ES2980474T3

ES2980474T3 - Método para controlar las propiedades de la sílice biogénica

Info

Publication number: ES2980474T3
Application number: ES19765594T
Authority: ES
Inventors: Flavio Ernesto Ribeiro; Larry W Shipley; Leo Gingras
Original assignee: Kilt LLC
Current assignee: Kilt LLC
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2024-10-01
Anticipated expiration: 2039-08-26
Also published as: TWI861846B; EP3847132A1; MY204340A; TW202017862A; SA521421366B1; MX2021002523A; JP7407172B2; TW202332654A; US20200071170A1; CN112867694A; PH12021550364A1; AU2019336612A1; KR102854992B1; US20230227318A1; CA3111093A1; KR20210047353A; JP2021536426A; BR112021004227A2; EP3847132B1; WO2020051010A1

Abstract

La sílice amorfa porosa se puede obtener a partir de materia vegetal silícea que contiene sustancias inorgánicas no silíceas. La materia vegetal silícea se sumerge en una solución acuosa que incluye un agente quelante. El agente quelante está presente en una cantidad que ayuda a extraer al menos algo de la materia inorgánica no silícea. A continuación, la solución acuosa se separa de la materia vegetal silícea. Se imparten propiedades beneficiosas a la materia vegetal silícea controlando la cantidad de al menos una sustancia inorgánica no silícea preseleccionada en la materia vegetal silícea. Al final del proceso, la materia vegetal silícea se trata térmicamente en presencia de oxígeno a una temperatura para producir la sílice amorfa resultante que tiene las propiedades beneficiosas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método para controlar las propiedades de la sílice biogénica

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La invención divulgada y reivindicada se refiere a un método para controlar las propiedades de la sílice derivada biogénicamente. Con más particularidad, la invención expuesta en el presente documento se refiere a métodos para mejorar selectivamente las propiedades deseadas de la sílice amorfa recuperada del recurso renovable de plantas silíceas, incluyendo cascarillas, pedúnculos y hojas de arroz.

Descripción de la técnica relacionada

La sílice amorfa se fabrica, comercializa y utiliza actualmente con numerosos fines. Las patentes de EE. UU. n.° 6406678, 7270794 y 8057771, de Shipley, demuestran un proceso para recuperar sílice amorfa de fuentes biogénicas, tales como cascarillas de arroz. La sílice amorfa existe en la materia vegetal silícea en una estructura similar a una red, íntimamente entrelazada con diversos compuestos orgánicos, tales como celulosa, lignina, hemicelulosa y diversas materias inorgánicas que incluyen fosfatos, sales, geles, hidratos y óxidos. Las sustancias inorgánicas típicas en la composición de la cascarilla del arroz son elementos o diversos compuestos de fósforo, potasio, calcio, magnesio, manganeso, sodio, hierro, zinc y aluminio. La eliminación de estas sustancias orgánicas e inorgánicas mediante lavado o quelación seguido de tratamiento térmico deja sílice amorfa sustancialmente pura que tiene una alta porosidad (tal como existe en la materia vegetal) ha sido problemática. La eliminación de carbono e impurezas orgánicas comúnmente está incompleta si la materia vegetal se trata térmicamente a baja temperatura. El tratamiento térmico a cualquier temperatura no elimina comúnmente todo el carbono. El tratamiento térmico a cualquier temperatura tiene poco efecto sobre las impurezas inorgánicas. El tratamiento térmico a temperaturas más altas provoca que se funda la estructura de tipo reticular de la sílice, reduciendo su porosidad (el área de superficie efectiva por unidad de peso), el volumen de poro y el diámetro de poro, mientras atrapa las impurezas dentro de dicha estructura. El tratamiento térmico a temperaturas incluso más altas provoca una cristalización indeseable de la sílice. El tratamiento térmico solo hace poco para eliminar las impurezas inorgánicas. La eliminación posterior al tratamiento térmico de las impurezas inorgánicas de la sílice es problemática si la sílice se fundió durante el tratamiento térmico.

Las patentes de EE. UU. n.° 6406678, 7270794 y 8057771 divulgan un medio por el cual se puede extraer sílice amorfa de características seleccionadas (incluida la cantidad de carbono, impurezas inorgánicas y porosidad); también se pueden extraer lignina, hemicelulosa, azúcares derivados de celulosa y energía utilizable (energía renovable de bucle abierto) de la materia vegetal silícea, tal como cascarillas, paja y hojas de arroz, por medios que sean respetuosos con el medio ambiente (no carbonizan la atmósfera, tienen menos emisiones de azufre y óxido de nitrógeno y no implican el uso de productos químicos tóxicos o contaminantes).

La materia vegetal silícea se puede someter, de acuerdo con la naturaleza y calidad de los productos finales deseados, a remojo en agua, separación del agua de remojo y procesamiento de los sólidos para provocar la reducción de hidrocarburos y/o la eliminación de compuestos inorgánicos antes del tratamiento térmico. La lignina, la hemicelulosa y los azúcares derivados de celulosa se pueden recuperar del agua usada para remojar y/o empapar la materia vegetal silícea. El tratamiento térmico de los sólidos en presencia de oxígeno produce una ceniza silícea. Al variar las etapas antes del tratamiento térmico y la temperatura del tratamiento térmico, la ceniza silícea resultante puede no tener un contenido cristalino detectable o contener selectivamente más o menos sílice amorfa o cristalina, más o menos carbono, más o menos residuos inorgánicos y tener la porosidad deseada.

Las etapas de tratamiento previas al tratamiento térmico pueden incluir selectivamente: remojar en agua; retirar el agua de remojo; reducir los compuestos orgánicos de los sólidos empapándolos en una solución acuosa que contiene un soluto oxidante; extraer compuestos inorgánicos de los sólidos empapándolos en una solución acuosa que contiene agentes quelantes, ácidos minerales y/u orgánicos y enjuagar y secar dichos sólidos. A continuación, los sólidos restantes se tratan térmicamente de manera exotérmica en presencia de oxígeno, normalmente a una temperatura inferior a la que hace que se forme sílice cristalina. La eliminación de impurezas eleva considerablemente la temperatura a la que se forman las estructuras cristalinas. La energía del tratamiento térmico se puede capturar para su uso beneficioso, incluida la generación de energía eléctrica. Después del tratamiento térmico, la ceniza silícea resultante (que comprende sílice amorfa) se puede lavar con agua y/o someter a una variedad de enjuagues con quelatos y/o enjuagues químicos para eliminar incluso más impurezas. La lignina, la hemicelulosa y los azúcares derivados de celulosa se pueden recuperar del agua de remojo. Al eliminar la lignina, la hemicelulosa y los azúcares derivados de celulosa antes del tratamiento térmico, se reducen las emisiones de óxido de nitrógeno y azufre resultantes del tratamiento térmico.

El documento US 2006/222582 A1 describe un proceso para recuperar productos útiles y energía a partir de materia vegetal silícea. El documento US2010/061910 A1 describe un método de producción de sílice amorfa que comprende una etapa de preparación de residuos orgánicos que contienen óxido de silicio como material de partida, una etapa de inmersión de los residuos orgánicos en una solución acuosa de ácido carboxílico que tiene un grupo hidroxilo, una etapa de lavado de los residuos orgánicos en agua y una etapa de calentamiento de los residuos orgánicos en la atmósfera de aire. Chandrasekhar Set al.,"Effect of organic acid treatment on the properties of rice husk silica", Journal of Materials Science, 40, 24, 6535-6544, 2005 describe una investigación llevada a cabo en dos muestras de cascarilla de arroz de diferente origen que implican la lixiviación de la cascarilla con ácidos acético y oxálico.

Sumario de la invención

Se ha constatado que se pueden obtener las propiedades deseadas de la sílice amorfa derivada de fuentes biogénicas, tales como las cascarillas de arroz, manipulando la cantidad y la naturaleza de las impurezas en la materia vegetal antes del tratamiento térmico. Mediante la selección de la cantidad y el tipo de agentes fundentes retenidos en la materia vegetal se puede producir una sílice amorfa que tenga las propiedades deseadas de área de superficie, volumen de poro, dimensión de poro, abrasividad y dispersabilidad.

La presente invención está definida por las reivindicaciones adjuntas. La sílice amorfa porosa se produce a partir de materia vegetal silícea que contiene materia inorgánica no silícea empapando primero la materia vegetal silícea en una solución acuosa que comprende un agente quelante presente en una cantidad suficiente para extraer al menos parte de la materia inorgánica no silícea. La solución acuosa se separa de la materia vegetal silícea y la cantidad de al menos una sustancia inorgánica no silícea preseleccionada en dicha materia vegetal silícea se manipula controlando la cantidad del agente quelante, introduciendo ácidos minerales en dicha materia vegetal silícea o mezclando la cantidad deseada de materia inorgánica no silícea preseleccionada en la materia vegetal silícea, de modo que la cantidad de la sustancia inorgánica no silícea preseleccionada que queda en la materia vegetal se establece en una cantidad preseleccionada de 20 ppm a 25000 ppm, dicha cantidad preseleccionada de la al menos una sustancia inorgánica no silícea preseleccionada seleccionada para controlar el área de superficie de la sílice amorfa porosa obtenida después del tratamiento térmico dentro del intervalo de 10 m2/g y 450 m2/g, incluyendo la sustancia inorgánica no silícea preseleccionada elementos o compuestos de metales alcalinos, metales alcalinotérreos, aluminio, boro, hierro, manganeso, titanio y/o fósforo. Finalmente, la materia vegetal silícea se trata térmicamente en presencia de oxígeno a una temperatura en el intervalo de 200 °C a 1000 °C, en donde la sílice resultante está compuesta por sílice de forma amorfa porosa.

El proceso descrito en el presente documento está dirigido al uso beneficioso de materia vegetal silícea, tal como cascarillas de arroz, paja y hojas, para producir una variedad de productos, tales como sílice, lignina y hemicelulosa, azúcares derivados de celulosa y energía utilizable, por medios que no carbonizan la atmósfera, tienen menos emisiones de óxido nitroso y azufre y no emplean el uso de productos químicos contaminantes agresivos.

En el proceso reivindicado para producir sílice amorfa a partir de materia vegetal silícea que contiene materia inorgánica no silícea, la materia vegetal silícea se empapa en una solución acuosa que comprende un agente quelante. El agente quelante está presente en una cantidad que extrae al menos parte de dicha materia inorgánica no silícea. La solución acuosa se separa de la materia vegetal silícea. Entonces, la materia vegetal silícea se trata térmicamente en presencia de oxígeno para que la sílice resultante esté en una forma amorfa. La eliminación de dichos compuestos inorgánicos se puede controlar mediante la cantidad de agentes quelantes, ácidos minerales y otras variables, tales como la temperatura, el tiempo y el proceso de eliminación con lavado. Para un contenido final de sustancias inorgánicas dado en la matriz de sílice, la temperatura de tratamiento térmico se puede manipular para proporcionar un área de superficie específica, características de poro y dispersabilidad de la sílice.

La presente invención proporciona ventajas sobre los métodos anteriores para producir sílice biogénica. Al evaluar la cantidad de sustancias inorgánicas no silíceas presentes en una materia prima dada, se puede predeterminar la cantidad de agentes quelantes necesarios para lograr una concentración de impurezas específica. La presente invención proporciona una reducción más eficiente y posiblemente mayor de sustancias inorgánicas no silíceas en la etapa de quelación. La presente invención se puede usar para crear una variedad de productos de sílice amorfa con diversas áreas de superficie específicas controladas, volúmenes de poro, dimensiones de poro, abrasividad y dispersabilidad controlando el nivel de sustancias inorgánicas no silíceas (que actúan como agentes fundentes durante el tratamiento térmico y dan como resultado el colapso de la matriz de sílice) en la fuente biogénica para un valor de temperatura de tratamiento térmico fijo. La presente invención se puede usar para crear una variedad de productos de sílice con diversas áreas de superficie específicas, volúmenes de poro, dimensiones de poro, abrasividad y dispersabilidad mediante el control de la temperatura de tratamiento térmico en presencia de oxígeno. La presente invención permite el tratamiento posterior de la sílice para reducir aún más el contenido de sustancias inorgánicas.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un gráfico que muestra los resultados de un experimento para determinar la capacidad de controlar el área de superficie de sílice biogénica controlando el contenido total de sustancias inorgánicas no silíceas (agentes fundentes) retenidas en la composición de cascarilla de arroz.

La figura 2 es un gráfico que muestra los resultados de un experimento para determinar la capacidad de controlar las características de poro de la sílice biogénica controlando las sustancias inorgánicas no silíceas (agentes fundentes) retenidas en la composición de cascarilla de arroz.

Realización preferida de la invención

La presente invención está definida por las reivindicaciones adjuntas.

La sílice amorfa porosa se puede obtener a partir de materia vegetal silícea que contiene materia inorgánica no silícea. En la práctica anterior, la materia inorgánica no silícea se eliminaría durante una etapa de empapamiento y quelación. Se ha constatado que, si parte de la materia inorgánica no silícea se retiene preferiblemente dentro de la materia vegetal antes del tratamiento térmico, se pueden impartir propiedades preferidas a la sílice amorfa resultante.

En el método de la invención, la materia vegetal silícea se empapa en una solución acuosa que comprende un agente quelante. El agente quelante está presente en una cantidad que extrae al menos parte de la materia inorgánica no silícea. Entonces, la solución acuosa se separa de la materia vegetal silícea. Las propiedades beneficiosas se imparten a la materia vegetal silícea controlando la cantidad de al menos una sustancia inorgánica no silícea preseleccionada en la materia vegetal silícea. Al final del proceso, la materia vegetal silícea se trata térmicamente en presencia de oxígeno a una temperatura en el intervalo de 200 °C a 1000 °C, en donde la sílice resultante está compuesta por sílice de forma amorfa porosa.

Las sustancias inorgánicas no silíceas preseleccionadas incluyen cualquiera o todos los siguientes materiales: elementos o compuestos de metales alcalinos (más preferiblemente, de litio, sodio y potasio), metales alcalinotérreos (más preferiblemente, magnesio y calcio), aluminio, boro, hierro, manganeso, titanio o fósforo.

Un método para controlar la cantidad de la sustancia inorgánica no silícea preseleccionada es controlar la cantidad de agentes quelantes en la materia silícea. Los agentes quelantes adecuados incluyen ácido cítrico, ácido acético, etilendiamina, ácido etilendiaminotetraacético, ácido dimercaptosuccínico, ácido trimetilaminotricarboxílico, ácido alfalipoico y ácido dietilentriaminopentaacético. Preferiblemente, la cantidad de agente quelante se mantiene entre 0,001 kg por kg de materia vegetal y 1 kg por kg de materia vegetal. En el caso de un agente quelante de ácido cítrico, la cantidad de ácido cítrico oscila preferiblemente entre 0,01 kg por kg de materia vegetal y 0,1 kg por kg de materia vegetal. Al controlar la cantidad de agente quelante presente en el material vegetal, la cantidad de sustancias inorgánicas no silíceas que quedan en la materia vegetal se puede establecer en una cantidad preseleccionada suficiente para impartir las propiedades deseadas a la sílice resultante del tratamiento térmico de la materia vegetal.

Un método alternativo para controlar la cantidad de la sustancia inorgánica no silícea preseleccionada es introducir ácidos minerales para interactuar con la materia vegetal silícea. Los ácidos minerales adecuados incluyen ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido clorhídrico, ácido fosfórico, ácido bórico y ácido perclórico. Los ácidos minerales ayudarán a extraer algunas de las sustancias inorgánicas no silíceas, quedando una porción en la materia vegetal. Las sustancias inorgánicas no silíceas restantes se seleccionan para impartir las propiedades deseadas a la sílice resultante del tratamiento térmico de la materia vegetal.

Un método adicional para controlar la cantidad de la sustancia inorgánica no silícea preseleccionada es controlar la cantidad de agente quelante añadido a la solución acuosa cuando se empapa la materia vegetal. Se ha constatado que la cantidad de las sustancias no silíceas inorgánicas preseleccionadas se puede manipular dentro de un intervalo de 20 ppm a 25000 ppm y, más preferiblemente, dentro de un intervalo de 300 ppm y 15000 ppm, controlando la cantidad de agente quelante añadido a la solución acuosa.

Un método adicional para controlar la cantidad de la sustancia inorgánica no silícea preseleccionada es volver a añadir a la materia vegetal una cantidad deseada de una sustancia inorgánica no silícea preseleccionada en una cantidad suficiente para impartir las propiedades deseadas a la sílice una vez que la materia vegetal se haya tratado térmicamente.

Se ha constatado que los metales alcalinos (más específicamente, litio, sodio y potasio) tienen una fuerte influencia en las propiedades de la sílice; una mayor cantidad de estos metales alcalinos da como resultado una disminución del área de superficie y el volumen de poro, en comparación con un control. También se ha constatado que los metales alcalinotérreos (más específicamente, magnesio y calcio) tendrán una influencia moderada en las propiedades de la sílice; una mayor cantidad de esos elementos también dará como resultado una disminución del área de superficie y el volumen de poro. Finalmente, se ha constatado que otras impurezas inorgánicas típicas no influirán en las propiedades de la sílice (más específicamente, boro, zinc, aluminio, manganeso, fósforo y hierro).

Una propiedad de la sílice amorfa que se controla usando el método de la presente invención es el área de superficie de la sílice. Se ha constatado que el área de superficie de la sílice amorfa se puede controlar dentro de un intervalo estrecho dentro del intervalo más amplio de 10 m2/g y 450 m2/g y, más preferiblemente, dentro de un intervalo estrecho dentro del intervalo más amplio de 30 m2/g y 400 m2/g.

Otra propiedad de la sílice amorfa que se puede controlar usando el método de la presente invención es el volumen de poro de la sílice. Se ha constatado que el volumen de poro de la sílice amorfa se puede controlar en un intervalo estrecho dentro del intervalo más amplio de 0,50 cm3/g y 0,05 cm3/g y, más preferiblemente, dentro de un intervalo estrecho dentro del intervalo más amplio de 0,40 cm3/g y 0,10 cm3/g.

Una propiedad adicional de la sílice amorfa que se puede controlar usando el método de la presente invención es el diámetro de poro de la sílice. Se ha constatado que el diámetro de poro de la sílice amorfa se puede controlar en un intervalo estrecho dentro del intervalo más amplio de 10 Angstroms y 200 Angstroms y, más preferiblemente, dentro de un intervalo estrecho dentro del intervalo más amplio de 30 Angstroms y 100 Angstroms.

Se ha constatado que el contenido de sustancias inorgánicas no silíceas en la sílice tratada térmicamente se puede controlar en un intervalo dentro del intervalo de 10 ppm y 1000 ppm y, más preferiblemente, en un intervalo dentro del intervalo de 100 ppm y 500 ppm, lavando posteriormente la sílice con al menos uno de agua, ácidos minerales, quelantes y productos químicos de ajuste de pH.

La temperatura de tratamiento térmico de la invención está en el intervalo de 200 °C a 1000 °C.

Determinados aspectos de la invención se demuestran en los experimentos siguientes.

Experimento 1

Se realizaron varias pruebas usando sistemas de mezcla idénticos compuestos por un mezclador mecánico de entrada superior, una placa caliente (preferiblemente con retroalimentación de temperatura) y un vaso de precipitados de 2 litros de capacidad. Una prueba fue un control y las otras pruebas usaron diferentes concentraciones de agente quelante de ácido cítrico. El procedimiento de prueba fue el siguiente:

1. Cada vaso de precipitados se llenó con 1800 ml de agua destilada a 71,11 °C (160 °F).

2. Se añadieron 100 gramos de cascarillas de arroz molidas de 60 mesh (del mismo lote de muestras) a cada vaso de precipitados y los mezcladores se pusieron en funcionamiento a velocidades idénticas. Las placas calientes se ajustaron al mismo nivel (bajo) de calentamiento o, si tienen un mecanismo de retroalimentación, se ajustaron a 71,11 °C (160 °F).

3. El lote de control se filtró para eliminar el agua, se secó posteriormente a 50 °C y se trató térmicamente a 600 °C. La sílice se analizó para determinar el contenido de elementos inorgánicos.

4. Los otros lotes se trataron con mayores cantidades de una solución al 10% de ácido cítrico mientras se dejaba tiempo para la quelación adecuada, seguido de una secuencia de ciclos de empapamiento y drenaje de agua purificada. Se añadió una solución de peróxido de hidrógeno al 30 % en el ciclo anterior al lavado final. El material de las pruebas se filtró para eliminar el agua, se secó posteriormente a 50 °C y se trató térmicamente a 600 °C. La sílice se analizó para determinar el contenido de elementos inorgánicos.

Una vez que se analizaron las muestras de cascarilla tratadas en busca de elementos inorgánicos residuales a través de ICP, se compararon las tasas de eliminación relativas de cada tratamiento. Los resultados de la comparación se presentan en la tabla 1 a continuación:

TABLA 1

Como se muestra en la tabla 1, mayores cantidades de ácido cítrico mejorarán la eliminación de sustancias inorgánicas. La eliminación se puede modelar asumiendo que 1 mol de ácido cítrico quelará 1 mol del elemento. Por lo tanto, se puede lograr una concentración específica de elementos inorgánicos, en particular, elementos fundentes (tales como K, Na, Ca, Mg) que afectarán a las propiedades del producto de sílice final, tales como el área de superficie, el volumen de poro, el diámetro de poro y la dispersabilidad, con una cantidad específica de concentración de ácido cítrico, para una materia prima dada.

Experimento 2

Se realizó un experimento para determinar otras formas de reducir aún más las sustancias inorgánicas en la etapa de quelación. Se realizaron cuatro pruebas usando sistemas de mezcla idénticos compuestos por un mezclador mecánico de entrada superior, una placa caliente (preferiblemente con retroalimentación de temperatura) y un vaso de precipitados de 2 litros de capacidad. Una prueba fue un control y las otras pruebas usaron agentes quelantes de ácido cítrico en las mismas concentraciones. Una prueba tenía la introducción de un ácido mineral durante la quelación y la otra prueba tenía la introducción de un ácido mineral en una etapa de empapamiento antes de la etapa de quelación para reducir aún más el pH de la solución. El procedimiento de prueba fue el siguiente:

4. El segundo lote se trató con una solución al 10 % de ácido cítrico dando tiempo para la quelación adecuada, seguido de una secuencia de ciclos de empapamiento y drenaje de agua purificada. Se añadió una solución de peróxido de hidrógeno al 30 % en el ciclo anterior al lavado final. El material de las pruebas se filtró para eliminar el agua, se secó posteriormente a 50 °C y se trató térmicamente a 600 °C. La sílice se analizó para determinar el contenido de elementos inorgánicos.

5. El tercer lote se trató con una solución al 10 % de ácido nítrico, al 50 % del total de peróxido de hidrógeno al 30 % y una solución al 10 % de ácido cítrico dando tiempo para una quelación adecuada, seguido de una secuencia de ciclos de empapamiento y drenaje de agua purificada. Se añadió el 50 % restante de la solución de peróxido de hidrógeno al 30 % en el ciclo anterior al lavado final. El material de las pruebas se filtró para eliminar el agua, se secó posteriormente a 50 °C y se trató térmicamente a 600 °C. La sílice se analizó para determinar el contenido de elementos inorgánicos.

6. El cuarto lote se trató con una solución al 10 % de ácido nítrico y al 50 % del peróxido de hidrógeno total en una etapa de empapamiento inicial. Esta etapa de empapamiento se realizó antes de la quelación. El empapamiento fue seguido por una etapa de quelación con una solución de ácido cítrico al 10 % y una secuencia de ciclos de empapamiento y drenaje de agua purificada. Se añadió el 50 % restante de la solución de peróxido de hidrógeno al 30 % en el ciclo anterior al lavado final. El material de las pruebas se filtró para eliminar el agua, se secó posteriormente a 50 °C y se trató térmicamente a 600 °C. La sílice se analizó para determinar el contenido de elementos inorgánicos.

Una vez que se analizaron las muestras de cascarilla tratadas en busca de impurezas de elementos inorgánicos residuales a través de ICP, se compararon las tasas de eliminación relativas de cada tratamiento. Los resultados de la comparación se presentan en la tabla 2 a continuación:

TABLA 2

Como se muestra en la tabla 2, la adición de un ácido mineral para promover un cambio de pH en el proceso de quelación o en un proceso de empapamiento previo a la quelación aumentó las cantidades de sustancias inorgánicas eliminadas de las cascarillas de arroz. Se observa que el ácido cítrico tampona el pH de la solución a 3 y el ácido mineral promoverá una reducción adicional a un pH de 2 en este ejemplo. Con los resultados de la prueba, es posible ver que se puede lograr una purificación adicional de una sílice mediante diversos métodos de lavado, con o sin agentes químicos, y en intervalos de temperatura.

Experimento 3

Se realizó un experimento para determinar la capacidad de controlar el área de superficie, las características de poro y la dispersabilidad controlando el nivel de agentes fundentes en la composición de cascarilla de arroz. En la práctica actual, el objetivo es eliminar las sustancias inorgánicas que pueden actuar como agentes fundentes lo más completamente posible antes de la combustión con el fin de producir una gran área de superficie y una buena dispersabilidad. Controlar el nivel de sustancias inorgánicas que quedan en las cascarillas de arroz proporcionará menores áreas de superficie más y mayores grados de abrasividad. Debido a que las cualidades de la sílice también se pueden ver afectadas por las temperaturas de combustión, se usó una temperatura de combustión de 600 °C para todas las evaluaciones.

Se trataron térmicamente a 600 °C varias muestras de varios lotes con diferentes concentraciones de impurezas de elementos inorgánicos, que pueden actuar como agentes fundentes (expresadas por la suma de Na, K, Ca y Mg). Se analizaron los agentes fundentes (Na, K, Ca y Mg), el área de superficie y el volumen de poro de la sílice. Los resultados se trazaron en los gráficos que se muestran en las figuras 1 y 2.

Con los resultados de la prueba, es posible ver que las propiedades de la sílice, tales como el área de superficie, el volumen de poro y el diámetro de poro, que conducen a otras propiedades importantes, tales como la dispersabilidad y la abrasividad, se pueden obtener con una concentración específica de elemento de agente fundente a una temperatura de tratamiento térmico dada.

Experimento 4

Se realizó un experimento para evaluar los cambios en el área de superficie, el volumen de poro y el diámetro de poro de un lote dado de cascarillas de arroz tratadas, con un contenido de nivel de agente fundente específico (expresado por la suma de Na, K, Ca y Mg). El lote de cascarilla de arroz tratado se trató térmicamente a cuatro temperaturas diferentes y los resultados se muestran en la tabla 3 a continuación:

TABLA 3

Con los resultados de las pruebas, es posible ver que una cascarilla de arroz tratada dada producirá diferentes resultados de volumen de poro, área de superficie y diámetro de poro en diferentes temperaturas de tratamiento térmico, pudiendo manipularse para una propiedad deseada del producto final específico.

Experimento 5

Se realizó un experimento para evaluar el efecto del lavado posterior de la sílice para eliminar además los metales y lograr mayores grados de purificación.

Se realizaron varias pruebas usando sistemas de mezcla idénticos compuestos por un imán, una placa caliente (preferiblemente con retroalimentación de temperatura) y un vaso de precipitados de 500 ml de capacidad. Una prueba fue un control y las otras pruebas usaron diferentes concentraciones de quelante de ácido cítrico. El procedimiento de prueba fue el siguiente: 1234

1. Cada vaso de precipitados se llenó con 300 ml de agua destilada a 71,11 °C (160 °F).

2. Se añadieron 30 gramos sílice (del mismo lote de muestras) a cada vaso de precipitados y los mezcladores se pusieron en funcionamiento a velocidades idénticas. Las placas calientes se ajustaron al mismo nivel (bajo) de calentamiento o, si tienen un mecanismo de retroalimentación, se ajustaron a 71,11 °C (160 °F).

3. Se analizó la sílice de control para determinar el contenido de metales.

4. Los otros lotes se trataron con cantidades mayores de una solución al 10 % de ácido cítrico, seguido de uno de los ciclos de empapamiento y drenaje de agua purificada. El material de las pruebas se filtró para eliminar el agua y se secó posteriormente a 50 °C. La sílice se analizó para determinar el contenido de impurezas de elementos inorgánicos.

Los resultados de la comparación se presentan en la tabla 4 a continuación:

TABLA 4

Estos resultados de prueba muestran que es posible reducir aún más las sustancias inorgánicas residuales en la sílice, creando por tanto niveles de impurezas para cada requisito de aplicación de mercado.

Experimento 6

Se realizaron varias pruebas usando un procedimiento para reintroducir el elemento inorgánico deseado en una muestra de cascarilla de arroz pretratada de control donde se habían eliminado la mayoría de los contaminantes inorgánicos. El contaminante inorgánico, generalmente de una solución salina con una concentración dada, se roció sobre una muestra de cascarilla de arroz seca con agitación vigorosa para la incorporación y humectación completas de las cascarillas de arroz. Las concentraciones del contaminante deseado se calcularon basándose en la cantidad elemental en cada solución y la cantidad de sílice en cada muestra de cascarilla de arroz. La humectación se calculó de tal manera que las cascarillas de arroz fueran capaces de absorber todo el exceso de agua para que la distribución de la impureza elemental fuera uniforme.

Las muestras húmedas se secaron posteriormente en un horno y luego se calcinaron a diferentes temperaturas para evaluar el área de superficie y los volúmenes de poro. Los resultados de los experimentos se presentan a continuación: Se incorporó una solución de hidróxido de litio en una muestra de cascarilla de arroz de control con tres objetivos de concentración diferentes medidos en la muestra de sílice calcinada: 1000 ppm, 2000 ppm y 3000 ppm. Los resultados de este experimento se presentan en la tabla 5 a continuación:

TABLA 5

Los resultados en la tabla 5 muestran que las cantidades mayores de litio en la cascarilla de arroz tuvieron un efecto significativo en la disminución del área de superficie y el volumen de poro de la muestra de sílice calcinada.

Se incorporó una solución de hidróxido de potasio en una muestra de cascarilla de arroz de control con tres objetivos de concentración diferentes medidos en la muestra de sílice calcinada: 1000 ppm, 2000 ppm y 3000 ppm. Los resultados de este experimento se presentan en la tabla 6 a continuación:

TABLA 6

Los resultados en la tabla 6 muestran que la mayor cantidad de potasio en la cascarilla de arroz tuvo un efecto significativo en la disminución del área de superficie y el volumen de poro de la muestra de sílice calcinada.

Se incorporaron soluciones de hidróxido de sodio y sulfato de sodio en una muestra de cascarilla de arroz de control con tres objetivos de concentración diferentes medidos en la muestra de sílice calcinada: 1000 ppm, 2000 ppm y 3000 ppm. Los resultados de este experimento se presentan en la tabla 7 a continuación:

TABLA 7

Los resultados en la tabla 7 muestran que la mayor cantidad de sodio en la cascarilla de arroz tuvo un efecto significativo en la disminución del área de superficie y el volumen de poro de la muestra de sílice calcinada.

Se incorporó una solución de óxido de calcio en una muestra de cascarilla de arroz de control con tres objetivos de concentraciones diferentes medidos en la muestra de sílice calcinada: 1000 ppm, 2000 ppm y 3000 ppm. Los resultados de este experimento se presentan en la tabla 8 a continuación:

TABLA 8

Los resultados en la tabla 8 muestran que la mayor cantidad de calcio en la cascarilla de arroz tuvo un efecto moderado en la disminución del área de superficie y el volumen de poro de la muestra de sílice calcinada.

Se incorporó una solución de sulfato de magnesio en una muestra de cascarilla de arroz de control con tres objetivos de concentraciones diferentes medidos en la muestra calcinada: 1000 ppm, 2000 ppm y 3000 ppm. Los resultados de este experimento se presentan en la tabla 9 a continuación:

TABLA 9

Los resultados en la tabla 9 muestran que la mayor cantidad de magnesio en la cascarilla de arroz tuvo un efecto moderado en la disminución del área de superficie y el volumen de poro de la muestra de sílice calcinada.

Se incorporaron soluciones de ácido bórico y sulfato de zinc en una muestra de cascarilla de arroz de control con tres objetivos de concentración diferentes medidos en la muestra calcinada: 1000 ppm, 2000 ppm y 3000 ppm Los resultados de este experimento se presentan en la tabla 10 a continuación:

TABLA 10

Los resultados en la Tabla 10 muestran que las cantidades mayores de boro y zinc en la cascarilla de arroz tuvieron algún efecto sobre el área de superficie y el volumen de poro, aunque los resultados no indicaron ninguna tendencia. Se incorporaron soluciones de sulfato de aluminio y sulfato de manganeso en una muestra de cascarilla de arroz de control con tres objetivos de concentraciones diferentes medidos en la muestra calcinada: 1000 ppm, 2000 ppm y 3000 ppm. Los resultados de este experimento se presentan en la tabla 11 a continuación:

TABLA 11

Los resultados en la tabla 11 muestran que el aluminio y el manganeso no tienen un impacto en las propiedades de la sílice calcinada.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un proceso para la producción de sílice amorfa porosa a partir de materia vegetal silícea que contiene materia inorgánica no silícea que comprende las etapas de:

a) empapar dicha materia vegetal silícea en una solución acuosa que comprende un agente quelante en donde dicho agente quelante está presente en una cantidad que extrae al menos parte de dicha materia inorgánica no silícea;

b) separar la solución acuosa de dicha materia vegetal silícea;

c) manipular la cantidad de al menos una sustancia inorgánica no silícea preseleccionada en dicha materia vegetal silícea controlando la cantidad del agente quelante, introduciendo ácidos minerales en dicha materia vegetal silícea o mezclando la cantidad deseada de materia inorgánica no silícea preseleccionada en la materia vegetal silícea, de modo que la cantidad de la sustancia inorgánica no silícea preseleccionada que queda en la materia vegetal se establece en una cantidad preseleccionada de 20 ppm a 25000 ppm, dicha cantidad preseleccionada de la al menos una sustancia inorgánica no silícea preseleccionada seleccionada para controlar el área de superficie de la sílice amorfa porosa obtenida después del tratamiento térmico dentro del intervalo de 10m 2/g y 450 m2/g, incluyendo la sustancia inorgánica no silícea preseleccionada elementos o compuestos de metales alcalinos, metales alcalinotérreos, aluminio, boro, hierro, manganeso, titanio y/o fósforo; y

d) tratar térmicamente dicha materia vegetal silícea en presencia de oxígeno a una temperatura en el intervalo de 200 °C a 1000 °C, en donde la sílice resultante está compuesta por sílice de forma amorfa porosa.

2. El proceso de la reivindicación 1, en donde la manipulación de la cantidad de la al menos una sustancia inorgánica no silícea preseleccionada en dicha materia vegetal silícea se realiza controlando la cantidad del agente quelante.

3. El proceso de la reivindicación 1 o 2, en donde el agente quelante se selecciona del grupo que consiste en ácido cítrico, ácido acético, etilendiamina, ácido etilendiaminotetraacético, ácido dimercaptosuccínico, ácido trimetilaminotricarboxílico, ácido alfalipoico y ácido dietilentriaminopentaacético.

4. El proceso de la reivindicación 3, en donde la cantidad de agente quelante es de 0,001 kg por kg de materia vegetal a 1 kg por kg de materia vegetal, opcionalmente, en donde el agente quelante es ácido cítrico y la cantidad de ácido cítrico es de 0,01 kg por kg de materia vegetal a 0,1 kg por kg de materia vegetal.

5. El proceso de la reivindicación 1, en donde la manipulación de la cantidad de la al menos una sustancia inorgánica no silícea preseleccionada en dicha materia vegetal silícea se realiza introduciendo ácidos minerales en dicha materia vegetal silícea, opcionalmente en donde los ácidos minerales se seleccionan del grupo que consiste en ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido clorhídrico, ácido fosfórico, ácido bórico y ácido perclórico.

6. El proceso de la reivindicación 1, en donde la manipulación de la cantidad de la al menos una sustancia inorgánica no silícea preseleccionada en la materia vegetal silícea se realiza mezclando la cantidad deseada de materia inorgánica no silícea preseleccionada en la materia vegetal silícea.

7. El proceso de la reivindicación 1, en donde el área de superficie de dicha sílice amorfa se controla en un intervalo dentro del intervalo de 30 m2/g y 400 m2/g controlando la cantidad de dichas sustancias inorgánicas no silíceas preseleccionadas y/o la temperatura de tratamiento térmico.

8. El proceso de la reivindicación 1, en donde la cantidad de sustancias inorgánicas no silíceas en la materia vegetal silícea se controla en un intervalo dentro del intervalo de 300 ppm y 15000 ppm.

9. El proceso de la reivindicación 1, en donde el contenido de sustancias inorgánicas no silíceas en la sílice tratada térmicamente se controla en un intervalo dentro del intervalo de 10 ppm y 1000 ppm lavando posteriormente la sílice con al menos uno de agua, ácidos minerales, quelantes y productos químicos de ajuste de pH.

10. El proceso de la reivindicación 9, en donde el contenido de sustancias inorgánicas no silíceas en la sílice tratada térmicamente se controla en un intervalo dentro del intervalo de 100 ppm y 500 ppm lavando posteriormente la sílice con al menos uno de agua, ácidos minerales, quelantes y productos químicos de ajuste de pH.

11. El proceso de la reivindicación 1, en donde dicha materia inorgánica no silícea preseleccionada en la materia vegetal silícea comprende al menos uno de litio, sodio, potasio, magnesio, calcio, aluminio, boro, hierro, manganeso, titanio o fósforo.