RU2171222C1

RU2171222C1 - Method for production special-destination liquid glass

Info

Publication number: RU2171222C1
Application number: RU2000111780A
Authority: RU
Inventors: В.В. Шарова; Е.Н. Подвольская
Original assignee: Братский государственный технический университет
Priority date: 2000-05-11
Filing date: 2000-05-11
Publication date: 2001-07-27

Abstract

FIELD: glassmaking. SUBSTANCE: liquid glass destined for manufacture of building materials is prepared from suspension of silica-containing amorphous material: microsilica, which is crystalline silicon production waste with particle size (10-200)10^-6 m, in sodium hydroxide solution at ratio of solid and liquid phases in suspension 1:(1.9-5.65). Suspension is subjected to hydrothermal treatment for 10 to 120 min at pressure 0.2 MPa and 100-120 C. Invention extends ranges of silica modulus and density of liquid glass. EFFECT: enabled production of homogeneous product with special chemical composition imparting high chemical stability and heat resistance to materials and articles based on liquid glass. 2 tbl

Description

Изобретение относится к технологии получения жидкого стекла для производства строительных материалов. The invention relates to a technology for producing liquid glass for the production of building materials.

Известен способ получения жидкого стекла, заключающийся в сплавлении щелочесодержащих компонентов (кальцинированная сода, поташ, сульфат натрия) и молотого кварцевого песка в силикат-глыбу при температуре 1300-1400^oC и дальнейшего ее растворения в автоклавах при температуре 150-175^oC и давлении 0,4-0,8 МПа в течение 4-6 ч [А.с. СССР N 272273, кл. C 01 B 33/32, 1970].A known method of producing liquid glass, which consists in the fusion of alkali-containing components (soda ash, potash, sodium sulfate) and ground silica sand into a silicate block at a temperature of 1300-1400 ^o C and its further dissolution in autoclaves at a temperature of 150-175 ^o C and pressure 0.4-0.8 MPa for 4-6 hours [A.S. USSR N 272273, class C 01 B 33/32, 1970].

Недостатком этого способа является трудоемкость процесса, необходимость сложного технологического оборудования и большого расхода энергии. The disadvantage of this method is the complexity of the process, the need for sophisticated technological equipment and high energy consumption.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ получения жидкого стекла, включающий приготовление суспензии из кремнеземсодержащего аморфного вещества в растворе гидроксида натрия и последующую гидротермальную обработку при 80-85^oC и атмосферном давлении в течение 40-120 мин. В качестве кремнеземсодержащего вещества в данном способе используется отход производства кристаллического кремния - микрокремнезем, на 83-93 мас.% состоящий из SiO₂ и с размером частиц (0,1-100)•10^-6 м. Концентрация Na₂O в растворе составляет 95-100 кг/м³, соотношение твердой и жидкой фаз 1:(2,3-5,1) [Патент РФ N 2085489, кл. C 01 B 33/32, 1997].Closest to the invention in technical essence is a method for producing liquid glass, comprising preparing a suspension of a silica-containing amorphous substance in a solution of sodium hydroxide and subsequent hydrothermal treatment at 80-85 ^o C and atmospheric pressure for 40-120 minutes As a silica-containing substance, this method uses a crystalline silicon production waste - microsilica, 83-93 wt.% Consisting of SiO ₂ and with a particle size (0.1-100) • 10 ^-6 m. The concentration of Na ₂ O in solution is 95-100 kg / m ³ , the ratio of solid and liquid phases 1: (2.3-5.1) [RF Patent N 2085489, class. C 01 B 33/32, 1997].

Недостатками способа являются невозможность использования получаемого жидкого стекла (без дополнительного введения добавок) в бетонах и растворах специального назначения (кислото- и жаростойких); сравнительно узкий диапазон значений силикатного модуля (n=1-3) и плотности (p=1,23-1,37 г/см³); неоднородность получаемого продукта из-за присутствия в сырье частиц с очень широким диапазоном их размера (от 0,1 до 100)•10^-6 м. Известно, что для растворения более мелких частиц требуется меньшее время и более низкие температуры, а сравнительно крупные частицы растворяются при более высоких температурах и за более длительный период. Таким образом, получаемое из микрокремнезема с размером частиц от 0,1 до 100•10^-6 м жидкое стекло характеризуется неоднородностью состава, а следовательно и неудовлетворительным качеством: либо в продукте присутствуют не полностью растворившиеся частицы (наиболее крупные), либо наблюдается наличие переваренных комплексов, полученных из наиболее мелких частиц микрокремнезема.The disadvantages of the method are the inability to use the resulting liquid glass (without additional introduction of additives) in concrete and mortars for special purposes (acid- and heat-resistant); a relatively narrow range of values of silicate module (n = 1-3) and density (p = 1.23-1.37 g / cm ³ ); heterogeneity of the resulting product due to the presence in the raw material of particles with a very wide range of their size (from 0.1 to 100) • 10 ^-6 m. It is known that dissolving smaller particles requires less time and lower temperatures, and relatively large particles dissolve at higher temperatures and over a longer period. Thus, liquid glass obtained from silica fume with a particle size of 0.1 to 100 • 10 ^-6 m is characterized by a heterogeneous composition and, therefore, unsatisfactory quality: either incompletely dissolved particles (the largest) are present in the product, or the presence of overcooked complexes obtained from the smallest particles of silica fume.

Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, является получение жидкого стекла со специальными свойствами; улучшение качества готового продукта (повышение его однородности); расширение диапазона его свойств. The problems solved by the invention are the production of water glass with special properties; improving the quality of the finished product (increasing its uniformity); expanding the range of its properties.

Технический результат - расширение диапазона значений силикатного модуля и плотности жидкого стекла; получение качественного однородного продукта особого химического состава, обуславливающего высокую химическую стойкость и жаростойкость материалам и изделиям на основе жидкого стекла. The technical result is the expansion of the range of values of the silicate module and the density of liquid glass; obtaining a high-quality homogeneous product of a special chemical composition, which determines high chemical resistance and heat resistance of materials and products based on liquid glass.

Указанный технический результат достигается тем, что приготовление суспензии в щелочном растворе гидроксида натрия осуществляют из кремнеземсодержащего аморфного материала - микрокремнезема - отхода производства кристаллического кремния с размером частиц (10-200)•10^-6 м, содержащего в своем составе 76-84 мас.% SiO₂ и 15-23 мас.% углеродистых примесей (графит и карборунд) при соотношении твердой и жидкой фаз в суспензии Т:Ж=1:(1,9-5,65), а гидротермальную обработку суспензии проводят при давлении 0,2 МПа и температуре 100-120^oC в течение 10-120 мин.The specified technical result is achieved in that the suspension is prepared in an alkaline solution of sodium hydroxide from a silica-containing amorphous material - silica fume - a waste product of crystalline silicon with a particle size of (10-200) • 10 ^-6 m, containing 76-84 wt.% In its composition SiO ₂ and 15-23 wt.% Carbon impurities (graphite and carborundum) with a ratio of solid and liquid phases in suspension T: W = 1: (1.9-5.65), and the hydrothermal treatment of the suspension is carried out at a pressure of 0.2 MPa and a temperature of 100-120 ^o C for 10-120 minutes

В качестве щелочного компонента используют натр едкий технический. В качестве кремнеземсодержащего аморфного материала используют отход производства кристаллического кремния - микрокремнезем. As the alkaline component, sodium hydroxide is used. As a silica-containing amorphous material, crystalline silicon production waste - microsilica is used.

Способ состоит в следующем. Отдозированные в заданных количествах исходные материалы: микрокремнезем, вода, известной концентрации щелочной раствор загружают в мешалку с механическим перемешиванием и глухим паропроводом. Химический состав микрокремнезема указан в табл. 1, концентрация Na₂O в растворе остается прежней, как и в прототипе: 95-100 кг/м³. Соотношение твердой и жидкой фаз составляет 1:(1,9-5,65). При постоянном перемешивании содержимое мешалки нагревают до температуры 80-85^oC. После этого подачу тепла отключают, а температура поднимается до 100-120^oC. Варится жидкое стекло при давлении 0,2 МПа в течение 10-120 мин.The method is as follows. The initial materials metered in predetermined quantities: silica fume, water, a known concentration of alkaline solution, are loaded into a mixer with mechanical stirring and a blank steam line. The chemical composition of silica fume is indicated in table. 1, the concentration of Na ₂ O in the solution remains the same, as in the prototype: 95-100 kg / m ³ . The ratio of solid and liquid phases is 1: (1.9-5.65). With constant stirring, the contents of the mixer are heated to a temperature of 80-85 ^o C. After that, the heat supply is turned off, and the temperature rises to 100-120 ^o C. Liquid glass is brewed at a pressure of 0.2 MPa for 10-120 minutes.

Принятый температурный и временной режим процесса получения жидкого стекла обусловлен:
1. Высокодисперсным состоянием микрокремнезема.The accepted temperature and time regime of the process for producing liquid glass is due to:
1. The highly dispersed state of silica fume.

Микрокремнезем - отход производства кристаллического кремния на Братском алюминиевом заводе. Удаляется микрокремнезем из газов, отходящих от рудотермической печи выплавки кристаллического кремния, перед выбросом их в атмосферу. Для этой цели используют газоочистное сооружение, которое условно можно разделить на несколько узлов:
1) Узел предварительной очистки газов. Здесь улавливаются крупные частицы и щепа. Узел включает в себя прямоточные циклоны.Silica fume - a waste of the production of crystalline silicon at the Bratsk aluminum plant. Silica fume is removed from gases emanating from the ore-thermal furnace for smelting crystalline silicon, before being released into the atmosphere. For this purpose, a gas treatment facility is used, which can conditionally be divided into several nodes:
1) Gas pre-treatment unit. Large particles and wood chips are captured here. The node includes once-through cyclones.

2) Узел кондиционирования и охлаждения. Здесь происходит увлажнение газов мелкораспыленной водой. Узел включает в себя: скрубберы полного испарения, насосы, механические фильтры. 2) A / C unit. Here, humidification of the gases with finely atomized water takes place. The unit includes: scrubbers full evaporation, pumps, mechanical filters.

3) Узел пылеулавливания. Состоит из горизонтальных четырехпольных электрофильтров и системы пылеулавливания. 3) Dust collection unit. It consists of horizontal four-field electrostatic precipitators and a dust collection system.

Для получения жидкого стекла по предлагаемому способу используется микрокремнезем, осевший в первом и во втором по ходу движения газов поле. Размер частиц такого микрокремнезема сравнительно мал и составляет (10-200)•10^-6 м. Сравнительно узкий диапазон размера частиц позволяет получать однородный качественный продукт (все частицы микрокремнезема успевают раствориться). Использование микрокремнезема первого и второго полей позволяет почти наполовину (всего четыре поля) утилизировать многотоннажный отход промышленности.To obtain liquid glass by the proposed method, silica fume is used, which has settled in the first and second field along the course of the gas movement. The particle size of such silica fume is relatively small and amounts to (10-200) • 10 ^-6 m. A relatively narrow particle size range allows to obtain a homogeneous high-quality product (all silica fume particles have time to dissolve). The use of silica fume of the first and second fields allows almost half (only four fields) to utilize the large-tonnage industrial waste.

2. Увеличением доли микрокремнезема в суспензии (n=1-9), за счет чего увеличивается поверхность контакта между реагирующими частицами, что приводит к упрощению процесса получения жидкого стекла. 2. An increase in the fraction of silica fume in suspension (n = 1-9), due to which the contact surface between the reacting particles increases, which simplifies the process of producing liquid glass.

3. Особенностями химического состава микрокремнезема. 3. Features of the chemical composition of silica fume.

Производство кристаллического кремния основано на процессах рудовосстановления. Для выплавки кремния рудным компонентом служит богатый по кремнезему кварцит. В качестве восстановителя используют углеродистые материалы: древесный уголь, нефтекокс, древесная щепа и другие. Реакции протекают при температуре свыше 2000^oC. В этих условиях происходит образованию графита (C) и карборунда (SiC), частицы которых вместе с микрокремнеземом удаляются из газов, отходящих от печи выплавки кристаллического кремния, и улавливаются системой газоочистки. Количество углеродистых примесей в микрокремнеземе зависит от используемых сырьевых материалов, режима технологического процесса производства кристаллического кремния, а также технологии газоочистки (табл. 1) - наибольшее содержание углеродистых примесей в микрокремнеземе, осевшем в первом и втором по ходу движения газов поле.The production of crystalline silicon is based on ore reduction processes. Silica-rich ore component is silica-rich quartzite. Carbon materials are used as a reducing agent: charcoal, petroleum coke, wood chips and others. Reactions proceed at temperatures above 2000 ^o C. Under these conditions, the formation of graphite (C) and carborundum (SiC) occurs, the particles of which, together with silica fume, are removed from the gases leaving the crystalline silicon smelting furnace and captured by a gas purification system. The amount of carbon impurities in silica fume depends on the raw materials used, the process regime for the production of crystalline silicon, and gas purification technology (Table 1) —the highest content of carbon impurities in silica fume settled in the first and second field along the gas flow.

Свойства графита и карборунда позволяют рассматривать их не как примеси, ухудшающие качества продукта, а как компонент сырьевой смеси, позволяющий упростить и сократить длительность технологического процесса производства жидкого стекла. Известно, что графит и карборунд обладают высокой теплопроводностью. За счет этого свойства равномерно распределенные в объеме микрокремнезема мельчайшие частицы C и SiC способствуют интенсификации процесса образования жидкого стекла. The properties of graphite and carborundum allow us to consider them not as impurities that impair the quality of the product, but as a component of the raw material mixture, which simplifies and reduces the duration of the liquid glass production process. Graphite and carborundum are known to have high thermal conductivity. Due to this property, the smallest particles C and SiC evenly distributed in the silica fume volume contribute to the intensification of the process of liquid glass formation.

Полученное предлагаемым способом жидкое стекло от углеродистого осадка не отделяют. Применяя в стройиндустрии неочищенное жидкое стекло, свойства графита и карборунда (химическая инертность и стойкость, механическая прочность и твердость, жаростойкость и огнеупорность) могут быть использованы в производстве строительных материалов специального назначения. Obtained by the proposed method, liquid glass from the carbon precipitate is not separated. Applying raw liquid glass in the construction industry, the properties of graphite and carborundum (chemical inertness and resistance, mechanical strength and hardness, heat resistance and fire resistance) can be used in the production of building materials for special purposes.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующим примером. В качестве кремнеземсодержащего компонента используют микрокремнезем, состоящий из частиц размером (10-200)•10^-6 м. В заданных соотношениях готовят суспензию из 210 г микрокремнезема, что исходя из химического состава составляет 164 г двуокиси кремния, 380 г едкого натра, что соответствует 164 г Na₂O, 1360 г воды. Соотношение твердой и жидкой фаз в суспензии равно 4,21. Все сырьевые компоненты: микрокремнезем, едкий натр и воду дозируют одновременно при непрерывном перемешивании. При давлении 0,2 МПа и постоянном перемешивании суспензию нагревают до 80-85^oC. При этой температуре начинает происходить растворение частичек SiO₂ в NaOH, что сопровождается повышением температуры до 100-120^oC. Такой режим в мешалке поддерживают до тех пор, пока суспензия не станет прозрачной, а на ее поверхности не появится тонкая пленочка (свидетельство полного растворения двуокиси кремния с образованием жидкого стекла). Продолжительность этого процесса 120 мин. Полученное жидкое стекло не очищают. Плотность готового продукта p=1,28 г/см³, силикатный модуль n=1.The proposed method is illustrated by the following example. As a silica-containing component, silica fume is used, consisting of particles with a size of (10-200) • 10 ^-6 m. A suspension of 210 g of silica fume is prepared in the given proportions, which, based on the chemical composition, is 164 g of silicon dioxide, 380 g of sodium hydroxide, which corresponds to 164 g of Na ₂ O, 1360 g of water. The ratio of solid and liquid phases in suspension is 4.21. All raw materials: silica fume, caustic soda and water are dosed simultaneously with continuous stirring. At a pressure of 0.2 MPa and constant stirring, the suspension is heated to 80-85 ^o C. At this temperature, particles of SiO ₂ in NaOH begin to dissolve, which is accompanied by an increase in temperature to 100-120 ^o C. This mode is maintained in the mixer until until the suspension becomes transparent, and a thin film appears on its surface (evidence of complete dissolution of silicon dioxide with the formation of liquid glass). The duration of this process is 120 minutes. The resulting liquid glass is not cleaned. The density of the finished product p = 1.28 g / cm ^{3 the} silicate module n = 1.

Аналогичным образом приготовлены еще 8 составов жидкого стекла. Similarly prepared another 8 compositions of liquid glass.

В таблице 2 приведены параметры получения жидкого стекла по предлагаемому способу, а также основные показатели, характеризующие свойства полученного жидкого стекла. Table 2 shows the parameters for the production of liquid glass by the proposed method, as well as the main indicators characterizing the properties of the obtained liquid glass.

Данные таблицы показывают, что продолжительность гидротермальной обработки суспензии составляет 10-120 мин, температура технологического процесса получения жидкого стекла 100-120^oC, давление 0,2 МПа.The data in the table show that the duration of the hydrothermal treatment of the suspension is 10-120 min, the temperature of the process for producing liquid glass is 100-120 ^o C, pressure 0.2 MPa.

Предлагаемый способ позволяет значительно расширить диапазон значений силикатного модуля (n= 1-3 в прототипе, n=1-9 в предлагаемом варианте) и плотности жидкого стекла (p=1,23-1,37 г/см³ в прототипе и p=1,17-1,59 г/см³ в предлагаемом варианте). Кроме того, способ позволяет получить качественный однородный продукт особого химического состава, обуславливающий высокую химическую стойкость и жаростойкость материалам и изделиям на основе жидкого стекла. И наконец, увеличение доли микрокремнезема в суспензии (значения силикатного модуля до 9) и применение микрокремнезема двух из четырех полей способствует более полному использованию многотоннажного промышленного отхода, что позволяет организовать безотходное производство и тем самым способствует решению экологических проблем.The proposed method allows to significantly expand the range of values of the silicate module (n = 1-3 in the prototype, n = 1-9 in the proposed embodiment) and the density of water glass (p = 1.23-1.37 g / cm ³ in the prototype and p = 1.17-1.59 g / cm ³ in the proposed embodiment). In addition, the method allows to obtain a high-quality homogeneous product of a special chemical composition, which leads to high chemical resistance and heat resistance of materials and products based on liquid glass. And finally, an increase in the proportion of silica fume in suspension (silicate modulus values up to 9) and the use of silica fume in two of the four fields contributes to a more complete use of large tonnage industrial waste, which allows organizing waste-free production and thereby contributes to solving environmental problems.

Claims

A method for producing special-purpose liquid glass, including the preparation of a suspension from a silica-containing amorphous material in an alkaline solution of sodium hydroxide, followed by hydrothermal treatment, characterized in that the suspension is prepared from silica-containing amorphous material - silica fume - a waste product of crystalline silicon with a particle size of (10 - 200) • 10 ^-6 m, containing 76 - 84 wt. % SiO ₂ and 15 - 23 wt.% Carbon impurities (graphite and carborundum) with a ratio of solid and liquid phases in suspension T: W = 1: (1.9 - 5.65), and the hydrothermal treatment of the suspension is carried out at a pressure of 0, 2 MPa and a temperature of 100 - 120 ° C for 10 - 120 minutes.