JP3442120B2 - シリカヒドロゲルを洗浄する方法 - Google Patents

シリカヒドロゲルを洗浄する方法

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和宏 高菅
忠行 赤崎
修 中村
昭義 河野
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、各種ゴムの補強剤、塗
料の艶消し、粘度調整剤、ビール等の濾過剤、樹脂のア
ンチブロッキング剤、その他、吸着剤、分離剤、触媒等
として産業上有用なシリカを製造する際に、必須の工程
であるシリカヒドロゲルを洗浄する方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】シリカはアルカリ金属ケイ酸塩水溶液と
鉱酸の中和反応によって製造することができ、その製造
方法は湿式法と呼ばれている。湿式法は中性またはアル
カリ性で反応させ比較的濾過し易い沈澱ケイ酸を得る沈
澱法と、酸性で反応させゲル状のケイ酸を得るゲル法と
に分類される。なおシリカの製法としては、乾式法とし
て四塩化ケイ素を酸素/水素炎下で加水分解する乾式法
シリカ(またはフュームドシリカ)の製法も知られてい
る。
【0003】湿式法における沈澱法は、例えば、特公昭
39−1207号等に開示されており、中和反応によっ
て構造性を有するように一次粒子を成長させて得られた
沈澱ケイ酸は、水洗、乾燥および粉砕されて製品とな
り、この方法によって得られた沈澱法シリカは主として
汎用のゴム補強剤、農薬の担体、塗料の艶消し剤、粘度
調整剤として使用されている。
【0004】これに対し同じく湿式法のゲル法は、例え
ば、USP2466842号等に開示されており、酸性
反応によって得られたゲル状のケイ酸(シリカヒドロゲ
ルと呼ぶ)を水洗、乾燥後、粉砕してゲル法シリカが得
られる。このゲル法シリカは、沈澱法シリカに比べて一
般に構造性が高く、高シェアー下においてもその構造性
を保つので、合成皮革、プラスチック等のコーティング
の分野、ビール濾過剤、樹脂フィルムのアンチブロッキ
ング剤、吸着剤、分離剤、触媒として使用されている。
【0005】本発明は、上記ゲル法によるシリカヒドロ
ゲルの製造において必須として行なわれる洗浄に関する
ものであり、従来のこの洗浄法の具体的例としては、例
えばUSP2466842号により連続的に水を流し3
6〜48hrsかけて洗浄する方法が開示され、また、
特公昭43−7012号によりアンモニア水で洗浄する
方法、および稀硫酸で洗浄する方法が開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ゲル法によ
ってシリカヒドロゲルを製造する場合には、硫酸過剰で
ケイ酸ソーダと硫酸を反応させるので、反応で得られた
シリカヒドロゲルには副生する硫酸ナトリウムの他に多
量の硫酸が含まれている。そこでこれらを除去する目的
で水洗が必要となるのであるが、洗浄のために多量の水
を使用して時間をかけて洗浄しなければならないという
問題があり、水量が少ないと硫酸等の除去が不十分とな
って、低電気伝導度の品質のものが得られない。また、
多量の水を用いて洗浄すると、硫酸や硫酸ナトリウムは
除去できたとしても、洗浄中のシリカヒドロゲルの性質
が変化し、その結果、目的の物性を有するシリカを製造
できないという問題が知見された。
【0007】本発明者等は、上記のような問題を改善す
るためにシリカヒドロゲルの洗浄方法について鋭意研究
した。その結果、洗浄と、得られるシリカの物性との間
には関連があり、洗浄法をコントロールすれば、安定し
た物性の高品質のシリカをしかも比較的少量の洗浄水で
洗浄して製造できることを見出し、本発明を完成するに
至った。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明のシリカヒドロゲ
ルの洗浄方法は、硫酸と硫酸ナトリウムを含むシリカヒ
ドロゲルを洗浄して、それらを含まないシリカヒドロゲ
ルを製造するに当たり、酸性反応により得られたシリカ
ヒドロゲルを、電気伝導度が5000μS/cm以上の
水で洗浄する工程、電気伝導度が500〜5000μS
/cmの水で洗浄する工程、及び電気伝導度が500μ
S/cm以下の水で洗浄する工程をこれらの順序で行な
い、かつ洗浄する各工程をバッチ法で行なうことを特徴
とし、ゲル法シリカの製造工程中における洗浄法として
好適に用いられる。
【0009】以下、本発明を詳細に説明する。
【0010】本発明が適用されるゲル法シリカの製造法
としては、混合ノズル用いてケイ酸ソーダ水溶液と硫酸
水溶液を硫酸過剰下一定の比率で連続的に反応させる方
法、あるいは撹拌機を備えた反応槽に硫酸過剰下ケイ酸
ソーダ水溶液と硫酸水溶液を同時に供給する方法、硫酸
水溶液にケイ酸ソーダ水溶液を滴下する方法等を挙げる
ことができる。これらの反応法のいずれの場合も、反応
直後は、透明なシリカのゾルが生成するが、次第にゾル
粒子の凝集が起り、数分から数時間の間にヒドロゲルに
変化する。過剰硫酸量はヒドロゲル化する時間に影響す
るが、製品のシリカの物性にも影響するので、反応液の
pHが0.5〜3が好ましい。pHが3を越えるとヒド
ロゲル化が早く、ハンドリングが難しくなるばかりか、
品質の制御も難しくなる。また、pHが0.5よりも低
すぎるとヒドロゲル化に長時間を要する。
【0011】ケイ酸ソーダ水溶液の濃度は好ましくは1
0〜29%、硫酸水溶液の濃度は、好ましくは35〜4
5%であり、いずれもこれらの濃度に限定されないが、
これらの濃度を越えて使用すると、反応中の溶液の粘度
が上昇し、操作上困難となる傾向が現われ、また、これ
らの濃度より低い濃度で使用すると、反応中のゲル化を
コントロールすることが非常に難しくなる傾向が現われ
るので、上記範囲とすることがよい。
【0012】温度は、好ましくは10〜70℃である。
より好ましくは、30〜60℃である。温度が高くなる
と細孔分布に影響がでるので好ましくはない。また、温
度が低くなると洗浄効率が悪くなり好ましくない。
【0013】反応後、ヒドロゲル化が進行すると次第に
固化して硬くなり、離奨水と呼ばれる液が分離してく
る。反応によって生成した硫酸ナトリウムや過剰の硫酸
は、その一部が離奨水として分離するものの、ほとんど
はヒドロゲル中に閉じ込められる。従って、シリカの製
造に際してはシリカヒドロゲルに介在する硫酸および硫
酸ナトリウムを除く必要があり、このために洗浄が必須
とされる。なお上記離奨水とは、反応後の全体としてほ
ぼ固まったシリカヒドロゲルの表面や反応容器壁面との
間にごく僅かにじみでる水をいう。
【0014】本発明においては、洗浄に当たり、上記離
奨水を除去しあるいは除去することなく粗砕する。シリ
カヒドロゲルの粒度に特に制限はないが、1〜30mm
が良い。大きすぎると洗浄するのに時間を要し、小さす
ぎると通液しにくい。
【0015】洗浄方法は特に重要であり、硫酸および硫
酸ナトリウムを多量に含むシリカヒドロゲルを、純水あ
るいはそれに近い浄水でいきなり水洗すると、浸透圧の
関係か、製品シリカの細孔容積が小さくなる傾向とな
り、また、細孔径が小さくなる傾向がある。
【0016】本発明の洗浄法においては、反応時および
ヒドロゲル化時に形成された細孔を維持するために、シ
リカヒドロゲルをまず電気伝導度が5000μS/cm
以上の水で洗浄することが必要である(A洗浄)。洗浄
水の電気伝導度が10mS/cm以上になると、電気伝
導度が高すぎて洗浄の効果を示さないので、望ましくは
5000μS/cm〜10mS/cm、より好ましくは
6000μS/cm〜5mS/cmの水で洗浄すること
が好ましい。
【0017】本発明においては、上記のA洗浄工程に引
続き、電気伝導度1000〜5000μS/cm、より
好ましくは600μS/cm〜800μS/cmの水で
シリカヒドロゲルが洗浄される(B洗浄)。
【0018】そして更に、B洗浄を行なったシリカヒド
ロゲルは引続いて電気伝導度500μS/cm以下、よ
り好ましくは5μS/cm〜300μS/cmの浄水で
洗浄される(C洗浄)。
【0019】上記のA洗浄、B洗浄およびC洗浄は2回
以上繰り返しても良い。繰り返す場合は、望ましくは、
洗浄を繰り返すごとに電気伝導度の低い水を使用するの
が良い、洗浄に使用する水、特にA洗浄、B洗浄で使用
する水は、シリカヒドロゲルの洗浄工程で排水する水
や、それを浄水で薄めた水が望ましい。また、浄水に硫
酸及び/又は水酸化ナトリウム及び/又は硫酸ナトリウ
ムを加えて調製した水も使用することができる。
【0020】本発明の洗浄法においては、洗浄に際し、
洗浄をバッチ法で行なうことが必要である。これに対
し、水洗塔にシリカヒドロゲルを入れ、上部または下部
から連続的に水を供給して連続的に排出する、いわゆる
連続法は好ましくない。この連続法によると、上部と下
部、中央部と壁面部の品質ムラが生じ、本発明の目的と
するところの物性が制御された高品質のシリカ製品が得
られないからである。
【0021】本発明で行なうバッチ法としては、水洗
塔、あるいは水洗槽にシリカヒドロゲルを入れ、水を入
れ、一定時間経過後に水を排出する方法等が例示でき
る。このバッチ法によって、品質にムラのない、物性が
制御されたシリカ製品を得ることができる。
【0022】洗浄中の撹拌や水の循環は実施しても良
く、循環を実施する場合は抜き出した水の全量をもとの
洗浄槽に戻す。洗浄時間に特に制限はないが、各バッチ
ともそれぞれ、10分から3時間で充分である。温度も
特に制限はなく、10〜95℃が適当である。洗浄に使
用する水量は、望ましくはシリカヒドロゲルに対して重
量比1〜10倍が良い。1回の洗浄水量が多い程、少な
い回数で良い。洗浄水の温度が高い方が洗浄水、回数共
に少なくて良い。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、少ない洗浄水量で、し
かも物性の制御された、安定した品質のシリカを製造す
ることができるという効果がある。
【0024】また特に本発明によれば、本発明方法にし
たがって洗浄することによって、最初から浄水で洗浄す
る場合に比べ、下記実施例と比較例の対比からも分かる
ように、同等の洗浄効果を得るためには大幅に少ない水
量,短い時間で足り、反対に同等の洗浄時間,洗浄水量
を用いる場合には、含有される硫酸等を実質的に含有し
ない程度(比較例に比べて1/2〜1/4程度)、電気
伝導度は数十分の1まで低下させた程度まで洗浄できる
という効果が得られる。その理由は定かではないが、硫
酸及び硫酸ナトリウムを多量に含むシリカヒドロゲルを
初めから浄水で洗浄すると、浸透圧の関係か、細孔が収
縮し残留物が中に閉じ込められて出にくい状態になるの
ではないかと推定される。
【0025】
【実施例】以下、本発明を具体的に実施例で説明する
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。実施例、および比較例において用いた各種試験方法
および各種試料を以下に記す。
【0026】(1)BET比表面積(窒素法) カンタソーブ(米国Quantachrome社製)を用いて1点法
で測定した。
【0027】(2)細孔分布および細孔容積(窒素法) ASAP−2400(島津製作所製)を用いて測定し
た。
【0028】(3)平均粒径および粒度分布の測定 コールターカウンターTA−II(Coulter Electronics In
c. 製) を用いて30μmのアパーチャーチューブによ
り測定した。
【0029】(4)pH pH7に調製した蒸留水100ccに4gの試料を懸濁
し、10分間撹拌後、pH電極により測定した。
【0030】(5)電気伝導度 蒸留水50ccに4gの試料を懸濁し、2〜3分間煮沸
し放冷後、100ccに調製し、調製したものを濾過
し、導電率電極により測定した。
【0031】(6)Na2 Oの測定 原子吸光光度計(島津製作所)を用いて測定した。
【0032】(7)SO4 の測定 以下の操作によるキレート滴定法により測定した。
【0033】操作 (1) ビーカーにN/100-H2SO4 溶液を20ml入れる。
【0034】(2) 蒸留水を50ml加え、希塩酸を加えてpH
を1〜2に調製する。
【0035】(3) 調製した液を5分間煮沸し、0.01M-Ba
Cl2 溶液を加え、また15分間煮沸する。
【0036】(4) 冷却後、1N-NaOH 溶液を加え、中和を
行う。
【0037】(5) PC指示薬を0.5cc 滴下し、28% アンモ
ニア水を5ml 滴下して撹拌する。 (6) 0.01M-EDTA標準液で滴定する。
【0038】実施例1 20wt%のケイ酸ソーダ水溶液と35wt%の硫酸水
溶液を、混合ノズルを用いて反応させ、SiO2 が1
7.0wt%、Na2 SO4 が1.6wt%、pHが
0.8のシリカヒドロゲルを得た。そのシリカヒドロゲ
ルを約10mmに粉砕し、5kgを下部から抜き出しが
できる20リットルの容器に離奨水を分離して入れた。
【0039】洗浄水として、Na2 SO4 と硫酸を含む
pH2.5、電気伝導度7400μS/cmの水溶液を
15リットル加えて、30℃で1時間保持した。液を抜
き出した後、同じ洗浄水を加え、同様に2度繰り返し
た。
【0040】引続き、洗浄水として、Na2 SO4 と硫
酸を含むpH4.2、電気伝導度4390μS/cmの
水溶液を15リットル加えて、30℃で1時間保持し
た。液を抜き出した後、同じ洗浄水を加え、同様に2度
繰り返した。
【0041】更に電気伝導度85μS/cmの浄水を1
5リットル加えて、30℃で1時間放置した。液を抜き
出した後、同じ洗浄水を加え、同様に2度繰り返した。
【0042】洗浄シリカヒドロゲルを乾燥、粉砕し次の
ようなシリカを得た。
【0043】BET 比表面積:784m2 /g 細孔容積 :0.33cc/g SiO2 :99.1% Na2 O :0.2% SO4 :0.04% pH :4.21 電気伝導度 :35.6μS/cm 比較例1 実施例1で使用した洗浄前シリカヒドロゲル5kgを、
離奨水を分離して、連続的に通液、抜き出しのできる2
0リットルの溶液に入り、洗浄水として、電気伝導度8
5μS/cmの浄水を8リットル/hの流速で、17時
間通液した。
【0044】得られた洗浄シリカヒドロゲルを乾燥、粉
砕し次の様なシリカを得た。
【0045】BET 比表面積:741m2 /g 細孔容積 :0.30cc/g SiO2 :98.6% Na2 O :0.8% SO4 :0.08% pH :3.0 電気伝導度 :746μS/cm 実施例1に比べて、洗浄が不十分であることが分かる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−54632(JP,A) 特開 昭60−180911(JP,A) 特開 平2−296712(JP,A) 特開 平2−74514(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 33/12 - 33/193

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】硫酸と硫酸ナトリウムを含むシリカヒドロ
    ゲルを洗浄して、それらを含まないシリカヒドロゲルを
    製造するための洗浄方法であって、酸性反応により得ら
    れた洗浄前のシリカヒドロゲルを、電気伝導度が500
    0μS/cm以上の水で洗浄する工程、電気伝導度が5
    00〜5000μS/cmの水で洗浄する工程、及び電
    気伝導度が500μS/cm以下の水で洗浄する工程を
    これらの順序で行ない、かつ洗浄する各工程をバッチ法
    で行なうことを特徴とするシリカヒドロゲルを洗浄する
    方法。
  2. 【請求項2】 請求項1の洗浄方法において、各工程の
    バッチ操作で用いる水の量を、シリカヒドロゲルに対し
    て重量比で1〜10倍量用いることを特徴とするシリカ
    ヒドロゲルを洗浄する方法。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2において、少なくともい
    ずれかの工程のバッチ操作を、2回以上行なうことを特
    徴とするシリカヒドロゲルを洗浄する方法。
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JP5689038B2 (ja) * 2011-07-27 2015-03-25 太平洋セメント株式会社 高純度シリカの製造方法
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