JP4808350B2 - シリカ系ミクロゲルの連続製造法 - Google Patents
シリカ系ミクロゲルの連続製造法Info
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Description
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、異なる生産速度でミクロゲルの安定した品質を実現できるシリカ系ミクロゲルの連続製造方法に関する。
【０００２】
（関連技術の説明）
ポリケイ酸塩ミクロゲル（すなわち、可溶性シリカの部分ゲル化によって形成された水溶液）は当技術分野で周知である。これらのミクロゲルは、ケイ酸塩をゲル開始剤と混合し、短時間混合物を熟成し、次いで混合物を希釈することによってそれ以上のゲル化を停止させることによる、アルカリ金属ケイ酸塩の部分ゲル化によって製造することができる。ゲル開始剤は、「中和剤」および／または「活性剤」とも呼ばれる。鉱酸およびミョウバンが最も一般に用いられるゲル開始剤である。得られるミクロゲルは、製紙における排水および保持助剤として、飲料水浄化プラントの凝集剤として、および同様な用途で商業的有用性がある。
【０００３】
これらは優れた凝集剤であり環境に優しいが、いくつかの実用上の要因のために、ポリケイ酸塩ミクロゲルの商業的利用が現在は制限されている。例えば、ミクロゲル溶液は必然的に希釈されているため、大量の長距離輸送は実用的でない。したがって、ミクロゲルは利用者によって現場で製造されるのが普通である。ミクロゲルはまたゲル化しやすく、製品の製造に使用される設備にシリカの付着物を形成しやすい。これらの問題は、工場の環境では設備設計および熟練工によって克服することができるが、設備の運転および保守が比較的容易でなければならない現場での利用には、より大きな難しさを提示するものである。
【０００４】
シリカミクロゲルを長年製造する間にバッチおよび連続プロセスが開発された。しかし、製品性能の安定性が、バッチごとに、また連続方法では比較的短時間でも著しく変化することが分かった。
【０００５】
凝集剤としてのシリカミクロゲルの性能は、使用前に適切なサイズにシリカミクロゲルを成長させることによって著しく影響されることが分かっている。生成するミクロゲルのサイズに影響を与える２つの最も重要な要因は、ケイ酸塩の部分ゲル化時のｐＨと反応時間である。反応時間には混合時間が含まれるが、主として熟成時間、またはシリカミクロゲル溶液の希釈までの時間である。
【０００６】
調製後速やかにミクロゲルが使用できるように、一般にケイ酸塩のアルカリ度の約８５％を中和するので、ゲル開始剤として硫酸などの強酸を用いると、シリカの部分ゲル化時にｐＨを制御することが困難である。開始剤量の少しの変化がｐＨの大きな変動をもたらし、このためにミクロゲルのサイズおよびミクロゲルの性能を変化させることになる。
【０００７】
バッチ反応器では、反応時間を容易に変えることができる。しかし連続反応器では、反応時間は反応物の流量と反応器の容積で決まる。例えば、シリカミクロゲルの要求速度の変化に対応するために反応物の流量を変化させると、反応時間、形成されるミクロゲルのサイズ、したがってミクロゲルの性能が変化することになる。
【０００８】
ＭｏｆｆｅｔｔおよびＲｕｓｈｍｅｒｅは、米国特許第５，２７９，８０７号、第５，５０３，８２０号、第５，６４８，０５５号および第５，８５３，６１６号で、ポリケイ酸塩ミクロゲル連続製造の改良方法を開示している。この方法では、可溶性ケイ酸塩溶液およびゲル開始剤を特定の条件で混合することによってシリカ付着が著しく減少している。
【０００９】
Ｍｏｆｆｅｔｔ、Ｓｉｍｍｏｎｓ、およびＪｏｎｅｓは、１９９８年７月２０日出願の米国特許出願第０９／１１９４６８号で、プロセス中に弾性変形容器を組み込んだポリケイ酸塩ミクロゲルの連続製造方法を開示している。こうした容器は、容器壁に形成した付着物の除去を可能にする。
【００１０】
これらの特許で教示される設計によって付着はかなり減少し、商業的有用性があることも分かったが、ミクロゲルの生産速度を変えると相変わらず品質の一定性が失われてしまう。要求生産速度の変化に対応するために反応物の流量を変えると熟成時間が変化し、したがって形成されるミクロゲルのサイズおよび性能が変わってしまう恐れがある。したがって、利用者が性能の変化に対応しなければならない。
【００１１】
変化する顧客要求に対応するために、同じ装置で生産速度が異なっても、一定の性能を有する一定品質のポリケイ酸塩ミクロゲルを確実に製造することのできる連続方法には高い有用性があるはずである。
【００１２】
（発明の概要）
本発明は、ポリケイ酸塩ミクロゲルの連続製造方法であって、
（ａ） 水溶性ケイ酸塩の水溶液、コロイドシリカゾル、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されるシリカ源を含む供給流を、二酸化炭素を含む供給流と接触容器内で接触させて混合物を製造すること、および
（ｂ） 混合物を熟成容器内で熟成し混合物を部分的にゲル化させて、熟成混合物を製造することを含み、
接触工程、熟成工程、または両方が、少なくとも約１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）の圧力で行われる方法を提供する。
【００１３】
二酸化炭素を含む流れは、一般に気体または液体の形のフリーな二酸化炭素を含有してもよく、または反応条件下で二酸化炭素を放出する材料の形で含有してもよい。二酸化炭素と他の成分との混合物も考えられる。
【００１４】
本発明およびその特定の実施形態は、シリカミクロゲルの連続製造方法に諸利益をもたらす。これには、供給流が接触する工程のより優れたｐＨ制御、より安定したミクロゲルサイズおよび性能、プロセスでの強い鉱酸の排除がもたらす安全効果および設備費用の低下、シリカ付着物除去能力の改善、および水供給停止時の効率的システムパージなどが含まれる。
【００１５】
（発明の詳細な説明）
ポリケイ酸塩ミクロゲルは、シリカ源、例えば、水溶性ケイ酸塩、コロイドシリカゾル、またはこれらの組み合わせの部分ゲル化によって形成される水溶液である。
【００１６】
水溶性ケイ酸塩には、最も一般の形状として３．３重量部のＳｉＯ2に対して１重量部のＮａ2Ｏを有するケイ酸ナトリウムなどのアルカリ金属ケイ酸塩およびポリケイ酸塩が含まれる。一般に、可溶性ケイ酸塩から形成したミクロゲルは、水と、直径が１から５ｎｍ、表面積が少なくとも５００ｍ2／ｇ、より一般には少なくとも１０００ｍ2／ｇの結合シリカ粒子から構成される。粒子は調製中（すなわち、部分ゲル化中）に結合して、３次元の網目および鎖を有する凝集体を形成する。シリカ源は、水溶性ケイ酸塩の水溶液であることが好ましい。
【００１７】
コロイドシリカゾルは、例えばイー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニーが、Ｌｕｄｏｘ（登録商標）Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ Ｓｉｌｉｃａの商品名で販売している。本発明で有用なシリカゾルは、水と、直径が４から６０ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ未満の離散シリカ粒子とから構成される。ゾル粒子も、調製中に結合して、３次元の網目および鎖を有する凝集体を形成する。一般に、シリカゾルから形成したミクロゲルは、表面積が約５０から７５０ｍ2／ｇの範囲である。
【００１８】
ｐＨ５未満で、ポリケイ酸塩ミクロゲルはポリケイ酸ミクロゲルと呼ばれることがある。ｐＨ値が上昇すると、これらの生成物はポリケイ酸とポリケイ酸塩ミクロゲルの混合物を含有することができ、その比率はｐＨに依存する。本明細書で、用語「ポリケイ酸塩ミクロゲル」または「シリカミクロゲル」は、こうしたポリケイ酸とポリケイ酸塩ミクロゲルの混合物を含む。
【００１９】
ポリケイ酸塩ミクロゲルは、しばしば、その構造中へアルミン酸塩イオンを組み込むことによって変性される。アルミニウムは、アルミニウム源がどこでプロセスに添加されるかによって、ポリケイ酸塩凝集体全体に、またはその表面だけに存在することができる。アルミニウムを添加することによって、ミクロゲル形成速度を増大させ、それにより熟成時間を減少するためにことができる。アルミン酸塩として添加したアルミニウムは、ミクロゲルが低ｐＨ状態でその電荷を保持することも可能にする。シリカゾルは、ゾル粒子中にアルミニウムを組み込むことができる。本明細書で、用語「ポリケイ酸塩ミクロゲル」または「シリカミクロゲル」は、アルミニウムを含有するポリケイ酸塩ミクロゲルを含み、これは、当技術分野でポリアルミノケイ酸塩ミクロゲルと呼ばれることがある。
【００２０】
接触
本発明では、シリカ源を含む供給流「シリカ供給流」を、二酸化炭素を含む供給流と接触させる。シリカ源は、水溶性ケイ酸塩の水溶液、コロイドシリカゾル、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される。用語「接触」は、流れが混合されるように２つの供給流を結合することを言う。一般に、混合は、供給流の乱流によって行う。シリカ供給流は、慣用の水溶性ケイ酸塩溶液および／またはコロイダルシリカを含むことができる。
【００２１】
シリカ供給流が水溶性ケイ酸塩溶液を含む場合は、シリカ流のシリカ濃度は、０．５から１５質量％、好ましくは１質量％から１０質量％、特に好ましくは１から５質量％の範囲とする。一般に、ミクロゲルの形成は、０．５質量％未満の濃度では実用上遅すぎる。シリカが１５質量％を超えると、水溶性ケイ酸塩を用いる場合、ゲル化速度が速くなりすぎて有効に制御できない。シリカ濃度が高い市販のケイ酸塩溶液は、水を加えてシリカ濃度を低下させることによって適切に希釈して使うことができる。
【００２２】
シリカ供給流が、水溶性ケイ酸塩の不存在下にコロイドシリカゾルを含む場合は、シリカ流は希釈せずに使用することができる。供給流中のシリカ濃度は、シリカゾル中のシリカ濃度以下とすることができる。水溶性ケイ酸塩の不存在下にコロイドシリカゾルを用いる場合、シリカ供給流中のシリカ濃度は、１５質量％から５０質量％の範囲であることが好ましい。
【００２３】
供給流の接触は、任意の適当な接触容器、タンク、パイプ、チューブ、ホース、連続撹拌タンク、プラグ流れ反応器、チュービング、またはこれらの組み合わせなどで行うことができる。用語「容器」は、流体、特に液体に用いる中空体を言う。
【００２４】
連続プロセス中で、シリカ供給流をゲル開始剤として二酸化炭素を含む供給流と接触させて、ミクロゲル形成を開始する。供給流中で気体または液体の形のフリーな二酸化炭素として二酸化炭素を供給することが好ましいが、供給流は、反応条件下二酸化炭素を放出する材料、例えば重炭酸ナトリウムの形で二酸化炭素を含有することもできる。他の成分、液体または気体が、二酸化炭素供給流中に存在することもできる。
【００２５】
シリカおよび二酸化炭素供給流の流量は、得られる炭酸塩の緩衝効果のために容積によって（一般に６から１０のｐＨ範囲内に）制御することができる。容積による制御は、頻繁な掃除、較正、交換を要するｐＨ検出器を使用しなくてすむという利点がある。
【００２６】
特に、ｐＨを低下することができるポリアルミノケイ酸塩ミクロゲル溶液を調製する場合は、追加のゲル開始剤、例えばアルミニウム化合物を添加することができる。他のゲル開始剤を、二酸化炭素供給流とともに、または別の流れとして、反応器へ供給することもできる。これらには、例えば、硫酸および酢酸などの無機および有機酸、ホウ砂、亜硫酸水素ナトリウム、硫酸アンモニウムなどの酸塩、アルミン酸ナトリウムなどの両性金属酸アルカリ金属塩、および有機無水物、アミドおよびエステルなどのある種の有機化合物が含まれる。ゲル開始剤のより完全なリストは、Ｒｕｓｈｍｅｒｅの米国特許第４，９５４，２２０号で提供されており、参照により本明細書に援用する。
【００２７】
接触工程、その後の熟成工程、または両工程は、少なくとも約１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）、一般には１３，８００ｋＰａ（約２０００ｐｓｉｇ）未満の圧力で行うものであり、上限はプロセス上の制限ではなく実用性および経済性で設定される。接触工程は、約３４４から１３８０ｋＰａ（約５０から２００ｐｓｉｇ）の範囲の圧力で行うことが好ましい。驚くべきことに、高い圧力では、流量を変化させても、安定したサイズのシリカミクロゲルの連続生産が実現されることが分かった。例えば、シリカ濃度またはＣＯ2流量を変化させる必要なしに、３倍を超える範囲で生産速度を変化させることができる。
【００２８】
二酸化炭素供給流は、シリカ供給流のアルカリ度を中和するための必要量に基づいて、二酸化炭素添加量が化学量論よりわずかに少ない量から過剰量までの範囲になるようにシリカ供給流と接触させる。化学量論よりわずかに少ないとは、一般にシリカのアルカリ度を中和するために必要な化学量論量の少なくとも８０％、好ましくはこの化学量論量の少なくとも９０％を意味する。二酸化炭素が他のゲル開始剤と併用される場合は、二酸化炭素の添加量は、シリカのアルカリ度を中和するために必要な化学量論量の８０％未満であってもよい。より安定したｐＨ制御のためには、少なくとも化学量論量を添加することが好ましい。シリカのアルカリ度を中和するために必要な化学量論量の１００から５００％に相当する量のＣＯ2を添加することがより好ましい。
【００２９】
シリカのアルカリ度は、水溶性ケイ酸塩の水溶液、例えば、ケイ酸ナトリウムなどのアルカリ金属ケイ酸塩の溶液のアルカリ度とすることができる。これらの溶液は塩基性であり、ゲル開始剤は一般に酸性である。水溶性ケイ酸塩は、シリカとアルカリの比率によって識別する。この場合、アルカリは、式Ｍ2Ｏで表され、Ｍは一般にＮａ、Ｋ、またはＮＨ4である。あるいは、シリカのアルカリ度は、コロイドシリカゾルのアルカリ度を意味することもある。シリカゾルでは、シリカ粒子は、粒子のゲル化を安定化するアルカリ性媒体中に分散している。アルカリ性媒体は、例えば、水酸化ナトリウムまたはアンモニウムを含有することができる。
【００３０】
二酸化炭素を他のゲル開始剤なしに用い、二酸化炭素の供給量を、所与の圧力および温度での二酸化炭素の水への溶解度を上回るものとすることが好ましい。温度が上昇すると、二酸化炭素の溶解度は低下する。どちらの工程を行う温度も、一般に０℃から５０℃の範囲である。
【００３１】
任意選択で、アルミニウム塩またはアルカリ金属アルミン酸塩は、ケイ酸塩溶液中に可溶成分として好都合に添加するか、または別の流れとして混合物に添加することもできる。好ましいポリアルミノケイ酸塩ミクロゲルは、Ａｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2モル比が１：１５００から１：２５、好ましくは１：１２５０から１：５０である。一般に、表面シリコンの２５％までを、アルミニウムによって交換することができる。
【００３２】
供給流を接触させるための本発明の実施にあたり、任意の条件を用いることができるが、少なくとも１，０００、好ましくは６，０００より高いレイノルズ数で供給流を接触させるような乱流条件が好ましい。
【００３３】
接触工程の後、シリカ供給流が水溶性ケイ酸塩溶液を含む場合は、混合物のシリカ濃度は、０．５から１５質量％、好ましくは１から１０質量％、特に好ましくは１から５質量％とする。シリカ供給流が水溶性ケイ酸塩なしでコロイダルシリカを含む場合は、混合物のシリカ濃度をより高く、すなわち、シリカゾル中のシリカ濃度以下、好ましくは１５質量％から５０質量％の範囲のシリカ濃度とすることができる。追加のゲル開始剤なしで二酸化炭素を用いる場合、ｐＨは６から１０の範囲、好ましくは６．５から７．５とする。
【００３４】
熟成
混合物は、所望レベルの部分ゲル化を達成するのに十分な時間、熟成容器で熟成する。これには、通常少なくとも１０秒かかり、一般に１５分より長くはかからない。部分ゲル化によって、当技術分野でポリケイ酸塩ミクロゲルとして知られる高表面積シリカ粒子の３次元網目および鎖の凝集体である熟成混合物が生成する。この熟成工程は、約１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）を超え、一般に１３，８００ｋＰａ（２０００ｐｓｉｇ）未満の圧力で行うことが好ましい。混合物は、３４４から１３８０ｋＰａ（５０から２００ｐｓｉｇ）の範囲の圧力で熟成することが好ましい。
【００３５】
所望のゲル化の程度は、選択される成分および用途で異なるが、一般に完全ゲル化物を生成する時間の１０％から９０％の時間内で達成される。したがって、当業者はゲルタイムを容易に決めることができ、シリカ濃度を調整して所望の部分ゲル化を実現することができる。あるいは、熟成容器の長さおよび／または直径、温度、および流量は、特定の用途について最適化することができる。熟成時の温度は、一般に０℃から５０℃の範囲である。
【００３６】
連続プロセスでは、熟成は、一般に細長い容器である熟成容器中を混合物が通過するにつれて起こり、混合物が容器出口に到達すると事実上完了する。熟成容器は、任意の適当な容器、パイプ、チューブ、ホース、プラグ流れ反応器、チュービング、またはこれらの組み合わせなどとすることができる。一般に、熟成容器は一定の直径を有し、この直径と長さは、混合物が所望の程度に「熟成する」ために必要な滞在時間をもたらすように選択する。一般の熟成容器は、１０秒から１５分の滞在時間をもたらすために、直径が０．５ｃｍから２５ｃｍ（１／４から１０インチ）の範囲であり、長さが６０ｃｍから１５０ｍ（２から５００フィート）である。一般に、１５分より長い滞在時間を用いることは何らの利益もない。
【００３７】
接触および／または熟成容器は、１９９８年７月２０日出願の米国特許出願第０９／１１９４６８号に記載のような、弾性変形可能容器（例えば、パイプまたはチューブ）であることが好ましい。ここには、ポリケイ酸塩ミクロゲルの連続製造方法が記載されており、容器壁に形成する付着物を取り除くために、弾性変形可能な容器をときどき一時的に変形させると説明している。この容器は、（ｉ）シリカ付着物より大きい弾性率、および（ｉｉ）容器の変形が容器と付着物間の接着力を上回るような表面特性を有する材料から構成されており、これによって容器が変形したときに付着物が除去される。少なくとも約１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）の圧力で二酸化炭素を用いることは、シリカ付着物を除去するために特に有利である。取り除かれた付着物は、シリカ流と二酸化炭素の混合物によって、この混合物が容器中を連続的に通過するにつれて容器からパージされる。付着物はシリカからなるので、多くの用途に関して容器を出る混合物からこれらを分離し除去する必要はない。変形可能容器使用の利点は、付着物が特に形成されやすいプロセスの接触および初期熟成期間に適用したときに特に明白である。
【００３８】
変形可能な容器を用いた場合は、本発明における圧力の使用がこうした容器を変形させる助けになるが、接触および／または熟成容器を変形させる他の手段も使用することができる。これらには、機械手段および振動手段が含まれる。機械手段には、ローラ、プレス、または他の機械装置による、または周囲の流体によって容器への外圧を変化させることによる、容器壁の絞り、伸ばし、または曲げ、および剥離が含まれる。振動手段には、音波または超音波の使用が含まれる。
【００３９】
二酸化炭素の使用も、容器壁に形成する付着物を取り除くために接触容器および熟成容器を含めた反応系をパージする際に大いに助けになる。すなわち、少なくとも約１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）の反応圧力から大気圧へ減圧する際にパージングまたはフラッシングが起こる。本発明の方法は、任意選択で、容器を急速に減圧することによって容器壁に形成する付着物を取り除くことによる、接触および／または熟成容器のパージを含む工程をさらに含む。減圧によって二酸化炭素の溶解度が変化し、このシステムを急速にパージする大量のガスを発生させる。これは、接触および／または熟成容器として変形可能な容器を用いた場合に特に有利である。
【００４０】
工業的利用
熟成混合物またはポリケイ酸塩ミクロゲルは、一般に、さらなるゲル形成を抑える、または最小限にするための処理がなされる。シリカ供給流が水溶性ケイ酸塩の溶液を含む場合は、この処理は単純な希釈工程とすることができ、シリカ濃度を重量で約１０％未満、好ましくは５％未満、特に好ましくは２％未満に低下させて、希釈混合物、または希釈ポリケイ酸塩ミクロゲルを製造する。シリカ供給流が水溶性ケイ酸塩なしにコロイドシリカゾルを含む場合も、希釈工程を用いることもできる。あるいは、この処理をｐＨ調整工程、または希釈工程とｐＨ調整工程の併用とすることもでき、これによって、ゲル化は停止するか阻害されるかまたはその両方である。ｐＨ調整工程では、一般に、ｐＨを３未満または９より高く調整してそれ以上のゲル形成を最小限にする。当技術分野で知られた他の技術もゲル形成を抑えるために選択することができる。
【００４１】
処理済の、すなわち希釈またはｐＨ調整後のミクロゲルは、次いで貯蔵することができ、または所期の用途に使用することができる。あるいは、ミクロゲルを直ちに使用する場合、またはその後のゲル化が所期の用途の許容限度内である場合は、ミクロゲルの希釈またはｐＨ調整は不要かもしれない。所望により、本発明実施中に取り除いた許容できないほど大きなシリカ付着物を除去するために、熟成ミクロゲルを濾過することができる。
【００４２】
本発明によって調製されたポリケイ酸塩ミクロゲルは、こうしたミクロゲルを使用する通常の用途、および現場で確実に生産することができるために現実的になった新しい用途で使用することができる。例えば、ミクロゲルを、水性懸濁液から固形物を除去するための凝集剤、または紙の保持助剤として、しばしばこの目的に用いられる他のポリマーおよび／または化学品とともに使用することができる。
【００４３】
本発明について記述してきたが、次に以下の実施例によって本発明を例証するが、これは本発明を限定するものではない。
【００４４】
（実施例）
実施例１
本実施例は、圧力７５ｐｓｉｇでゲル開始剤としてＣＯ2を用いた場合、シリカ流の流量を変化させて熟成時間を変えても、ミクロゲルサイズには実質上影響を与えることがないことを実証する。本実施例は、圧力７５ｐｓｉｇでゲル開始剤としてＣＯ2を用いた場合、ゲル開始剤とシリカの比率を大きく変化させても、ミクロゲルサイズには実質上影響を与えることがないことも実証する。
【００４５】
ケイ酸ナトリウムの溶液を二酸化炭素と混合してポリケイ酸塩ミクロゲルを調製した。ケイ酸ナトリウム溶液は、Ｎａ2Ｏ：ＳｉＯ2比が３．２２で、ＳｉＯ2２８．５質量％を含有していた。このケイ酸塩溶液は、インラインで十分量の水で希釈してＳｉＯ2濃度をＳｉＯ2２．４質量％に低下させ、次いでこれを内径３．８ｃｍ（１．５インチ）を有する９１．４ｍ（３００フィート）の弾性変形可能なビニルホースに連続的に供給した。希釈ケイ酸塩溶液の流量を変えて異なる反応時間を得た。本明細書で、「反応時間」は、理論的な熟成時間、または希釈ケイ酸塩溶液の流量に基づく「熟成時間」を意味する。二酸化炭素（ＣＯ2）を、流量３４０ｓｌｐｍでホースに供給した。添加したＣＯ2量は、ケイ酸塩溶液の流量に応じて、ケイ酸塩のアルカリ度を完全に中和するために必要な量に基づく化学量論量よりわずかに少ない量から過剰量の範囲であった。ホース内の圧力は、ホースの出口端に設けた制御弁によって５１６ｋＰａ（７５ｐｓｉｇ）に維持した。この２．４質量％のシリカミクロゲル生成物のｐＨおよび目に見えるゲル化の開始、すなわち「ゲルタイム」を、ホースの出口端で測定した。
【００４６】
２．４質量％のミクロゲル生成物を直ちに１質量％のＳｉＯ2に希釈し、ｐＨを２に下げることによって、粘度測定用にシリカミクロゲル生成物のサンプルを調製した。粘度は、キャノンフェンスケ型サイズ５０粘度計チューブを用いて測定した。平均ミクロゲルサイズ（直径ｎｍ）を、動的光散乱分析を用いて粒子サイズを測定した一連のシリカミクロゲルの粘度測定値と、粘度測定値を比較することによって推定した。一連のミクロゲルの粘度測定値と、光散乱分析を用いて測定された粒子サイズとの相関関係を求めた。
【００４７】
動的光散乱分析は、Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ光散乱ゴニオメータ、モデルＢＩ−２００ＳＭを用いて行った。ミクロゲルの測定は、電力２００ｍＷで操作する波長４８８ｎｍのアルゴンイオンレーザを用いて室温で行った。光散乱強度測定は異なる角度で行い、データはジムプロット（Ｚｉｍｍ ｐｌｏｔ）を用いて分析した。
【００４８】
結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
表１から分かるように、ミクロゲルのゲルタイムおよびｐＨは非常に安定しており、安定したミクロゲルサイズを示唆している。
【００５１】
比較例
この実施例は、ゲル開始剤として硫酸を用いた場合、熟成時間の変化がミクロゲルサイズしたがってその性質を大きく変えることになることを実証する。この実施例は、硫酸を用いた場合ゲル開始剤とシリカの比の小さな変化がミクロゲルサイズおよび性質を大きく変えることになることも実証する。
【００５２】
比較のために、５ＮのＨ2ＳＯ4を９８３グラムの希釈ケイ酸ナトリウムと混合して２．４質量％のＳｉＯ2を含有するミクロゲル溶液を形成することによって、ポリケイ酸塩ミクロゲルを調製した。それぞれ、Ｈ2ＳＯ4４１．５ｍｌ、および４１．０ｍｌで２つの別の運転を行った。混合物を熟成して実施例１と同様の反応時間を得た。熟成１分後にｐＨを測定した。混合物からサンプルを取り、ＳｉＯ2１質量％に希釈し、示した熟成時間でｐＨ２に調整した。熟成サンプルの粘度および推定直径を実施例１のようにして求めた。各運転のゲルタイムも求めた。
【００５３】
【表２】
【００５４】
表２から分かるように、シリカミクロゲル調製のためにゲル開始剤として硫酸を使用すると、異なる熟成時間で著しく異なる粘度および粒子サイズを有するミクロゲル生成物が形成された。また、硫酸量がわずかに異なるとゲルタイムが大きく異なり、粘度および粒子サイズが異なる結果となった。表１の結果と比べると、ゲル開始剤として二酸化炭素を使用すると、はるかに安定した製品が得られたことが分かる。
【００５５】
実施例１では、開始剤（ＣＯ2）の量はケイ酸塩に対して３倍を超える範囲で変化しているが、粘度および平均ミクロゲル直径の変化はほとんど認められなかった。一方、比較例では、開始剤（硫酸）の量がケイ酸塩に対してわずか１．２％変化しただけで、粘度および平均ミクロゲル直径の大きな変化が認められた。
【００５６】
実施例２
この実施例は、接触および熟成工程を１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）より高い圧力で行うことによって、より安定した製品が製造されることを実証する。
【００５７】
実施例１の方法を異なる圧力で繰り返した。ＳｉＯ2２８．５質量％を含有する、Ｎａ2Ｏ：ＳｉＯ2比が３．２２のケイ酸ナトリウム溶液を、インラインで十分量の水を用いて希釈してＳｉＯ2濃度をＳｉＯ2２．１質量％に下げた。速度２７０ｓｌｐｍでＣＯ2を添加した。希釈ＳｉＯ2の流量は、毎分２８リットル（７．５ｇｐｍ）であった。ＣＯ2およびケイ酸塩溶液を、内径３．８ｃｍ（１．５インチ）を有する９１．４ｍ（３００フィート）のビニルホースに連続的に供給した。ホース内の圧力は、ホースの出口端に設けた制御弁によって維持した。２．１質量％ゾルのｐＨおよびゲルタイムを、ホースの出口端で測定した。
【００５８】
【表３】
【００５９】
表３から分かるように、ゲルタイムおよびｐＨは圧力約１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）以上で特に安定していた。安定したゲルタイムおよびｐＨは、ミクロゲルサイズが一定であることを示唆する。
（発明の分野）
本発明は、異なる生産速度でミクロゲルの安定した品質を実現できるシリカ系ミクロゲルの連続製造方法に関する。
【０００２】
（関連技術の説明）
ポリケイ酸塩ミクロゲル（すなわち、可溶性シリカの部分ゲル化によって形成された水溶液）は当技術分野で周知である。これらのミクロゲルは、ケイ酸塩をゲル開始剤と混合し、短時間混合物を熟成し、次いで混合物を希釈することによってそれ以上のゲル化を停止させることによる、アルカリ金属ケイ酸塩の部分ゲル化によって製造することができる。ゲル開始剤は、「中和剤」および／または「活性剤」とも呼ばれる。鉱酸およびミョウバンが最も一般に用いられるゲル開始剤である。得られるミクロゲルは、製紙における排水および保持助剤として、飲料水浄化プラントの凝集剤として、および同様な用途で商業的有用性がある。
【０００３】
これらは優れた凝集剤であり環境に優しいが、いくつかの実用上の要因のために、ポリケイ酸塩ミクロゲルの商業的利用が現在は制限されている。例えば、ミクロゲル溶液は必然的に希釈されているため、大量の長距離輸送は実用的でない。したがって、ミクロゲルは利用者によって現場で製造されるのが普通である。ミクロゲルはまたゲル化しやすく、製品の製造に使用される設備にシリカの付着物を形成しやすい。これらの問題は、工場の環境では設備設計および熟練工によって克服することができるが、設備の運転および保守が比較的容易でなければならない現場での利用には、より大きな難しさを提示するものである。
【０００４】
シリカミクロゲルを長年製造する間にバッチおよび連続プロセスが開発された。しかし、製品性能の安定性が、バッチごとに、また連続方法では比較的短時間でも著しく変化することが分かった。
【０００５】
凝集剤としてのシリカミクロゲルの性能は、使用前に適切なサイズにシリカミクロゲルを成長させることによって著しく影響されることが分かっている。生成するミクロゲルのサイズに影響を与える２つの最も重要な要因は、ケイ酸塩の部分ゲル化時のｐＨと反応時間である。反応時間には混合時間が含まれるが、主として熟成時間、またはシリカミクロゲル溶液の希釈までの時間である。
【０００６】
調製後速やかにミクロゲルが使用できるように、一般にケイ酸塩のアルカリ度の約８５％を中和するので、ゲル開始剤として硫酸などの強酸を用いると、シリカの部分ゲル化時にｐＨを制御することが困難である。開始剤量の少しの変化がｐＨの大きな変動をもたらし、このためにミクロゲルのサイズおよびミクロゲルの性能を変化させることになる。
【０００７】
バッチ反応器では、反応時間を容易に変えることができる。しかし連続反応器では、反応時間は反応物の流量と反応器の容積で決まる。例えば、シリカミクロゲルの要求速度の変化に対応するために反応物の流量を変化させると、反応時間、形成されるミクロゲルのサイズ、したがってミクロゲルの性能が変化することになる。
【０００８】
ＭｏｆｆｅｔｔおよびＲｕｓｈｍｅｒｅは、米国特許第５，２７９，８０７号、第５，５０３，８２０号、第５，６４８，０５５号および第５，８５３，６１６号で、ポリケイ酸塩ミクロゲル連続製造の改良方法を開示している。この方法では、可溶性ケイ酸塩溶液およびゲル開始剤を特定の条件で混合することによってシリカ付着が著しく減少している。
【０００９】
Ｍｏｆｆｅｔｔ、Ｓｉｍｍｏｎｓ、およびＪｏｎｅｓは、１９９８年７月２０日出願の米国特許出願第０９／１１９４６８号で、プロセス中に弾性変形容器を組み込んだポリケイ酸塩ミクロゲルの連続製造方法を開示している。こうした容器は、容器壁に形成した付着物の除去を可能にする。
【００１０】
これらの特許で教示される設計によって付着はかなり減少し、商業的有用性があることも分かったが、ミクロゲルの生産速度を変えると相変わらず品質の一定性が失われてしまう。要求生産速度の変化に対応するために反応物の流量を変えると熟成時間が変化し、したがって形成されるミクロゲルのサイズおよび性能が変わってしまう恐れがある。したがって、利用者が性能の変化に対応しなければならない。
【００１１】
変化する顧客要求に対応するために、同じ装置で生産速度が異なっても、一定の性能を有する一定品質のポリケイ酸塩ミクロゲルを確実に製造することのできる連続方法には高い有用性があるはずである。
【００１２】
（発明の概要）
本発明は、ポリケイ酸塩ミクロゲルの連続製造方法であって、
（ａ） 水溶性ケイ酸塩の水溶液、コロイドシリカゾル、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されるシリカ源を含む供給流を、二酸化炭素を含む供給流と接触容器内で接触させて混合物を製造すること、および
（ｂ） 混合物を熟成容器内で熟成し混合物を部分的にゲル化させて、熟成混合物を製造することを含み、
接触工程、熟成工程、または両方が、少なくとも約１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）の圧力で行われる方法を提供する。
【００１３】
二酸化炭素を含む流れは、一般に気体または液体の形のフリーな二酸化炭素を含有してもよく、または反応条件下で二酸化炭素を放出する材料の形で含有してもよい。二酸化炭素と他の成分との混合物も考えられる。
【００１４】
本発明およびその特定の実施形態は、シリカミクロゲルの連続製造方法に諸利益をもたらす。これには、供給流が接触する工程のより優れたｐＨ制御、より安定したミクロゲルサイズおよび性能、プロセスでの強い鉱酸の排除がもたらす安全効果および設備費用の低下、シリカ付着物除去能力の改善、および水供給停止時の効率的システムパージなどが含まれる。
【００１５】
（発明の詳細な説明）
ポリケイ酸塩ミクロゲルは、シリカ源、例えば、水溶性ケイ酸塩、コロイドシリカゾル、またはこれらの組み合わせの部分ゲル化によって形成される水溶液である。
【００１６】
水溶性ケイ酸塩には、最も一般の形状として３．３重量部のＳｉＯ2に対して１重量部のＮａ2Ｏを有するケイ酸ナトリウムなどのアルカリ金属ケイ酸塩およびポリケイ酸塩が含まれる。一般に、可溶性ケイ酸塩から形成したミクロゲルは、水と、直径が１から５ｎｍ、表面積が少なくとも５００ｍ2／ｇ、より一般には少なくとも１０００ｍ2／ｇの結合シリカ粒子から構成される。粒子は調製中（すなわち、部分ゲル化中）に結合して、３次元の網目および鎖を有する凝集体を形成する。シリカ源は、水溶性ケイ酸塩の水溶液であることが好ましい。
【００１７】
コロイドシリカゾルは、例えばイー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニーが、Ｌｕｄｏｘ（登録商標）Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ Ｓｉｌｉｃａの商品名で販売している。本発明で有用なシリカゾルは、水と、直径が４から６０ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ未満の離散シリカ粒子とから構成される。ゾル粒子も、調製中に結合して、３次元の網目および鎖を有する凝集体を形成する。一般に、シリカゾルから形成したミクロゲルは、表面積が約５０から７５０ｍ2／ｇの範囲である。
【００１８】
ｐＨ５未満で、ポリケイ酸塩ミクロゲルはポリケイ酸ミクロゲルと呼ばれることがある。ｐＨ値が上昇すると、これらの生成物はポリケイ酸とポリケイ酸塩ミクロゲルの混合物を含有することができ、その比率はｐＨに依存する。本明細書で、用語「ポリケイ酸塩ミクロゲル」または「シリカミクロゲル」は、こうしたポリケイ酸とポリケイ酸塩ミクロゲルの混合物を含む。
【００１９】
ポリケイ酸塩ミクロゲルは、しばしば、その構造中へアルミン酸塩イオンを組み込むことによって変性される。アルミニウムは、アルミニウム源がどこでプロセスに添加されるかによって、ポリケイ酸塩凝集体全体に、またはその表面だけに存在することができる。アルミニウムを添加することによって、ミクロゲル形成速度を増大させ、それにより熟成時間を減少するためにことができる。アルミン酸塩として添加したアルミニウムは、ミクロゲルが低ｐＨ状態でその電荷を保持することも可能にする。シリカゾルは、ゾル粒子中にアルミニウムを組み込むことができる。本明細書で、用語「ポリケイ酸塩ミクロゲル」または「シリカミクロゲル」は、アルミニウムを含有するポリケイ酸塩ミクロゲルを含み、これは、当技術分野でポリアルミノケイ酸塩ミクロゲルと呼ばれることがある。
【００２０】
接触
本発明では、シリカ源を含む供給流「シリカ供給流」を、二酸化炭素を含む供給流と接触させる。シリカ源は、水溶性ケイ酸塩の水溶液、コロイドシリカゾル、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される。用語「接触」は、流れが混合されるように２つの供給流を結合することを言う。一般に、混合は、供給流の乱流によって行う。シリカ供給流は、慣用の水溶性ケイ酸塩溶液および／またはコロイダルシリカを含むことができる。
【００２１】
シリカ供給流が水溶性ケイ酸塩溶液を含む場合は、シリカ流のシリカ濃度は、０．５から１５質量％、好ましくは１質量％から１０質量％、特に好ましくは１から５質量％の範囲とする。一般に、ミクロゲルの形成は、０．５質量％未満の濃度では実用上遅すぎる。シリカが１５質量％を超えると、水溶性ケイ酸塩を用いる場合、ゲル化速度が速くなりすぎて有効に制御できない。シリカ濃度が高い市販のケイ酸塩溶液は、水を加えてシリカ濃度を低下させることによって適切に希釈して使うことができる。
【００２２】
シリカ供給流が、水溶性ケイ酸塩の不存在下にコロイドシリカゾルを含む場合は、シリカ流は希釈せずに使用することができる。供給流中のシリカ濃度は、シリカゾル中のシリカ濃度以下とすることができる。水溶性ケイ酸塩の不存在下にコロイドシリカゾルを用いる場合、シリカ供給流中のシリカ濃度は、１５質量％から５０質量％の範囲であることが好ましい。
【００２３】
供給流の接触は、任意の適当な接触容器、タンク、パイプ、チューブ、ホース、連続撹拌タンク、プラグ流れ反応器、チュービング、またはこれらの組み合わせなどで行うことができる。用語「容器」は、流体、特に液体に用いる中空体を言う。
【００２４】
連続プロセス中で、シリカ供給流をゲル開始剤として二酸化炭素を含む供給流と接触させて、ミクロゲル形成を開始する。供給流中で気体または液体の形のフリーな二酸化炭素として二酸化炭素を供給することが好ましいが、供給流は、反応条件下二酸化炭素を放出する材料、例えば重炭酸ナトリウムの形で二酸化炭素を含有することもできる。他の成分、液体または気体が、二酸化炭素供給流中に存在することもできる。
【００２５】
シリカおよび二酸化炭素供給流の流量は、得られる炭酸塩の緩衝効果のために容積によって（一般に６から１０のｐＨ範囲内に）制御することができる。容積による制御は、頻繁な掃除、較正、交換を要するｐＨ検出器を使用しなくてすむという利点がある。
【００２６】
特に、ｐＨを低下することができるポリアルミノケイ酸塩ミクロゲル溶液を調製する場合は、追加のゲル開始剤、例えばアルミニウム化合物を添加することができる。他のゲル開始剤を、二酸化炭素供給流とともに、または別の流れとして、反応器へ供給することもできる。これらには、例えば、硫酸および酢酸などの無機および有機酸、ホウ砂、亜硫酸水素ナトリウム、硫酸アンモニウムなどの酸塩、アルミン酸ナトリウムなどの両性金属酸アルカリ金属塩、および有機無水物、アミドおよびエステルなどのある種の有機化合物が含まれる。ゲル開始剤のより完全なリストは、Ｒｕｓｈｍｅｒｅの米国特許第４，９５４，２２０号で提供されており、参照により本明細書に援用する。
【００２７】
接触工程、その後の熟成工程、または両工程は、少なくとも約１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）、一般には１３，８００ｋＰａ（約２０００ｐｓｉｇ）未満の圧力で行うものであり、上限はプロセス上の制限ではなく実用性および経済性で設定される。接触工程は、約３４４から１３８０ｋＰａ（約５０から２００ｐｓｉｇ）の範囲の圧力で行うことが好ましい。驚くべきことに、高い圧力では、流量を変化させても、安定したサイズのシリカミクロゲルの連続生産が実現されることが分かった。例えば、シリカ濃度またはＣＯ2流量を変化させる必要なしに、３倍を超える範囲で生産速度を変化させることができる。
【００２８】
二酸化炭素供給流は、シリカ供給流のアルカリ度を中和するための必要量に基づいて、二酸化炭素添加量が化学量論よりわずかに少ない量から過剰量までの範囲になるようにシリカ供給流と接触させる。化学量論よりわずかに少ないとは、一般にシリカのアルカリ度を中和するために必要な化学量論量の少なくとも８０％、好ましくはこの化学量論量の少なくとも９０％を意味する。二酸化炭素が他のゲル開始剤と併用される場合は、二酸化炭素の添加量は、シリカのアルカリ度を中和するために必要な化学量論量の８０％未満であってもよい。より安定したｐＨ制御のためには、少なくとも化学量論量を添加することが好ましい。シリカのアルカリ度を中和するために必要な化学量論量の１００から５００％に相当する量のＣＯ2を添加することがより好ましい。
【００２９】
シリカのアルカリ度は、水溶性ケイ酸塩の水溶液、例えば、ケイ酸ナトリウムなどのアルカリ金属ケイ酸塩の溶液のアルカリ度とすることができる。これらの溶液は塩基性であり、ゲル開始剤は一般に酸性である。水溶性ケイ酸塩は、シリカとアルカリの比率によって識別する。この場合、アルカリは、式Ｍ2Ｏで表され、Ｍは一般にＮａ、Ｋ、またはＮＨ4である。あるいは、シリカのアルカリ度は、コロイドシリカゾルのアルカリ度を意味することもある。シリカゾルでは、シリカ粒子は、粒子のゲル化を安定化するアルカリ性媒体中に分散している。アルカリ性媒体は、例えば、水酸化ナトリウムまたはアンモニウムを含有することができる。
【００３０】
二酸化炭素を他のゲル開始剤なしに用い、二酸化炭素の供給量を、所与の圧力および温度での二酸化炭素の水への溶解度を上回るものとすることが好ましい。温度が上昇すると、二酸化炭素の溶解度は低下する。どちらの工程を行う温度も、一般に０℃から５０℃の範囲である。
【００３１】
任意選択で、アルミニウム塩またはアルカリ金属アルミン酸塩は、ケイ酸塩溶液中に可溶成分として好都合に添加するか、または別の流れとして混合物に添加することもできる。好ましいポリアルミノケイ酸塩ミクロゲルは、Ａｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2モル比が１：１５００から１：２５、好ましくは１：１２５０から１：５０である。一般に、表面シリコンの２５％までを、アルミニウムによって交換することができる。
【００３２】
供給流を接触させるための本発明の実施にあたり、任意の条件を用いることができるが、少なくとも１，０００、好ましくは６，０００より高いレイノルズ数で供給流を接触させるような乱流条件が好ましい。
【００３３】
接触工程の後、シリカ供給流が水溶性ケイ酸塩溶液を含む場合は、混合物のシリカ濃度は、０．５から１５質量％、好ましくは１から１０質量％、特に好ましくは１から５質量％とする。シリカ供給流が水溶性ケイ酸塩なしでコロイダルシリカを含む場合は、混合物のシリカ濃度をより高く、すなわち、シリカゾル中のシリカ濃度以下、好ましくは１５質量％から５０質量％の範囲のシリカ濃度とすることができる。追加のゲル開始剤なしで二酸化炭素を用いる場合、ｐＨは６から１０の範囲、好ましくは６．５から７．５とする。
【００３４】
熟成
混合物は、所望レベルの部分ゲル化を達成するのに十分な時間、熟成容器で熟成する。これには、通常少なくとも１０秒かかり、一般に１５分より長くはかからない。部分ゲル化によって、当技術分野でポリケイ酸塩ミクロゲルとして知られる高表面積シリカ粒子の３次元網目および鎖の凝集体である熟成混合物が生成する。この熟成工程は、約１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）を超え、一般に１３，８００ｋＰａ（２０００ｐｓｉｇ）未満の圧力で行うことが好ましい。混合物は、３４４から１３８０ｋＰａ（５０から２００ｐｓｉｇ）の範囲の圧力で熟成することが好ましい。
【００３５】
所望のゲル化の程度は、選択される成分および用途で異なるが、一般に完全ゲル化物を生成する時間の１０％から９０％の時間内で達成される。したがって、当業者はゲルタイムを容易に決めることができ、シリカ濃度を調整して所望の部分ゲル化を実現することができる。あるいは、熟成容器の長さおよび／または直径、温度、および流量は、特定の用途について最適化することができる。熟成時の温度は、一般に０℃から５０℃の範囲である。
【００３６】
連続プロセスでは、熟成は、一般に細長い容器である熟成容器中を混合物が通過するにつれて起こり、混合物が容器出口に到達すると事実上完了する。熟成容器は、任意の適当な容器、パイプ、チューブ、ホース、プラグ流れ反応器、チュービング、またはこれらの組み合わせなどとすることができる。一般に、熟成容器は一定の直径を有し、この直径と長さは、混合物が所望の程度に「熟成する」ために必要な滞在時間をもたらすように選択する。一般の熟成容器は、１０秒から１５分の滞在時間をもたらすために、直径が０．５ｃｍから２５ｃｍ（１／４から１０インチ）の範囲であり、長さが６０ｃｍから１５０ｍ（２から５００フィート）である。一般に、１５分より長い滞在時間を用いることは何らの利益もない。
【００３７】
接触および／または熟成容器は、１９９８年７月２０日出願の米国特許出願第０９／１１９４６８号に記載のような、弾性変形可能容器（例えば、パイプまたはチューブ）であることが好ましい。ここには、ポリケイ酸塩ミクロゲルの連続製造方法が記載されており、容器壁に形成する付着物を取り除くために、弾性変形可能な容器をときどき一時的に変形させると説明している。この容器は、（ｉ）シリカ付着物より大きい弾性率、および（ｉｉ）容器の変形が容器と付着物間の接着力を上回るような表面特性を有する材料から構成されており、これによって容器が変形したときに付着物が除去される。少なくとも約１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）の圧力で二酸化炭素を用いることは、シリカ付着物を除去するために特に有利である。取り除かれた付着物は、シリカ流と二酸化炭素の混合物によって、この混合物が容器中を連続的に通過するにつれて容器からパージされる。付着物はシリカからなるので、多くの用途に関して容器を出る混合物からこれらを分離し除去する必要はない。変形可能容器使用の利点は、付着物が特に形成されやすいプロセスの接触および初期熟成期間に適用したときに特に明白である。
【００３８】
変形可能な容器を用いた場合は、本発明における圧力の使用がこうした容器を変形させる助けになるが、接触および／または熟成容器を変形させる他の手段も使用することができる。これらには、機械手段および振動手段が含まれる。機械手段には、ローラ、プレス、または他の機械装置による、または周囲の流体によって容器への外圧を変化させることによる、容器壁の絞り、伸ばし、または曲げ、および剥離が含まれる。振動手段には、音波または超音波の使用が含まれる。
【００３９】
二酸化炭素の使用も、容器壁に形成する付着物を取り除くために接触容器および熟成容器を含めた反応系をパージする際に大いに助けになる。すなわち、少なくとも約１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）の反応圧力から大気圧へ減圧する際にパージングまたはフラッシングが起こる。本発明の方法は、任意選択で、容器を急速に減圧することによって容器壁に形成する付着物を取り除くことによる、接触および／または熟成容器のパージを含む工程をさらに含む。減圧によって二酸化炭素の溶解度が変化し、このシステムを急速にパージする大量のガスを発生させる。これは、接触および／または熟成容器として変形可能な容器を用いた場合に特に有利である。
【００４０】
工業的利用
熟成混合物またはポリケイ酸塩ミクロゲルは、一般に、さらなるゲル形成を抑える、または最小限にするための処理がなされる。シリカ供給流が水溶性ケイ酸塩の溶液を含む場合は、この処理は単純な希釈工程とすることができ、シリカ濃度を重量で約１０％未満、好ましくは５％未満、特に好ましくは２％未満に低下させて、希釈混合物、または希釈ポリケイ酸塩ミクロゲルを製造する。シリカ供給流が水溶性ケイ酸塩なしにコロイドシリカゾルを含む場合も、希釈工程を用いることもできる。あるいは、この処理をｐＨ調整工程、または希釈工程とｐＨ調整工程の併用とすることもでき、これによって、ゲル化は停止するか阻害されるかまたはその両方である。ｐＨ調整工程では、一般に、ｐＨを３未満または９より高く調整してそれ以上のゲル形成を最小限にする。当技術分野で知られた他の技術もゲル形成を抑えるために選択することができる。
【００４１】
処理済の、すなわち希釈またはｐＨ調整後のミクロゲルは、次いで貯蔵することができ、または所期の用途に使用することができる。あるいは、ミクロゲルを直ちに使用する場合、またはその後のゲル化が所期の用途の許容限度内である場合は、ミクロゲルの希釈またはｐＨ調整は不要かもしれない。所望により、本発明実施中に取り除いた許容できないほど大きなシリカ付着物を除去するために、熟成ミクロゲルを濾過することができる。
【００４２】
本発明によって調製されたポリケイ酸塩ミクロゲルは、こうしたミクロゲルを使用する通常の用途、および現場で確実に生産することができるために現実的になった新しい用途で使用することができる。例えば、ミクロゲルを、水性懸濁液から固形物を除去するための凝集剤、または紙の保持助剤として、しばしばこの目的に用いられる他のポリマーおよび／または化学品とともに使用することができる。
【００４３】
本発明について記述してきたが、次に以下の実施例によって本発明を例証するが、これは本発明を限定するものではない。
【００４４】
（実施例）
実施例１
本実施例は、圧力７５ｐｓｉｇでゲル開始剤としてＣＯ2を用いた場合、シリカ流の流量を変化させて熟成時間を変えても、ミクロゲルサイズには実質上影響を与えることがないことを実証する。本実施例は、圧力７５ｐｓｉｇでゲル開始剤としてＣＯ2を用いた場合、ゲル開始剤とシリカの比率を大きく変化させても、ミクロゲルサイズには実質上影響を与えることがないことも実証する。
【００４５】
ケイ酸ナトリウムの溶液を二酸化炭素と混合してポリケイ酸塩ミクロゲルを調製した。ケイ酸ナトリウム溶液は、Ｎａ2Ｏ：ＳｉＯ2比が３．２２で、ＳｉＯ2２８．５質量％を含有していた。このケイ酸塩溶液は、インラインで十分量の水で希釈してＳｉＯ2濃度をＳｉＯ2２．４質量％に低下させ、次いでこれを内径３．８ｃｍ（１．５インチ）を有する９１．４ｍ（３００フィート）の弾性変形可能なビニルホースに連続的に供給した。希釈ケイ酸塩溶液の流量を変えて異なる反応時間を得た。本明細書で、「反応時間」は、理論的な熟成時間、または希釈ケイ酸塩溶液の流量に基づく「熟成時間」を意味する。二酸化炭素（ＣＯ2）を、流量３４０ｓｌｐｍでホースに供給した。添加したＣＯ2量は、ケイ酸塩溶液の流量に応じて、ケイ酸塩のアルカリ度を完全に中和するために必要な量に基づく化学量論量よりわずかに少ない量から過剰量の範囲であった。ホース内の圧力は、ホースの出口端に設けた制御弁によって５１６ｋＰａ（７５ｐｓｉｇ）に維持した。この２．４質量％のシリカミクロゲル生成物のｐＨおよび目に見えるゲル化の開始、すなわち「ゲルタイム」を、ホースの出口端で測定した。
【００４６】
２．４質量％のミクロゲル生成物を直ちに１質量％のＳｉＯ2に希釈し、ｐＨを２に下げることによって、粘度測定用にシリカミクロゲル生成物のサンプルを調製した。粘度は、キャノンフェンスケ型サイズ５０粘度計チューブを用いて測定した。平均ミクロゲルサイズ（直径ｎｍ）を、動的光散乱分析を用いて粒子サイズを測定した一連のシリカミクロゲルの粘度測定値と、粘度測定値を比較することによって推定した。一連のミクロゲルの粘度測定値と、光散乱分析を用いて測定された粒子サイズとの相関関係を求めた。
【００４７】
動的光散乱分析は、Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ光散乱ゴニオメータ、モデルＢＩ−２００ＳＭを用いて行った。ミクロゲルの測定は、電力２００ｍＷで操作する波長４８８ｎｍのアルゴンイオンレーザを用いて室温で行った。光散乱強度測定は異なる角度で行い、データはジムプロット（Ｚｉｍｍ ｐｌｏｔ）を用いて分析した。
【００４８】
結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
表１から分かるように、ミクロゲルのゲルタイムおよびｐＨは非常に安定しており、安定したミクロゲルサイズを示唆している。
【００５１】
比較例
この実施例は、ゲル開始剤として硫酸を用いた場合、熟成時間の変化がミクロゲルサイズしたがってその性質を大きく変えることになることを実証する。この実施例は、硫酸を用いた場合ゲル開始剤とシリカの比の小さな変化がミクロゲルサイズおよび性質を大きく変えることになることも実証する。
【００５２】
比較のために、５ＮのＨ2ＳＯ4を９８３グラムの希釈ケイ酸ナトリウムと混合して２．４質量％のＳｉＯ2を含有するミクロゲル溶液を形成することによって、ポリケイ酸塩ミクロゲルを調製した。それぞれ、Ｈ2ＳＯ4４１．５ｍｌ、および４１．０ｍｌで２つの別の運転を行った。混合物を熟成して実施例１と同様の反応時間を得た。熟成１分後にｐＨを測定した。混合物からサンプルを取り、ＳｉＯ2１質量％に希釈し、示した熟成時間でｐＨ２に調整した。熟成サンプルの粘度および推定直径を実施例１のようにして求めた。各運転のゲルタイムも求めた。
【００５３】
【表２】
表２から分かるように、シリカミクロゲル調製のためにゲル開始剤として硫酸を使用すると、異なる熟成時間で著しく異なる粘度および粒子サイズを有するミクロゲル生成物が形成された。また、硫酸量がわずかに異なるとゲルタイムが大きく異なり、粘度および粒子サイズが異なる結果となった。表１の結果と比べると、ゲル開始剤として二酸化炭素を使用すると、はるかに安定した製品が得られたことが分かる。
【００５５】
実施例１では、開始剤（ＣＯ2）の量はケイ酸塩に対して３倍を超える範囲で変化しているが、粘度および平均ミクロゲル直径の変化はほとんど認められなかった。一方、比較例では、開始剤（硫酸）の量がケイ酸塩に対してわずか１．２％変化しただけで、粘度および平均ミクロゲル直径の大きな変化が認められた。
【００５６】
実施例２
この実施例は、接触および熟成工程を１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）より高い圧力で行うことによって、より安定した製品が製造されることを実証する。
【００５７】
実施例１の方法を異なる圧力で繰り返した。ＳｉＯ2２８．５質量％を含有する、Ｎａ2Ｏ：ＳｉＯ2比が３．２２のケイ酸ナトリウム溶液を、インラインで十分量の水を用いて希釈してＳｉＯ2濃度をＳｉＯ2２．１質量％に下げた。速度２７０ｓｌｐｍでＣＯ2を添加した。希釈ＳｉＯ2の流量は、毎分２８リットル（７．５ｇｐｍ）であった。ＣＯ2およびケイ酸塩溶液を、内径３．８ｃｍ（１．５インチ）を有する９１．４ｍ（３００フィート）のビニルホースに連続的に供給した。ホース内の圧力は、ホースの出口端に設けた制御弁によって維持した。２．１質量％ゾルのｐＨおよびゲルタイムを、ホースの出口端で測定した。
【００５８】
【表３】
表３から分かるように、ゲルタイムおよびｐＨは圧力約１７２ｋＰａ（約２５ｐｓｉｇ）以上で特に安定していた。安定したゲルタイムおよびｐＨは、ミクロゲルサイズが一定であることを示唆する。
Claims (19)
- ポリケイ酸塩ミクロゲルの連続製造方法であって、（ａ）水溶性ケイ酸塩の水溶液およびコロイドシリカゾルからなる群から選択されるシリカ源を含む供給流を、二酸化炭素を含む供給流と接触容器内で接触させて混合物を製造すること、および（ｂ）混合物を熟成容器内で熟成し混合物を部分的にゲル化させて、熟成混合物を製造することを含み、接触工程、熟成工程、または両方が、３４４ｋＰａ〜１３８０ｋＰａの圧力で行われることを特徴とする方法。
- シリカ源が水溶性ケイ酸塩の水溶液であり、熟成混合物を１０質量％未満のシリカ濃度に希釈して希釈混合物を製造することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 熟成混合物のｐＨを３未満または９を超えるｐＨに調整することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 希釈混合物のｐＨを３未満または９を超えるｐＨに調整することをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
- シリカ源が水溶性ケイ酸塩の水溶液であり、シリカ源を含む供給流のシリカ濃度が０．５から１５質量％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- シリカ源を含む供給流のシリカ濃度が１から１０質量％の範囲であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 二酸化炭素がシリカのアルカリ度を中和するために必要な化学量論量の少なくとも８０％の量で存在することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 二酸化炭素が少なくともシリカのアルカリ度を中和するために必要な化学量論量で存在することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 接触容器、熟成容器、または両方が、弾性変形可能な容器であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 容器壁に形成する付着物を取り除くために、弾性変形可能な容器を変形させることをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 接触容器、熟成容器、または両方の壁に形成する付着物を、１７２ｋＰａを超える圧力から大気圧に、容器を急速に減圧することによって取り除くことをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- ポリケイ酸塩ミクロゲルの連続製造方法であって、（ａ）シリカ源が水溶性ケイ酸塩の水溶液であるシリカ源を含む供給流を、二酸化炭素を含む供給流と接触容器内で接触させて混合物を製造すること、および（ｂ）混合物を熟成容器内で熟成し混合物を部分的にゲル化させて、熟成混合物を製造することを含み、シリカ源を含む供給流のシリカ濃度が０．５から１５質量％の範囲であり、二酸化炭素がシリカのアルカリ度を中和するために必要な化学量論量の少なくとも８０％の量で存在し、前記方法が３４４ｋＰａから１３８０ｋＰａの範囲の圧力で行われることを特徴とする方法。
- 熟成混合物を５．０質量％未満のシリカ濃度に希釈して、希釈混合物を製造することをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- 混合物のｐＨを３未満または９を超えるｐＨに調整することをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- 希釈混合物のｐＨを３未満または９を超えるｐＨに調整することをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
- 二酸化炭素が、少なくともシリカのアルカリ度を中和するために必要な化学量論量で存在することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- シリカ源を含む供給流および二酸化炭素を含む供給流が、これらの供給流が３０°以上の角度で集中する混合域に同時に導入されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- 接触容器、熟成容器、または両方が弾性変形可能な容器であり、弾性変形可能な容器を変形させて容器壁に形成する付着物を取り除くこと、および付着物を容器からパージすることをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
- ポリケイ酸塩ミクロゲルの連続製造方法であって、（ａ）シリカ源が水溶性ケイ酸塩の水溶液であるシリカ源を含む供給流を、二酸化炭素を含む供給流と接触容器内で接触させて、ｐＨが６．５から７．５の範囲の混合物を製造すること、（ｂ）混合物を熟成容器内で熟成し混合物を部分的にゲル化させて、熟成混合物を製造すること、（ｃ）熟成混合物を５％未満のシリカ濃度に希釈することを含み、二酸化炭素が少なくともシリカのアルカリ度を中和するために必要な化学量論量で存在し、前記方法が３４４ｋＰａから１３８０ｋＰａの範囲の圧力で行われることを特徴とする方法。
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