RU2319672C2 - Method of production of the quartz glass - Google Patents
Method of production of the quartz glass Download PDFInfo
- Publication number
- RU2319672C2 RU2319672C2 RU2005136175/03A RU2005136175A RU2319672C2 RU 2319672 C2 RU2319672 C2 RU 2319672C2 RU 2005136175/03 A RU2005136175/03 A RU 2005136175/03A RU 2005136175 A RU2005136175 A RU 2005136175A RU 2319672 C2 RU2319672 C2 RU 2319672C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- precipitate
- diatoms
- quartz glass
- mixture
- hours
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к получению кварцевого стекла для применения его в оптике и других отраслях.The invention relates to the production of quartz glass for use in optics and other industries.
Кварцевое стекло, представляющее собой чистый диоксид кремния (SiO2), обладает рядом уникальных свойств по сравнению со стеклами другого состава. К таковым относятся высокая температура плавления (температура размягчения 1300°С), стойкость к резким перепадам температур, химическая стойкость по отношению к кислотам, высокое светопропускание, в том числе в ультрафиолетовой области спектра. Оптические свойства кварцевого стекла приобрели особое значение в последние годы в связи с интенсивным развитием оптоволоконных средств связи. Следует отметить, что необходимым условием получения качественного кварцевого стекла является высокая чистота исходного сырья, содержание примесей не должно превышать 10-6-10-2% в зависимости от области применения конечных изделий.Quartz glass, which is pure silicon dioxide (SiO 2 ), has a number of unique properties compared to glasses of a different composition. These include a high melting point (softening point 1300 ° C), resistance to sharp temperature changes, chemical resistance to acids, high light transmission, including in the ultraviolet region of the spectrum. The optical properties of quartz glass have gained particular importance in recent years in connection with the intensive development of fiber optic communications. It should be noted that a necessary condition for obtaining high-quality quartz glass is the high purity of the feedstock, the content of impurities should not exceed 10 -6 -10 -2 %, depending on the field of application of the final product.
Известные способы получения кварцевого стекла предусматривают плавление природного сырья, в качестве которого используют природные разновидности горного хрусталя, жильный кварц, кварцевый песок, т.е. кристаллические минералы SiO2 [Химическая энциклопедия: В 5 т.: т.4: /Гл. ред. Зефиров Н.С.. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. - С.421] [1].Known methods for producing quartz glass include melting of natural raw materials, which use natural varieties of rock crystal, vein quartz, quartz sand, i.e. crystalline minerals SiO 2 [Chemical encyclopedia: 5 tons: 4: / Ch. ed. Zefirov N.S. - M .: Big Russian Encyclopedia, 1995. - P.421] [1].
К недостаткам известных способов можно отнести малую распространенность достаточно чистых пород, необходимость трудоемких процессов по сортировке, удалению поверхностных загрязнений химическим травлением в агрессивных средах и др.The disadvantages of the known methods include the low prevalence of fairly pure rocks, the need for laborious processes for sorting, removal of surface contaminants by chemical etching in aggressive environments, etc.
Многостадийная обработка кварцсодержащего сырья, включающая дробление, измельчение, электромагнитную сепарацию, оттирку, флотацию и термообработку [Патент №2182113 RU, 2002] [2], делает процесс получения целевого продукта затратным по времени и материальным средствам.Multistage processing of quartz-containing raw materials, including crushing, grinding, electromagnetic separation, scrubbing, flotation and heat treatment [Patent No. 2182113 RU, 2002] [2], makes the process of obtaining the target product time-consuming and material.
Известный способ получения кварцевого стекла из синтетической поликремневой кислоты предусматривает добычу кварца, превращение его либо в летучие соединения кремния, такие как хлорид, алкоксисиланы, либо в растворимые соли - силикаты металлов [Химическая энциклопедия: В 5 т. - Т.2 / Гл. ред. Кнунянц И.Л. - М.: Сов. энцикл., 1990. - С.508, 517, 520] [3].A known method of producing silica glass from synthetic polysilicic acid involves the extraction of quartz, its conversion either to volatile silicon compounds, such as chloride, alkoxysilanes, or to soluble salts - metal silicates [Chemical Encyclopedia: 5 tons - T.2 / Ch. ed. Knunyants I.L. - M .: Owls. encycl., 1990. - S. 508, 517, 520] [3].
Известный способ дает возможность использовать традиционные методы очистки химических веществ (ректификацию, кристаллизацию, ионный обмен) для получения продукта требуемой чистоты даже при использовании сырья низкого качества.The known method makes it possible to use traditional methods of purification of chemicals (rectification, crystallization, ion exchange) to obtain a product of the required purity even when using low quality raw materials.
Тем не менее сложность и многоступенчатость известного способа, необходимость применения высоких температур, безводных сред, значительное количество неиспользуемых отходов делают известный способ экономически неэффективным и экологически опасным.Nevertheless, the complexity and multi-stage of the known method, the need for high temperatures, anhydrous environments, a significant amount of unused waste make the known method economically inefficient and environmentally hazardous.
Одним из преимущественных путей решения проблемы рационального получения кварцевого стекла является поиск новых источников доступного сырья.One of the primary ways to solve the problem of rational production of quartz glass is to search for new sources of available raw materials.
В качестве источника кремнезема определенный интерес представляет диатомит, состоящий, в основном, из кремнистых створок диатомовых водорослей. В настоящее время диатомит применяется главным образом в качестве фильтрующего материала, наполнителя композитов. Прямое его использование для получения оптического кварцевого стекла невозможно из-за большого содержания примесей частиц терригенного характера. Даже после специальной очистки [US 006653255, 2003 [4]; US 005656568, 1997 [5]] диатомит содержит примеси железа и алюминия на уровне десятых долей процента и требует дальнейшей очистки, включающей переведение в растворимые соли кремневой кислоты [Заявка JP 2001097711] [6].As a source of silica, diatomite, consisting mainly of siliceous cusps of diatoms, is of particular interest. Currently, diatomite is mainly used as a filtering material, a filler of composites. Its direct use for obtaining optical quartz glass is impossible due to the high content of impurities of terrigenous particles. Even after special cleaning [US 006653255, 2003 [4]; US 005656568, 1997 [5]] diatomite contains impurities of iron and aluminum at the level of tenths of a percent and requires further purification, including the conversion into soluble salts of silicic acid [Application JP 2001097711] [6].
Известны решения, в которых в качестве источника кремнезема предлагается использовать кремнийсодержащие растения [Заявка US 20030133863 [7]; Заявка WO 2004073600 [8]]. В известных способах также присутствует значительное количество предварительных стадий выделения и очистки соединений кремния, при которых проводят карбонизацию растительной массы, перевод кремнезема в растворимые соли щелочных металлов, их очистку и последующее получение из них поликремневой кислоты.Known solutions in which silicon-containing plants are proposed to be used as a source of silica [Application US 20030133863 [7]; Application WO 2004073600 [8]]. In the known methods there is also a significant number of preliminary stages for the isolation and purification of silicon compounds, in which the carbonization of the plant mass, the conversion of silica to soluble salts of alkali metals, their purification and subsequent preparation of polysilicic acid from them are carried out.
Кроме того, последние стадии получения поликремневой кислоты представляют собой так называемый "мокрый" процесс, заключающийся в гидролизе алкоксисиланов или в осаждении целевого продукта действием минеральных кислот на водные растворы силикатов щелочных или щелочноземельных металлов [Айлер Р. Химия кремнезема // Пер. с англ. М.: Мир, 1982. [9]; Brinker С.J., Scherer G.W. Sol-gel science: the physics and chemistry of sol-gel processing // London: Academic Press, 1990 [10]].In addition, the last stages of the preparation of polysilicic acid are the so-called "wet" process, which consists in the hydrolysis of alkoxysilanes or in the precipitation of the target product by the action of mineral acids on aqueous solutions of alkali or alkaline earth metal silicates [Euler R. Silica Chemistry // Trans. from English M .: Mir, 1982. [9]; Brinker C.J., Scherer G.W. Sol-gel science: the physics and chemistry of sol-gel processing // London: Academic Press, 1990 [10]].
Недостатком этого подхода является тот факт, что конечная поликремневая кислота, полученная как реакцией гидролиза алкоксисиланов [Заявка US 2005019243 [11]; Заявка US 2003157011 [12]; ЕР 1167309, 2002 [13]; CN 1458064, 2003 [14]], так и осаждением из растворов силикатов [US 006716408, [15]; Заявка US 2003131536 [16]; Заявка US 2003003041 [17]], обладает развитой губчатой поверхностью и содержит существенное количество связанной воды и силанольных групп (Si-OH), которые при нагревании конденсируются с образованием силоксановых связей и выделением воды.The disadvantage of this approach is the fact that the final polysilicic acid obtained as a reaction of hydrolysis of alkoxysilanes [Application US 2005019243 [11]; Application US 2003157011 [12]; EP 1167309, 2002 [13]; CN 1458064, 2003 [14]] and by precipitation from solutions of silicates [US 006716408, [15]; Application US 2003131536 [16]; Application US 2003003041 [17]], has a developed spongy surface and contains a significant amount of bound water and silanol groups (Si-OH), which, when heated, condense to form siloxane bonds and release water.
Непосредственное применение подобного материала в производстве прозрачного кварцевого стекла невозможно из-за образования микро- и нанопузырьков, возникающих при испарении воды. Получаемый при этом продукт имеет губчатую структуру, неудовлетворительные механические и оптические свойства.The direct use of such a material in the production of transparent quartz glass is impossible due to the formation of micro- and nanobubbles arising from the evaporation of water. The resulting product has a spongy structure, poor mechanical and optical properties.
Для устранения этого предложено превращать аморфную поликремневую кислоту в кристаллический кварц под действием каталитических количеств металлов и высоких температур [Заявка JP 2002020111] [18]. В ходе этого превращения значительно понижается содержание воды и силанольных групп, что позволяет использовать подобный синтетический кварц для получения стекла. В то же время введение катализаторов кристаллизации понижает чистоту конечных изделий и таким образом сужает сферу их возможного применения [Заявка US2003124044] [19].To eliminate this, it was proposed to convert amorphous polysilicic acid to crystalline quartz under the influence of catalytic amounts of metals and high temperatures [Application JP 2002020111] [18]. During this transformation, the content of water and silanol groups is significantly reduced, which allows the use of similar synthetic quartz to obtain glass. At the same time, the introduction of crystallization catalysts lowers the purity of the final products and thus narrows the scope of their possible application [Application US2003124044] [19].
Известен способ, в котором предлагается синтезировать поликремневую кислоту золь-гель методом и кристаллизовать ее прогревом при температурах 1300-1700°С в течение нескольких суток в присутствии благородных металлов [Заявка US2004089024] [20]. Данный способ позволяет получать микрокристаллический продукт, пригодный для плавки в оптическое кварцевое стекло, но сохраняющий все вышеупомянутые недостатки, связанные с многостадийностью процесса и сложностью отдельных этапов.There is a method in which it is proposed to synthesize polysilicic acid by the sol-gel method and crystallize it by heating at temperatures of 1300-1700 ° C for several days in the presence of noble metals [Application US2004089024] [20]. This method allows to obtain a microcrystalline product suitable for melting into optical quartz glass, but retaining all of the above disadvantages associated with the multi-stage process and the complexity of the individual steps.
Заявляемый способ близкого аналога не имеет.The inventive method has no close analogue.
Техническим результатом изобретения является упрощение получения кварцевого стекла из аморфного кремнезема за счет исключения промежуточной стадии микрокристаллизации аморфного кремнезема (получение кварцевой крупки), необходимой для удаления влаги, а также расширение сырьевой базы для его получения за счет использования возобновляемых ресурсов, повышение степени переработки биологического сырья.The technical result of the invention is to simplify the production of quartz glass from amorphous silica by eliminating the intermediate stage of microcrystallization of amorphous silica (obtaining quartz grains) necessary to remove moisture, as well as expanding the raw material base for its production through the use of renewable resources, increasing the degree of processing of biological raw materials.
Технический результат достигается тем, что для получения кварцевого стекла из аморфного кремнезема в качестве сырья используют кремнистые створки диатомовых водорослей, выделенные из их биомассы путем удаления органических компонентов клеток.The technical result is achieved by the fact that to obtain silica glass from amorphous silica, silica cusps of diatoms isolated from their biomass by removing organic cell components are used as raw materials.
Способ предусматривает удаление органических компонентов клеток диатомовых водорослей последовательным воздействием на биомассу водорослей химическим путем. Для этого вначале проводят экстрагирование биомассы водорослей органическим растворителем для извлечения фракции жирных кислот с отделением осадка. После этого на отделенный осадок воздействуют раствором ПАВ и комплексообразователя с последующим отделением осадка и его промывкой. Указанный выше процесс воздействия на осадок повторяют несколько раз в зависимости от степени чистоты исходного сырья. Как правило, достаточно повторить процесс 2-5 раз. После этого полученный осадок обрабатывают сильными минеральными кислотами в течение 10-12 часов. Возможна дополнительная очистка осадка диатомовых водорослей минеральными кислотами с добавками или их смесью для удаления нежелательных включений. Обработанный осадок отделяют и проводят его кипячение в новой порции минеральной кислоты или смеси кислот в течение 2-3 часов. После кипячения очищенный осадок в виде створок диатомовых водорослей промывают водой и высушивают, получая целевой продукт - аморфный кремнезем.The method involves the removal of the organic components of diatom cells by sequential chemical treatment of the algae biomass. To do this, first, the algae biomass is extracted with an organic solvent to extract the fatty acid fraction with separation of the sediment. After that, the separated precipitate is exposed to a solution of a surfactant and a complexing agent, followed by separation of the precipitate and its washing. The above process of exposure to the precipitate is repeated several times depending on the degree of purity of the feedstock. As a rule, it is enough to repeat the process 2-5 times. After that, the resulting precipitate is treated with strong mineral acids for 10-12 hours. It is possible to further purify the precipitate of diatoms with mineral acids with additives or their mixture to remove unwanted inclusions. The treated precipitate is separated and boiled in a new portion of a mineral acid or mixture of acids for 2-3 hours. After boiling, the purified precipitate in the form of valves of diatoms is washed with water and dried, obtaining the target product - amorphous silica.
Способ может включать дополнительную очистку створок диатомей после стадии обработки осадка кипячением в минеральной кислоте или смеси кислот. При этом их обработку осуществляют смесью концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1:3.The method may include additional purification of diatom valves after the stage of processing the precipitate by boiling in mineral acid or a mixture of acids. Moreover, their processing is carried out with a mixture of concentrated nitric and hydrochloric acids in a ratio of 1: 3.
В качестве органического растворителя для извлечения фракции жирных кислот используют смесь метанола и хлороформа в соотношении этих компонентов 2:1.A mixture of methanol and chloroform in the ratio of these components 2: 1 is used as an organic solvent for the extraction of the fatty acid fraction.
Воздействие раствором ПАВ и комплексообразователя проводят при нагревании до 95-100°С в течение 2-3 часов.The impact of a surfactant solution and a complexing agent is carried out by heating to 95-100 ° C for 2-3 hours.
В качестве ПАВ используют додецилсульфонат натрия, а в качестве комплексообразователя Трилон Б при содержании их соответственно 20 г и 0,3 г на 1 литр воды.Sodium dodecyl sulfonate is used as a surfactant, and Trilon B as a complexing agent with their content of 20 g and 0.3 g per 1 liter of water, respectively.
В качестве сырья используют диатомовые водоросли, выращенные в искусственных условиях, например в фотобиореакторе.As raw materials, diatoms grown under artificial conditions, for example, in a photobioreactor, are used.
В качестве сырья используют диатомовые водоросли вида Synedra Acus, выращенные в пресноводной культуральной среде.As raw materials, diatoms of the species Synedra Acus grown in a freshwater culture medium are used.
Способ предусматривает возможность использования диатомовых водорослей, собранных в естественном водоеме.The method provides for the possibility of using diatoms collected in a natural body of water.
Полученный кремнезем при плавлении его в высокотемпературном пламени образует прозрачное кварцевое стекло.Silica obtained by melting it in a high-temperature flame forms transparent quartz glass.
Диатомовые водоросли (Diatomeae), предлагаемые в данном изобретении в качестве источника кремнезема для получения кварцевого стекла, являются одноклеточными фотосинтезирующими организмами, широко распространенными в природных водоемах (океан, озера, реки) и других местах обитания (снег, почва, кора деревьев). Океанические диатомовые водоросли обеспечивают до 20% всей первичной фотосинтетической продукции Земли и такую же долю вырабатываемого растениями кислорода. Число видов диатомовых водорослей по разным оценкам колеблется от 10 до 100 тысяч. Их отличительной особенностью является способность усваивать из окружающей среды кремнезем и строить из него свой внешний скелет, причем содержание кремнезема в массе диатомовых водорослей составляет 40-50%. Кремневая кислота в виде нейтральной молекулы захватывается из воды и переносится в цитоплазму диатомей с помощью специального мембранного белка SIT [Hildebrand M., et.al. // Nature 1997, V.385. Р.688; Грачев М.А. и др. // Мол. биология 2002, Т.39, С.303; Grachev M.A. et al. // Diatom Res. 2005, V 20, P.409]. Избирательность переноса кремневой кислоты именно в виде нейтральной молекулы обусловливает высокую чистоту биокремнезема.Diatoms (Diatomeae), proposed in this invention as a source of silica to obtain silica glass, are unicellular photosynthetic organisms that are widespread in natural reservoirs (ocean, lakes, rivers) and other habitats (snow, soil, tree bark). Ocean diatoms provide up to 20% of all primary photosynthetic production of the Earth and the same proportion of oxygen produced by plants. The number of species of diatoms, according to various estimates, ranges from 10 to 100 thousand. Their distinctive feature is the ability to assimilate silica from the environment and build from it its external skeleton, and the silica content in the mass of diatoms is 40-50%. Silicic acid in the form of a neutral molecule is captured from water and transferred into the cytoplasm of diatoms using a special membrane protein SIT [Hildebrand M., et.al. // Nature 1997, V.385. P.688; Grachev M.A. and others // Mol. Biology 2002, T.39, S.303; Grachev M.A. et al. // Diatom Res. 2005, V 20, P.409]. The selectivity of the transfer of silicic acid in the form of a neutral molecule determines the high purity of silica fume.
Диатомовые водоросли являются фотоавтотрофами, то есть для их питания необходимы только углекислый газ, неорганические соли, главным образом нитраты и силикаты, а также свет. В этой связи культивирование диатомовых водорослей в условиях биореакторов не требует значительных расходов. Находясь на первой стадии пищевой цепи, диатомовые водоросли вырабатывают питательные вещества, усваиваемые другими организмами. К числу таких соединений относятся не только белки, полисахариды и нуклеиновые кислоты, но и сложные липиды, например, незаменимые полиненасыщенные жирные кислоты, выделение которых из диатомовых осуществляется для получения медицинских и косметических препаратов [Shahidi and Wanasundara, 1998; Food Sci. Technol. - v.9, 230-240; Horrocks and Yeo, 1999, Pharm. Res. v.40, 211-225; патенты FR 2795959, 2000; JP 57054595, 1982]. Извлечение подобных ценных продуктов не препятствует использованию кремнезема диатомовых водорослей для производства кварцевого стекла и обеспечивает комплексную переработку сырья.Diatoms are photoautotrophs, that is, only carbon dioxide, inorganic salts, mainly nitrates and silicates, as well as light, are needed for their nutrition. In this regard, the cultivation of diatoms in bioreactors does not require significant costs. At the first stage of the food chain, diatoms produce nutrients that are absorbed by other organisms. Such compounds include not only proteins, polysaccharides and nucleic acids, but also complex lipids, for example, essential polyunsaturated fatty acids, the isolation of which from diatoms is carried out to obtain medical and cosmetic preparations [Shahidi and Wanasundara, 1998; Food Sci. Technol. - v. 9, 230-240; Horrocks and Yeo, 1999, Pharm. Res. v.40, 211-225; patents FR 2795959, 2000; JP 57054595, 1982]. The extraction of such valuable products does not impede the use of silica diatoms for the production of quartz glass and provides integrated processing of raw materials.
Створки диатомовых водорослей можно рассматривать в качестве особой формы аморфного кремнезема, обладающей прозрачностью [J.D.Pickett-Heaps et. al. Diatoms: Life in Glass Houses // DVD Teacher's Textbook, Univ. Melbourne, 2003] [21] и высокой плотностью - 2.07 г/см3 [Лисицын А.П. / Геохимия кремнезема // Ред. Н.М.Страхов. М.: Наука, 1966. - С.90] [22], что приближает его по свойствам к кварцевому стеклу (плотность 2.2 г/см3) и свидетельствует о низком содержании в нем влаги.Shutters of diatoms can be considered as a special form of amorphous silica with transparency [JDPickett-Heaps et. al. Diatoms: Life in Glass Houses // DVD Teacher's Textbook, Univ. Melbourne, 2003] [21] and high density - 2.07 g / cm 3 [Lisitsyn A.P. / Geochemistry of silica // Ed. N.M. Strakhov. M .: Nauka, 1966. - P.90] [22], which brings it closer in properties to quartz glass (density 2.2 g / cm 3 ) and indicates a low moisture content in it.
На Фиг.1 - 8 приведены микрофотографии, наглядно подтверждающие преимущества использования кремнезема из створок диатомовых водорослей по сравнению с сырьем из поликремневой кислоты.Figures 1-8 show microphotographs that clearly demonstrate the advantages of using silica from diatom valves compared to polysilicon feed.
На Фиг.1 даны электронные микрофотографии створок диатомовых водорослей Synedra Acus из озера Байкал. Хорошо видна плотная "сглаженная" структура створок диатомовых, обусловленная их формированием под жестким контролем биологических систем и существенно отличающаяся от морфологии кремнезема, осажденного из силиката натрия, показанного на Фиг.2.Figure 1 shows electron micrographs of the cusps of diatoms Synedra Acus from Lake Baikal. The dense “smoothed” structure of diatom valves is clearly visible, due to their formation under strict control of biological systems and significantly different from the morphology of silica precipitated from sodium silicate shown in FIG. 2.
Фиг.3 и 4 показывают частичное оплавление створок диатомовых водорослей в высокотемпературном пламени. Видна плотная гладкая структура створок.Figures 3 and 4 show a partial fusion of diatom leaflets in a high temperature flame. The dense smooth structure of the valves is visible.
На Фиг.5 показаны образцы, полученные плавлением створок диатомовых водорослей, выполненные в отраженном свете на темном фонеFigure 5 shows the samples obtained by melting the valves of diatoms, made in reflected light on a dark background
На Фиг.6 приведены фотографии в отраженном свете на темном фоне образцов, полученных плавлением поликремневой кислоты, полученной при действии соляной кислоты на раствор силиката натрия.Figure 6 shows photographs in reflected light on a dark background of samples obtained by melting polysilicic acid obtained by the action of hydrochloric acid on a solution of sodium silicate.
На Фиг.7 - микрофотография образца в проходящем свете, полученного плавлением створок диатомовых водорослей.7 is a micrograph of a sample in transmitted light obtained by melting the valves of diatoms.
На Фиг.8 показан образец из поликремневой кислоты в проходящем свете.On Fig shows a sample of polysilicic acid in transmitted light.
На приведенных микрофотографиях ясно видно, что процесс получения кварцевого стекла в рамках данного изобретения протекает без образования микропузырей, а характерные для диатомовых микропоры затягиваются, что свидетельствует о практическом отсутствии воды в массе диатомового кремнезема. Сплавление створок диатомовых при более высокой температуре позволяет получить прозрачное кварцевое стекло, в то время как сплавление в тех же условиях поликремневой кислоты, осажденной из силиката натрия, приводит к непрозрачному, неоднородному и хрупкому продукту (Фиг.6 и 8).The micrographs clearly show that the process of obtaining quartz glass in the framework of this invention proceeds without the formation of microbubbles, and typical for diatom micropores are delayed, which indicates the practical absence of water in the mass of diatomic silica. Fusion of diatom valves at a higher temperature makes it possible to obtain transparent silica glass, while fusion under the same conditions of polysilicic acid precipitated from sodium silicate results in an opaque, inhomogeneous, and brittle product (Figs. 6 and 8).
Пример 1.Example 1
Для получения кварцевого стекла кремнезем получают из створок диатомей Synedra Acus, культивируемых в фотобиореакторе.To obtain silica glass, silica is obtained from the valves of Synedra Acus diatoms cultured in a photobioreactor.
Биомассу диатомовых водорослей культивируют в фотобиореакторе, представляющем собой емкость, снабженную источником света, устройством автоматического поддержания и непрерывной регистрации постоянной температуры 15°С, системой барботирования воздуха, мешалкой для предотвращения седиментации диатомовых водорослей при условии сохранения целостности их кремнистых экзоскелетов и устройством подачи питательной среды для восполнения расхода биогенных элементов и облигатных микрокомпонентов.The biomass of diatoms is cultivated in a photobioreactor, which is a tank equipped with a light source, a device for automatically maintaining and continuously recording a constant temperature of 15 ° C, an air sparging system, an agitator to prevent sedimentation of diatoms, while maintaining the integrity of their siliceous exoskeletons and a medium supply device for replenishment of the consumption of nutrients and obligate microcomponents.
В качестве культуральной среды используют водный раствор следующего состава (мг/л): Са(NO3)2·4Н2O - 20; КН2PO4 - 12.4; MgSO4·7H2O - 25; NaHCO3 -16; Na2·EDTA - 2.25; Н3ВО3 - 2.48; MnCl2·H2O - 1.39; (NH4)6Мо7O24·4Н2O - 1; витамин В12 - 0.04; тиамин гидрохлорид (витамин В1) - 0.04; биотин - 0.04; Na2SiO3·9H2O - 28.4; FeCl3 - 1.6.As the culture medium using an aqueous solution of the following composition (mg / l): Ca (NO 3 ) 2 · 4H 2 O - 20; KH 2 PO 4 - 12.4; MgSO 4 · 7H 2 O - 25; NaHCO 3 -16; Na 2 · EDTA - 2.25; H 3 VO 3 - 2.48; MnCl 2 · H 2 O - 1.39; (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O - 1; vitamin B12 - 0.04; thiamine hydrochloride (vitamin B1) - 0.04; biotin - 0.04; Na 2 SiO 3 · 9H 2 O - 28.4; FeCl 3 - 1.6.
Постоянный состав среды поддерживают, восполняя расходующиеся биогенные элементы. Отбор биомассы производят, фильтруя культуральную жидкость через сетчатый фильтр с размером пор 60 мкм.The constant composition of the medium is maintained by replenishing diverging nutrients. Biomass is sampled by filtering the culture fluid through a 60 micron filter.
Для выделения липидов, содержащих фракцию полиненасыщенных жирных кислот, биомассу экстрагируют смесью метанола с хлороформ при их соотношении 2:1. Удаление остальных органических компонентов клеток диатомовых водорослей проводят нагреванием при 95-100°С в растворе (25 мл на 1 г сухих диатомей), содержащем 20 г додецилсульфоната натрия и 0.3 г Трилона Б на 1 л воды в течение 2 ч, с последующим отделением осадка фильтрованием и промывкой водой. Данную операцию повторяют 4 раза. Полученный осадок обрабатывают концентрированной азотной кислотой марки "осч." в количественном отношении 25 мл кислоты на 1 г осадка в течение 12 ч при комнатной температуре, после чего заливают свежей порцией кислоты и кипятят 2 ч. Полученный осадок, представляющий собой створки диатомовых водорослей, отфильтровывают, промывают дистиллированной водой и сушат при 120°С. Все манипуляции по выделению створок проводят в полиэтиленовой, тефлоновой или кварцевой посуде. Выход кремнезема составляет 0.44 г на 1 г исходных сухих клеток диатомей (выход равен 44%).To isolate lipids containing a fraction of polyunsaturated fatty acids, the biomass is extracted with a mixture of methanol with chloroform at a ratio of 2: 1. Removal of the remaining organic components of diatom cells is carried out by heating at 95-100 ° C in a solution (25 ml per 1 g of dry diatoms) containing 20 g of sodium dodecyl sulfonate and 0.3 g of Trilon B per 1 l of water for 2 hours, followed by separation of the precipitate filtering and rinsing with water. This operation is repeated 4 times. The resulting precipitate is treated with concentrated nitric acid brand "osch." quantitatively, 25 ml of acid per 1 g of precipitate for 12 hours at room temperature, after which it is poured with a fresh portion of acid and boiled for 2 hours. The resulting precipitate, which is a shutter of diatoms, is filtered off, washed with distilled water and dried at 120 ° C. All manipulations on the allocation of the valves are carried out in polyethylene, teflon or quartz dishes. The silica yield is 0.44 g per 1 g of the original dry diatom cells (yield is 44%).
Полученный кремнезем сплавляют в стекло с использованием высокотемпературной горелки, например кислородно-пропановой. Для этого кварцевую палочку (диаметр 3 мм) нагревают до начала плавления, погружают в осадок, оплавляют в пламени горелки, повторяют эту процедуру не менее пяти раз до получения кварцевого шарика диаметром 6-8 мм, который расплавляют и вытягивают с образованием бесцветной, прозрачной кварцевой нити.The resulting silica is fused into glass using a high-temperature burner, for example, oxygen-propane. To do this, a quartz wand (diameter 3 mm) is heated before melting, immersed in a precipitate, melted in a burner flame, repeat this procedure at least five times until a quartz ball with a diameter of 6-8 mm is obtained, which is melted and stretched to form a colorless, transparent quartz threads.
Пример 2.Example 2
Биомассу диатомовых водорослей Synedra Acus культивируют в биореакторе аналогично способу, указанному в Примере 1.Synedra Acus diatom biomass is cultured in a bioreactor similarly to the method described in Example 1.
Отбор биомассы проводят периодически фильтрованием культуральной жидкости. После извлечения липидов экстрагированием смесью метанола с хлороформ при их соотношении 2:1 выделенный осадок выдерживают при температуре 98-100°С в растворе (25 мл на 1 г сухих диатомей), содержащем 20 г додецилсульфоната натрия и 0.3 г Трилона Б на 1 л воды в течение 2,5 ч, с последующим отделением осадка фильтрованием и промывкой водой. Указанную выше операцию повторяют 3 раза. После обработки полученного осадка концентрированной азотной кислотой марки "осч." в количественном отношении 25 мл кислоты на 1 г осадка, в течение 10 ч, осадок заливают смесью концентрированных азотной и соляной кислот в количественном отношении 1:3 соответственно и выдерживают в течение 5 часов. При комнатной температуре. После выделения осадка его кипятят в свежей порции минеральной кислоты или смеси кислот в течение 2-3 часов. После промывания полученного осадка и его сушки получают целевой продукт, сплавляя который получают высококачественное кварцевое стекло.The selection of biomass is carried out periodically by filtering the culture fluid. After lipids are extracted by extraction with a mixture of methanol and chloroform at a ratio of 2: 1, the precipitate is kept at a temperature of 98-100 ° C in a solution (25 ml per 1 g of dry diatoms) containing 20 g of sodium dodecyl sulfonate and 0.3 g of Trilon B in 1 l of water for 2.5 hours, followed by separation of the precipitate by filtration and washing with water. The above operation is repeated 3 times. After processing the precipitate obtained with concentrated nitric acid of the brand “osch.” in a quantitative ratio of 25 ml of acid per 1 g of the precipitate, for 10 hours, the precipitate is poured with a mixture of concentrated nitric and hydrochloric acids in a quantitative ratio of 1: 3, respectively, and incubated for 5 hours. At room temperature. After separation of the precipitate, it is boiled in a fresh portion of mineral acid or a mixture of acids for 2-3 hours. After washing the precipitate and drying it, the desired product is obtained, alloying which gives high-quality quartz glass.
Пример 3.Example 3
Биомассу диатомовых водорослей из озера Байкал собирают тралением с помощью сети "Джеди" с размером ячеи 80 мкм.The biomass of diatoms from Lake Baikal is harvested by trawling using a Jedi network with a mesh size of 80 microns.
Для выделения липидов, в частности фракции жирных кислот, биомассу водорослей экстрагируют смесью метанол-хлороформ (2:1). Удаление остальных органических компонентов клеток диатомовых водорослей проводят нагреванием при 95-100°С в растворе (25 мл на 1 г сухих водорослей), содержащем 20 г додецилсульфоната натрия и 0.3 г Трилона Б на 1 л воды, в течение 3 ч, с последующим отделением осадка фильтрованием и промывкой водой. Данную операцию повторяют 5 раз. Полученный осадок обрабатывают концентрированной азотной кислотой марки "осч." в количестве 25 мл кислоты на 1 г осадка. Выдерживают в течение 12 ч при комнатной температуре, после чего заливают свежей порцией кислоты и кипятят 2 ч.To isolate lipids, in particular the fatty acid fraction, the algae biomass is extracted with a methanol-chloroform mixture (2: 1). Removal of the remaining organic components of diatom cells is carried out by heating at 95-100 ° C in a solution (25 ml per 1 g of dry algae) containing 20 g of sodium dodecyl sulfonate and 0.3 g of Trilon B per 1 l of water for 3 hours, followed by separation precipitate by filtration and washing with water. This operation is repeated 5 times. The resulting precipitate is treated with concentrated nitric acid brand "osch." in the amount of 25 ml of acid per 1 g of precipitate. It is kept for 12 hours at room temperature, after which it is poured with a fresh portion of acid and boiled for 2 hours.
Азотную кислоту удаляют декантацией, осадок заливают смесью концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1:3 в расчете 25 мл кислоты на 1 г осадка и выдерживают 2 ч при комнатной температуре. Полученный осадок, представляющий собой створки диатомовых водорослей, отфильтровывают, промывают дистиллированной водой и сушат при 120°С. Все манипуляции по очистке створок диатомовых водорослей проводят в полиэтиленовой, тефлоновой или кварцевой посуде. Выход кремнезема составляет 0.44 г на 1 г исходных сухих клеток диатомей (выход 44%).Nitric acid is removed by decantation, the precipitate is poured with a mixture of concentrated nitric and hydrochloric acids in a ratio of 1: 3 in the calculation of 25 ml of acid per 1 g of precipitate and incubated for 2 hours at room temperature. The resulting precipitate, which is a leaflet of diatoms, is filtered off, washed with distilled water and dried at 120 ° C. All manipulations to clean diatom leaflets are carried out in polyethylene, teflon or quartz dishes. The silica yield is 0.44 g per 1 g of the original dry diatom cells (yield 44%).
Полученный продукт сплавляют в кварцевое стекло аналогично примеру 1.The resulting product is fused into quartz glass as in example 1.
Заявляемый способ открывает возможность получать кварцевое стекло из аморфного кремнезема без промежуточной стадии его микрокристаллизации (получения кварцевой крупки), что оказывается возможным при использовании в качестве кремнезема створок диатомовых водорослей. Одним из преимуществ заявляемого способа является возможность комплексного использования возобновляемых ресурсов с получением ценных органических продуктов, таких как полиненасыщенные жирные кислоты.The inventive method opens up the possibility of obtaining quartz glass from amorphous silica without an intermediate stage of its microcrystallization (obtaining quartz grains), which is possible when diatoms are used as silica. One of the advantages of the proposed method is the possibility of the integrated use of renewable resources to produce valuable organic products, such as polyunsaturated fatty acids.
Источники информацииInformation sources
1. Химическая энциклопедия: В 5 т. -: Т.4: / Гл. ред. Зефиров Н.С. - М.: Большая Российская энцикл., 1995. - С.421.1. Chemical encyclopedia: In 5 volumes. -: Volume 4: / Ch. ed. Zefirov N.S. - M.: Big Russian Encycl., 1995. - P.421.
2. Патент №2182113 RU, 2002.2. Patent No. 2182113 RU, 2002.
3. Химическая энциклопедия: В 5 т.: - Т.2: / Гл. ред. Кнунянц И.Л. - М: Сов. энцикл., 1990 - С.508, 517, 520.3. Chemical encyclopedia: In 5 t .: - T.2: / Ch. ed. Knunyants I.L. - M: Owls. encycl., 1990 - S. 508, 517, 520.
4. US 006653255, 2003.4. US 006653255, 2003.
5. US 005656568, 1997.5. US 005656568, 1997.
6. Заявка JP 2001097711.6. Application JP 2001097711.
7. Заявка US 20030133863.7. Application US 20030133863.
8. Заявка WO 2004073600.8. Application WO 2004073600.
9. Айлер Р. Химия кремнезема // Пер. с англ. М.: Мир, 1982.9. Euler R. Chemistry of silica // Transl. from English M .: Mir, 1982.
10. Brinker С.J., Scherer G.W. Sol-gel science: the physics and chemistry of sol-gel processing // London: Academic Press, 1990.10. Brinker C.J., Scherer G.W. Sol-gel science: the physics and chemistry of sol-gel processing // London: Academic Press, 1990.
11. Заявка US 2005019243.11. Application US 2005019243.
12. Заявка US 2003157011.12. Application US 2003157011.
13. ЕР 1167309, 2002.13. EP 1167309, 2002.
14. CN 1458064, 2003.14. CN 1458064, 2003.
15. US 006716408, 2004.15. US 006716408, 2004.
16. Заявка US 2003131536.16. Application US 2003131536.
17. Заявка US 2003003041.17. Application US 2003003041.
18. Заявка JP 2002020111.18. Application JP 2002020111.
19. Заявка US 2003124044.19. Application US 2003124044.
20. Заявка US 2004089024.20. Application US 2004089024.
21. J.D.Pickett-Heaps et. al. Diatoms: Life in Glass Houses // DVD Teacher's Textbook, Univ. Melbourne, 2003.21. J. D. Pickett-Heaps et. al. Diatoms: Life in Glass Houses // DVD Teacher's Textbook, Univ. Melbourne, 2003.
22. Геохимия кремнезема // Ред. Н.М.Страхов. М.: Наука, 1966. - с.90.22. Geochemistry of silica // Ed. N.M. Strakhov. M .: Nauka, 1966 .-- p.90.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005136175/03A RU2319672C2 (en) | 2005-11-21 | 2005-11-21 | Method of production of the quartz glass |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005136175/03A RU2319672C2 (en) | 2005-11-21 | 2005-11-21 | Method of production of the quartz glass |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005136175A RU2005136175A (en) | 2007-06-10 |
RU2319672C2 true RU2319672C2 (en) | 2008-03-20 |
Family
ID=38311938
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005136175/03A RU2319672C2 (en) | 2005-11-21 | 2005-11-21 | Method of production of the quartz glass |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2319672C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2740995C1 (en) * | 2020-05-22 | 2021-01-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва» | Method of producing microsilica from natural diatomite by precipitation of nitric acid solution |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
BE1020035A3 (en) * | 2011-06-28 | 2013-04-02 | Agc Glass Europe | METHOD FOR MANUFACTURING A GLASS OBJECT |
-
2005
- 2005-11-21 RU RU2005136175/03A patent/RU2319672C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ИВАЩЕНКО В.Н. Строительные материалы и изделия из кремнистых пород. - Киев: Будивельник, 1978, с.6-7, 22-23. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2740995C1 (en) * | 2020-05-22 | 2021-01-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва» | Method of producing microsilica from natural diatomite by precipitation of nitric acid solution |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005136175A (en) | 2007-06-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Hecky et al. | The amino acid and sugar composition of diatom cell-walls | |
CN103820325B (en) | Oocystis Borgei high-density cultivation method and frustule collection method | |
Anderson | The Ultrastructure and Cytochemistry of Resting Cell Formation in Amphora Coffaeformis (BACILLARIOPHYCEAE) 1 | |
CN105331552B (en) | One plant of efficient denitrification acinetobacter calcoaceticus novel species and its application | |
RU2319672C2 (en) | Method of production of the quartz glass | |
JP6047300B2 (en) | Microalgae culture method, biofilm formed on the liquid surface by the culture method, oil production method, biofilm recovery method, and biomass fuel production method | |
CN102618444A (en) | Culture solution for directionally culturing young abalone feed such as Cocconeis | |
CN110982859B (en) | Method for producing carbohydrate by utilizing pig raising sewage | |
CN116296672A (en) | Efficient separation and extraction method for microplastic in soil environment | |
CN105986025A (en) | Research method for relation between microorganisms and uranium mineralization in sandstone type uranium ore deposit | |
Chen et al. | Fixation of high concentration CO2 using Chlorella–Bacteria symbiosis system | |
CN101130764B (en) | Method and device for producing biological siliceous material with reactor culture sponge or its cell | |
Penna et al. | Marine diatom growth on different forms of particulate silica: evidence of cell/particle interaction | |
CN116042406A (en) | Diamond-shaped algae capable of accumulating palmitoleic acid in high yield and application thereof | |
CN115557508A (en) | Method for purifying siliceous spongy spicules in marine sediments | |
Hou et al. | A novel sequence batch membrane carbonation photobioreactor developed for microalgae cultivation | |
Annenkov et al. | Fluorescent amines as a new tool for study of siliceous sponges | |
CN113546665A (en) | Composite photocatalytic film for inhibiting growth of harmful microalgae and preparation method and application thereof | |
CN102311173A (en) | Method for removing nitrogen and phosphorus in water body by hydrilla verticillata | |
Won et al. | Isolation and cultivation of freshwater diatom Nitzschia palea HY1 for increasing biomass and fucoxanthin production | |
CN109554330A (en) | A kind of masson pine method for preparing protoplast | |
KR101509562B1 (en) | A novel Tetraselmis sp. and method for preparing biodiesel with this strain | |
Likhoshway et al. | Visualization of the silicon biomineralization in cyanobacteria, sponges and diatoms | |
CN113973799A (en) | Application of hydroxyethyl sulfonic acid in removing adsorption type benthic diatom | |
JP7057919B2 (en) | Diarrheal shellfish poison dinophycistoxine 1 (DTX1) Toxic vortex alga Prolocentrum strain with high productivity |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111122 |