf zwei jeweils etwa acht auf acht Fuß großen Gestellen montiert. Auf Gestell
1 waren die Einlässe
zur Verbindung mit den Zuflüssen
für Natriumsilicat,
Schwefelsäure,
Natriumhydroxid und Alaun zur Papierherstellung und ein Einlaß für Stadtwasser,
das für
Verdünnungszwecke
verwendet wurde, montiert. Auf Gestell 1 waren auch die erforderlichen
Pumpen für
jede Chemikalie und ein Behälter
zur Aufnahme der fertigen Polyaluminiumsilicatmikrogellösung montiert.
Auf Gestell 2 waren die Strömungssteuerventile
für Natriumsilicat,
Säure und
das Verdünnungswasser,
der Silicat/Säure-Vermischungspunkt,
die pH-Meßeinrichtung
und der pH-Regler, eine Alterungsschleife und ein Natriumhydroxidspülbehälter montiert. Der
Strom des Alauns zur Papierherstellung wurde durch eine Membranpumpe
mit einer Geschwindigkeit, die proportional zum Silicatstrom war,
gesteuert. Das Alaun zur Papierherstellung wurde in den verdünnten Säurestrom
vor dem Silicat/Säure-Vermischungspunktes
eingebracht. Die resultierende Polyaluminiumsilicatmikrogellösung hatte
ein Al2O3/SiO2-Molverhältnis
von etwa 1/1250.
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Die
Apparatur wurde zur Herstellung von 6000 Gallonen 0,5 gew.-%iger Polyaluminiumsilicatmikrogellösung mit
einer Geschwindigkeit von 20 Gallonen pro Minute verwendet. Für die Mischzone
wurde eine Reynolds-Zahl von 22700 berechnet. Nach 5 stündigem Betrieb
wurde nur eine kleine Siliciumdioxidablagerung an der pH-Elektrode
festgestellt. Um die Siliciumdioxidablagerungen zu entfernen, wurde
eine NaOH-Spülung durchgeführt, die
weniger als 30 Minuten dauerte, und das System nahm anschließend die
normale Produktion wieder auf. Die Polyaluminiumsilicatmikrogellösung wurde
in einer Papiermühle
zur Herstellung von Flüssigkartonverpackungen
mit hervorragenden Ergebnissen verwendet.
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Beispiel 4 – Herstelluna
von Polyaluminiumsilicatmikrogel
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Eine
großtechnische
Apparatur zur Herstellung einer Polyaluminiumsilicatmikrogellösung wurde
gemäß den in 4 gezeigten
Prinzipien zusammengebaut. Die Apparatur war, bis auf die Rohmaterialzufuhrbehälter, fest
auf einem Stahlgerüst
auf zwei jeweils etwa acht auf acht Fuß großen Gestellen montiert. Auf Gestell
1 waren die Einlässe
zur Verbindung mit den Zuflüssen
für Natriumsilicat
und Natriumaluminat und ein Einlaß für Stadtwasser, das für Verdünnungszwecke
verwendet wurde, montiert. Auf Gestell 1 waren auch die erforderlichen
Pumpen für
jede Chemikalie und ein Behälter
zur Aufnahme der fertigen Polyaluminiumsilicatmikrogellösung montiert.
Auf Gestell 2 waren die Strömungssteuerventile
für Natriumsilicat
und das Verdünnungswasser,
der Silicat/Säure-Vermischungspunkt,
eine Alterungsschleife und ein Natriumhydroxidspülbehälter montiert. Der Natriumaluminatstrom
wurde durch eine Zahnradpumpe bei einer Geschwindigkeit gehalten,
die proportional zum Silicatstrom war. Das Natriumaluminat wurde
vor dem Silicat/Aluminat-Vermischungspunkt auf 2 Gew.-% Al2O3 verdünnt. Die
resultierende Polyaluminiumsilicatmikrogellösung hatte ein Al2O3/SiO2-Molverhältnis von
etwa 1/10.
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Die
Apparatur wurde zur Herstellung von 450 Gallonen 1,7 gew.-%iger
Polyaluminiumsilicatmikrogellösung
mit einer Geschwindigkeit von 2,3 Gallonen pro Minute verwendet.
Für die
Mischzone wurde eine Reynolds-Zahl von 11700 berechnet. Es wurde
festgestellt, daß die
in der Mischzone auftretenden Siliciumdioxidablagerungen in warmer Ätznatronlösung löslich waren.
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Die
resultierende 1,7 gew.-%ige Polyaluminiumsilicatmikrogellösung wurde
1 und 5 Minuten nach dem Zusammenmischen der verdünnten Natriumsilicatlösung und
der Natriumaluminatlösung
mit Wasser auf 0,5 Gew.-% verdünnt,
um die Lösung
zu stabilisieren.
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Die
Leistung der Polyaluminiumsilicatmikrogellösung als Retentions- und Entwässerungsmittel
bei der Papierherstellung wurde durch Vergleich mit kolloidalem
5-nm-Siliciumdioxid unter Verwendung eines Papierausgangsmaterials,
das aus 35% gebleichtem Kraft-Hartholz, 35% gebleichtem Kraft-Weichholz
und 30% gefälltem
Calciumcarbonat bestand, demonstriert. Die Papierausgangsmaterialkonsistenz
betrug 0,3 Gew.-%, und der pH-Wert lag bei 8,0. Das Ausgangsmaterial
wurde in einem Britt Jar bei 750 U/Minute vermischt. Kationische
Kartoffelstärke
wurde zu dem Ausgangsmaterial mit einer Zugabegeschwindigkeit von
15 lb/t des Feststoffgehalts des Ausgangsmaterials zugegeben. Polyaluminiumsilicat,
das wie oben hergestellt worden war, wurde zu dem Ausgangsmaterial
mit einer Zugabegeschwindigkeit von 1 lb/t zugegeben. Als Kontrolle wurde
kolloidales 5-nm-Siliciumdioxid zu dem Ausgangsmaterial mit einer
Zugabegeschwindigkeit von 2 lb/t zugegeben. Die Reihenfolge und
der Zeitpunkt der Zugabe waren:
| Zeit
(Sekunden) | Schritt |
| 0 | Starte
Mischer |
| 15 | Gib
Stärke
zu |
| 30 | Gib
Siliciumdioxid zu |
| 45 | Stoppe
Mischer, leite an Mahlgradtester weiter. |
-
Nachdem
die Chemikalien zu dem Ausgangsmaterial zugegeben worden waren,
wurde der Mahlgrad des Ausgangsmaterials durch eine Canadian-Standard-Freeness-Apparatur
ermittelt; die Ergebnisse sind in der nachstehenden
-
Tabelle
2 gezeigt (Zugabegeschwindigkeiten sind als lb SiO2 pro
Tonne Ausgangsmaterialfeststoffe angegeben):
-
Tabelle
2 Mahlgrad
des Ausgangsmaterials
-
Wie
aus den obigen Daten ersichtlich ist, war, um den Mahlgrad zu erzielen,
nur etwa halb soviel von dem Siliciumdioxid in Form des Polyaluminiumsilicats
dieser Erfindung notwendig wie von dem Siliciumdioxid des Stands
der Technik.
