способ получения метасиликатов щелочноземельных металлов, магния и свинца

Формула изобретения

Способ получения метасиликатов щелочноземельных металлов, магния и свинца осаждением из водной реакционной среды, содержащей соединение металла и щелочно-кремнеземистый раствор, с последующим отделением и термообработкой целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве щелочно-кремнеземистого раствора используют фильтрат, полученный при частичном осаждении силиката из жидкого стекла предварительно очищенным соединением металла, одноименного получаемому метасиликату.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения силикатов металлов, в частности щелочно-земельных металлов, магния, свинца, применяемых в оптическом стекловарении, при производстве керамики и др.

Известны способы получения метасиликатов металлов осаждением их из реакционной смеси, содержащей органические или неорганические соединения кремния, например кремневые кислоты, диоксид кремния и его модификации, алкоксисиланы, растворимые силикаты щелочных металлов. Так, в известном способе [1] для получения метастабильного гидросиликата кальция в качестве исходного кремнийсодержащего соединения используется насыщенный раствор кремнекислоты, предварительно полученный взаимодействием 1 - 3%-ной соляной кислоты с натриевым жидким стеклом, разбавленным водой до 50 - 75%-ной концентрации. Жидкое стекло по данному4 способу обрабатывают раствором извести, в результате чего получают кристаллический гидросиликат кальция с размерами кристаллов 10^-7-10^-8 см. Сведения о чистоте получаемого продукта в описании данного способа отсутствуют. Однако на основании дополнительных исследований выявлено, что продукт, получаемый вышеуказанным способом, содержит значительные количества сопутствующих элементов, например железа, хрома, меди, никеля и т.д., что делает его непригодным для оптического стекловарения. Кремнийорганические соединения, в частности тетраэтоксилан, также применяются для получения метасиликатов металлов, например метасиликата магния [2], метасиликата свинца [3]. Данные известные способы, кроме стадии осаждения, включают стадии фильтрации и термообработки. Использование кремнийорганических исходных продуктов обеспечивает получение более чистых метасиликатов по сравнению с использованием неорганических кремнийсодержащих соединений. Однако процессы, в которых применяются кремнийорганические исходные продукты не экономичны из-за высокой стоимости исходных соединений, а также пожаро- и взрывоопасны. Последнее объясняется тем, что, например, у тетраэтоксилана температура вспышки равна +25^oC, температура воспламенения +2^oC, температура самовоспламенения +130^oC, что вызывает необходимость использования отвечающего специальным требованиям производственного помещения и электрооборудования во взрывобезопасном исполнении, что приводит к значительному удорожанию производства.

Более дешевым сырьем для получения метасиликатов металлов является щелочно-кремнеземистый раствор, который при составе: Na₂O общ. 80 - 90 г/л., NaOH:КОН = 0,745, SiO₂ - 44 - 46 г/л. был применен для получения метасиликата кальция [4], а при составе: Na₂O общ. 62,5 г/л., Na₂O карб. 7,5 г/л., SiO₂-60 г/л, для получения различных метасиликатов щелочно-земельных металлов [5]. Последний способ, как наиболее близкий по технической сущности к новому способу был принят в качестве прототипа. В известном способе [5] гидросиликатные продукты получают взаимодействием щелочно-кремнеземистого раствора с карбонатом металла при повышенной температуре, например при 95^oC при получении метасиликата кальция, с последующей фильтрацией, промывкой и сушкой. Исходные продукты при получении метасиликатов металлов по способу [5] берутся из расчета молярного соотношения MeCo₃:SiO₂ = 0,2 - 0,6. При взаимодействии щелочно-кремнеземистого раствора с карбонатом металла по данному способу осаждается 20 - 50% от общего количества SiO₂, а остальные 50 - 80% остаются в растворе. Это щелочно-кремнеземистый раствор после фильтрации суспензии значительно очищается. Содержание примесей железа и алюминия в таком растворе по сравнению с исходным продуктом снижается в 10 - 15 раз (Fe₂O₃ от 0,1 - 3,0 г/л. до 0,01 г/л., Al₂O₃ - от 0,4 до 0,02 - 0,03 г/л.). Однако данный способ обеспечивает довольно низкий выход целевого продукта (50 - 60% от теории), что объясняется большими потерями при предварительной очистке щелочно-кремнеземистого раствора. Кроме того, получаемый известным способом [5] продукт не удовлетворят требованиям по чистоте для оптического стекловарения.

Новый способ получения метасиликатов щелочно-земельных металлов, магния и свинца включает стадию осаждения целевого продукта из водной реакционной смеси, содержащей соединение металла и фильтрат щелочно-кремнеземистого продукта, получаемого частичным осаждением жидкого стекла соединением одноименного металла, а также стадии фильтрации и термообработки целевого продукта. Новый способ отличается от способа-прототипа исходным продуктом.

В качестве исходного соединения в новом способе используется фильтрат щелочно-кремнеземистого раствора, получаемого частичным осаждением жидкого стекла соединением одноименного металла. Применяемое жидкое стекло имеет следующий состав: 24 - 35% SiO₂ и 8 - 14% Na₂O. Использование частичного (0,5 - 20%-ного) осаждения SiO₂ в виде аморфного силиката получаемого металла обеспечивает высокую степень чистоты фильтрата щелочно-кремнеземистого раствора, а также конечного продукта с содержанием отдельных примесей (мас. %): железа 310^-4 - 510^-6, ванадия 510^-6, марганца 310^-5 - 510^-7, меди 1 - 310^-6, хрома 310^-6, никеля 310^-6, кобальта 510^-7, кальция 110^-4, магния 110^-4, алюминия 110^-3. В качестве исходных металлсодержащих соединений используются растворимые в воде производные металлов, в частности ацетаты и нитраты кальция, стронция, бария, магния, свинца, гидроксид бария и др. Процесс осаждения проводят при температуре 20^oC.

Ниже изобретение иллюстрируется примером 1 и таблицей. Пример 1. Метасиликат бария особой чистоты получают осаждением из водной реакционной среды, содержащей предварительно очищенный гидроксид бария и щелочно-кремнеземистый раствор, при 90 - 95^oC. Для этого в реактор, снабженный обогревом и мешалкой, загружают 152 г. Ba(OH)₂8H₂O технического ГОСТ 4107-78 и 400 мл. дистиллированной воды, нагревают при температуре 70 - 75^oC при перемешивании до полного растворения; в полученный раствор добавляют раствор карбоната натрия, содержащий 7,7 г. Na₂CO₃10H₂O. Содержимое6 перемешивают 30 мин. и отделяют выпавший осадок коллектора на фильтре. В реактор загружают 136 г. жидкого стекла технического, ГОСТ 130078-81, и добавляют очищенный раствор гидроксида бария, содержащий 2,6 г. Ba(OH)₂8H₂O что соответствует осаждению 0,5% SiO₂ из раствора жидкого стекла, при перемешивании, нагревают содержимое до 50^oC и выдерживают 30 мин. Полученную суспензию отфильтровывают, отделяя осадок коллектора (аморфный осадок силиката бария). В щелочно-кремнеземистый раствор при перемешивании загружают предварительно очищенный раствор гидроксида бария, содержимое нагревают до 90 - 95^oC при перемешивании и выдерживают 30 мин. Полученный осадок BaSiO₃5H₂O отделяют, промывают на воронке 100 мл. дистиллированной воды, сушат при 120-300^oC м получают 100 г, BaSiO₃ особой чистоты с содержанием основного вещества 99,5%, примесей железа 110^-4; ванадия 310^-5, марганца 210^-5 хрома 110^-5, меди, никеля - 510^-6, кобальта 110^-6 масс.%

Аналогично были получены метасиликаты, свинца, кальция, магния (см. таблицу). Из приведенной таблицы видно, что новый способ обеспечивает получение метасиликатов металлов особой чистоты с содержанием отдельных примесей на уровне 10^-4 - 10^-6 мас.%. Получаемые по новому способу продукты по чистоте на 2 - 3 порядка выше, чем по способу-прототипу. Этот эффект достигается применением в качестве исходного продукта свежеприготовленного фильтрата щелочно-кремнеземистого раствора, получаемого частичным осаждением (0,5 - 20,0% SiO₂, находящегося в растворе жидкого стекла) соединением металла, одноименного синтезируемому метасиликату. Как показали лабораторные исследования, только при частичном (0,5 - 20,0% находящегося в растворе диоксида кремния) осаждении и только при использовании в качестве коллекторообразоватея одноименного металла, образуется фильтрат, который благодаря своим свойствам обеспечивает получение особо чистых метасиликатов металлов, что не достигалось при использовании других исходных продуктов. Кроме того, данный способ является экономичным благодаря использованию дешевого и доступного технического сырья и малой энергоемкости. Продукты, получаемые новым способом, могут быть применены в наиболее перспективных областях техники, в том числе в оптическом стекловарении. Использование метасиликатов металлов особой чистоты в технологии варки оптического стекла позволит снизить трудоемкость, уменьшить летучесть компонентов, повысить однородность и светопропускаемость стекла, упростить процесс и снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду.

Источники информации

1. СССР. авт. св. N 234373, C 01 B 33/24, 05.06.69.

2. СССР, авт. св. N 1669860, C 01 B 33/22, 15.08.91.

3. РФ, патент, N 2049058, C 01 B 33/20, 09.08.93.

4. СССР, авт. св. N 281438, C 01 F 7/06,08.12.70.

5. СССР, авт. св. N 903296, C 01 B 33/24, 21.05.82. /прототип/е