RU2625850C1

RU2625850C1 - Способ получения осаждённого диоксида кремния и продукт, полученный согласно этому способу

Info

Publication number: RU2625850C1
Application number: RU2016143034A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Николаевич Рачков; Валентина Петровна Бирдюгина
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Силика"
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2016-11-01
Publication date: 2017-07-19

Abstract

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к способам получения тонкодисперсного осажденного диоксида кремния и соответствующему продукту, который может быть использован в качестве минерального наполнителя в резиновой промышленности. Способ получения осажденного диоксида кремния включает обработку исходного шлама содовым раствором, введение кислоты с получением осадка диоксида кремния, последующее его отделение, промывку и сушку. В качестве исходного шлама используют шлам борнокислотного производства. Перед обработкой содовым раствором указанный шлам обогащают до 50-65 мас. % содержания диоксида кремния методом флотации при pH 6,8-8,5 и температуре 30-40°С в присутствии жидкого технического мыла. Продукт, полученный согласно указанному способу, содержит, мас. %: 89-91 SiO₂, 0.05-0.08 Fe₂O₃, 0.02-0.07 Na₂O, 0.1-0.3 SO₄, не более 0.002 MnO и не более 0.002 MgO, имеет влажность 5,2-5,5%, pH водной вытяжки 6.3-6.8 и удельную поверхность 165-170 м²/г. Изобретение позволяет повысить качество полученного диоксида кремния. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 пр.

Description

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к способам получения тонкодисперсного осажденного диоксида кремния и соответствующему продукту, который может быть использован в качестве минерального наполнителя в резиновой промышленности.

В промышленности получают пирогенный и осажденный диоксид кремния. Пирогенный диоксид кремния по своим качественным характеристикам превосходит осажденный, однако он более дорогостоящий. Получение осажденного диоксида кремния более дешевым способом, который бы максимально близко соответствовал пирогенному продукту, - одна из важнейших задач в производстве диоксида кремния.

Из уровня техники известен способ получения осажденного диоксида кремния (белой сажи) высокого качества, включающий: приготовление раствора жидкого стекла, карбонизацию раствора углекислым газом, очистку суспензии диоксида кремния от соды, фильтрацию, промывку и сушку; причем приготовление раствора жидкого стекла ведут путем растворения в воде силикат-глыбы под избыточным давлением 0.57-0.59 МПа с последующим разбавлением водой до плотности 1.088-1.081 г/см³ и фильтрованием; карбонизацию ведут в одну стадию при 75-88°С в течение 1.5-2 часов до pH суспензии 9.2-10.6; перед очисткой от соды и перед распылительной сушкой суспензию диоксида кремния подвергают обработке в гидроакустическом аппарате; сушку ведут при 750°С (RU 2156734, С01В 33/18, опубл. 27.09.2000). Недостатками известного способа являются громоздкость технологической схемы и недостаточно высокие качественные характеристики получаемого продукта.

Из уровня техники также известен способ получения белой сажи, включающий обработку раствора жидкого стекла двуокисью углерода с последующей нейтрализацией серной кислотой, промывкой и сушкой, причем серную кислоту разбавляют и промывают Н-катионитовой водой до pH 2-6 единиц, а нейтрализацию ведут до pH 7-8.5 единиц (SU 466849, С01В 33/18, опубл. 30.01.1978). Недостатками этого способа являются сложность, многостадийность производства и повышенное содержание в продукте ионов Ca, Mg, а также сульфатов.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются продукт и соответствующий способ получения осажденного диоксида кремния, включающий обработку исходного шлама содовым раствором, введение кислоты с получением осадка диоксида кремния, последующее его отделение, промывку и сушку (SU 365325, С01В 33/12, опубл. 01.01.1973).

Недостатками известных технических решений являются значительный расход соды, который требуется для разложения шлака; невысокий выход продукта; загрязнение получаемого силикатного раствора содой, что в конечном итоге требует многократной промывки продукта; а также недостаточно высокие качественные характеристики получаемого продукта.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении качества полученного диоксида кремния.

В части способа поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что согласно способу получения осажденного диоксида кремния, включающему обработку исходного шлама содовым раствором, введение кислоты с получением осадка диоксида кремния, последующее его отделение, промывку и сушку, в качестве исходного шлама используют шлам борнокислотного производства, причем перед обработкой содовым раствором указанный шлам обогащают до 50-65% содержания диоксида кремния по массе методом флотации при pH 6.8-8.5 и температуре 30-40°С в присутствии жидкого технического мыла. Флотацию предпочтительно проводят при содержании твердой фазы в пульпе 15-20 мас. %.

В части продукта поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что продукт, полученный согласно указанному способу, содержит 89-91% SiO₂, 0.05-0.08% Fe₂O₃, 0.02-0.07% Na₂O, 0.1-0.3% SO₄, не более 0.002% MnO и не более 0.002% MgO по массе, имеет влажность 5.2-5.5%, pH водной вытяжки 6.3-6.8 и удельную поверхность 165-170 м²/г.

Согласно предлагаемому способу осажденный диоксид кремния получают из отходов-шламов борнокислотного производства, содержащих до 30 мас. % диоксида кремния и до 60 мас. % сульфата кальция. Если перерабатывать необогащенный шлам (как в прототипе), то кроме «полезной» реакции - растворения SiO₂ щелочным агентом (содой Na₂CO₃) - протекает реакция с сульфатом кальция:

CaSO₄+Na₂CO₃=Na₂SO₄+CaCО₃.

При этом дополнительно расходуется сода, которая в виде сульфата натрия загрязняет раствор силиката натрия и в конечном итоге - готовый продукт (что требует дополнительных затрат на отмывку).

Для того чтобы снизить расход соды (т.е. сократить затраты на стадии разложения); уменьшить переход сульфатов в раствор, а значит, улучшить качество продукта (т.е. сократить расходы на стадии отмывки продукта за счет сокращения количества стадий); и увеличить выход готового продукта (т.е. сократить расходы по всем стадиям производства), предлагается перед подачей на содовое разложение шлам предварительно обогатить.

Шламы обогащают до 50-65 мас. % содержания диоксида кремния методом флотации (т.е. выделяют диоксид кремния в виде кремниевого концентрата) при pH 6.8-8.5 и температуре 30-40°С в присутствии жидкого технического мыла. Флотацию проводят при содержании твердой фазы в пульпе 15-20 мас. %.

Схема флотации предусматривает основную и контрольную обратную флотацию с возвратом концентрата контрольной флотации в голову основной флотации. За счет возврата пенного продукта контрольной флотации снижаются потери основного компонента (SiO₂). В результате флотации сульфат кальция извлекается в пенный продукт флотации, а диоксид кремния остается в камерном продукте.

Оптимальной областью pH флотации является интервал 6.8-8.5 единиц. При pH ниже чем 6.8 единиц флотационное разделение происходит плохо: SiO₂ в кремниевом концентрате не превышает 38 мас. % (против 30%). При pH выше чем 8.5 единиц - качество кремниевого концентрата не изменяется (от достигнутого при pH 8.5 единиц), но при этом дополнительно расходуются реагенты для создания более щелочного pH.

Оптимальной областью температур являются значения 30-40°С. При температуре меньше 30°С эффективность флотации снижается. При температуре более 40°С возрастают потери основного компонента с пенным продуктом и увеличиваются теплозатраты.

Использование в качестве собирателя жидкого технического мыла обусловлено его селективностью: обеспечивается отделение сульфатов кальция от диоксида кремния. Кроме того, этот реагент имеется в большом количестве, доступен и технологичен. Использование жидкого мыла не требует дополнительного омыления (т.к. оно само уже щелочное) и не требует дополнительных пенообразователей (т.к. оно само создает пену).

При содержании твердого <15 мас. % процесс флотации протекает с понижением выхода кремниевого концентрата, что приводит к повышению затрат всего процесса (за счет увеличения удельных норм расхода по всем статьям). При содержании твердого в пульпе более чем 20 мас. % возрастают потери основного компонента (SiO₂) и ухудшается качество кремниевого концентрата.

Дальнейшее разложение предварительно обогащенного шлама проводят содовым раствором при pH не <11.1/40°С в течение 1 часа при температуре не <80°С.

Значение pH не <11.1/40°С необходимо для перевода в раствор диоксида кремния. Ведение процесса при рН <11 Л/40°С ведет к «загеливанию» раствора по всей технологической цепочке.

Для ведения процесса разложения необходимо оптимальное значение Т:Ж=1:10-1:20 по массе, которое позволяет снизить продолжительность процесса разложения до 1 часа (против 2 часов - по прототипу) и обеспечить получение стабильных во времени растворов силиката натрия.

В результате разложения шламов диоксид кремния переходит в раствор в виде силиката натрия, а нерастворенные вещества выпадают в осадок. Раствор силиката натрия (1.5-3.0 мас. % SiO₂) отделяют от осадка фильтрацией.

Осаждают диоксид кремния путем введения кислого агента, в частности серной кислоты, в раствор силиката натрия. Дозировка серной кислоты осуществляется небольшими порциями в течение 30 минут. Конечное значение pH в растворе, после окончания дозировки кислоты, должно быть в пределах 7.0-8.5/40°С. Температура процесса осаждения задается в пределах 25°С-55°С (в зависимости от требуемого качества готового продукта). После достижения заданного значения pH суспензия выдерживается в течение 15-30 минут и фильтруется.

Влажный продукт 2-кратно промывают горячей водой при рН=5.8-6.2 единиц. Отмытый продукт подают на сушку, которую осуществляют при температуре 250°С.

Предложенный способ позволяет получить осажденный диоксид кремния, содержащий 89-91% SiO₂, 0.05-0.08% Fe₂O₃, 0.02-0.07% Na₂O, 0.1-0.3% SO₄, не более 0.002% MnO и не более 0.002% MgO по массе, имеет влажность 5.2-5.5%, pH водной вытяжки 6.3-6.8 и удельную поверхность 165-170 м²/г. Таким образом, полученный продукт по своим качественным характеристикам превосходит качество белой сажи (БС-120). Необходимость ведения процессов разложения, осаждения, промывки при определенном задаваемом значении рН дает возможность осуществить технологию непрерывно и автоматизировать вышеуказанные стадии. Более того, предлагаемое техническое решение сокращает материальные и энергетические затраты.

Диоксид кремния, полученный по предлагаемому способу, в сравнении с прототипом содержит меньше примесей, что обеспечивает высокое содержание основного компонента, уровень которого определяется требованием потребителя. Таким образом, полученный продукт обладает более высоким качеством: он меньше загрязнен примесями, а значит, снижается отрицательное влияние примесей при использовании продукта потребителем в качестве кремниевого наполнителя в резиновой промышленности. Физико-химические свойства (удельная поверхность, дисперсность, pH) полученного продукта также свидетельствуют о том, что указанные характеристики находятся на более высоком уровне и более приемлемы для потребителя, чем белая сажа.

Необходимость достижения указанных характеристик диоксида кремния, в частности, для шинного производства обусловлена тем, что:

- повышенное содержание окислов железа может отрицательно повлиять на стойкость резин к тепловому старению;

- невысокое содержание основного компонента (SiO₂) может ухудшить усиливающие свойства кремниевого наполнителя;

- повышенное содержание общей щелочности (в пересчете на Na₂O) вызывает ускорение процесса вулканизации и в итоге перевулканизацию резиновой смеси;

- низкая удельная поверхность (впрочем, как и сильно высокая) продукта снижает упругопрочностные свойства резиновых смесей; приемлемой считается величина удельной поверхности 165±25 м²/г;

- содержание влаги в продукте оказывает влияние на усиливающий эффект кремниевого наполнителя (ориентировочная величина 5-6%).

ПРИМЕР 1 (по прототипу)

50 г шламовой пульпы с содержанием 20 мас. % твердого с содержанием SiO₂ 30 мас. % подают на стадию разложения содовым раствором. Условия разложения: t°C=95°С, τ=2 часа, Т:Ж=1:5 по массе. Расход соды - 15 г.

Раствор силиката натрия, полученный после разложения, отделяют от осадка фильтрацией. В полученный фильтрат вводят кислоту (H₂SO₄) до рН=9.8 при t°C=50°С.

Полученный влажный осадок в количестве 38 г отмывают, нейтрализуют и сушат. Количество высушенного продукта (белой сажи) составляет 3.7 г. Продукт подвергают физико-химическому анализу.

ПРИМЕР 2 (по предлагаемому способу)

Перед подачей шламовой пульпы на стадию содового разложения шлам проходит стадию обогащения методом флотации. Условия флотации: содержание твердого в пульпе 20 мас. %, pH=7.5 единиц, t°C=35°С, собиратель - жидкое техническое мыло.

50 г шламовой пульпы, содержащей 10 г. обогащенной до 60 мас. % SiO₂ шлама, подают на стадию разложения содовым раствором. Разложение проводят при температуре 90°С в течение 1 часа при Т:Ж=1:20 по массе. Расход соды 12 г.

Раствор силиката натрия, полученный после разложения, отделяют от осадка фильтрацией. В полученный фильтрат вводят кислоту (H₂SO₄) до pH=7.0 при t°C=50°С.

Полученный влажный осадок в количестве 66 г подают на промывку. Промывку осуществляют горячей водой (70°С) в 2 стадии, причем 2-ю промывку проводят при pH=6.0 единиц. Отмытый влажный продукт сушат при t°C=250°С. Количество высушенного продукта - осажденного диоксида кремния составляет 6.6 г. Продукт подвергают физико-химическому анализу.

Результаты проведенных анализов представлены в таблице ниже, которая отражает сравнительные характеристики предлагаемого способа с прототипом по качеству продукта, расходу соды и выходу продукта. Из представленных данных видно, что при получении осажденного диоксида кремния по предлагаемому способу по сравнению с прототипом происходит снижение расхода соды при увеличении выхода продукта, качественные характеристики которого соответствуют более высокому уровню.

Claims

1. Способ получения осажденного диоксида кремния, включающий обработку исходного шлама содовым раствором, введение кислоты с получением осадка диоксида кремния, последующее его отделение, промывку и сушку, отличающийся тем, что в качестве исходного шлама используют шлам борнокислотного производства, причем перед обработкой содовым раствором указанный шлам обогащают до 50-65 мас. % содержания диоксида кремния методом флотации при рН 6,8-8,5 и температуре 30-40°С в присутствии жидкого технического мыла.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что флотацию проводят при содержании твердой фазы в пульпе 15-20 мас. %.

3. Продукт, полученный согласно способу по п. 1, отличающийся тем, что содержит, мас. %: 89-91 SiO₂, 0,05-0,08 Fe₂O₃, 0,02-0,07 Na₂O, 0,1-0,3 SO₄, не более 0,002 MnO и не более 0,002 MgO, имеет влажность 5,2-5,5%, рН водной вытяжки 6,3-6,8 и удельную поверхность 165-170 м²/г.