способ получения диоксида кремния

Формула изобретения

1. Способ получения диоксида кремния, включающий обработку исходного кремнеземсодержащего раствора минеральной кислотой в присутствии затравки кремнезема, фильтрацию осадка, его промывку и сушку, отличающийся тем, что перед кислотной обработкой исходного кремнеземсодержащего раствора затравку кремнезема суспендируют в минеральной кислоте, а обработку раствора ведут путем его дозирования в образовавшуюся суспензию при перемешивании со скоростью 0,1-2,0 л/ч на 1 л суспензии, при этом температуру получаемой пульпы поддерживают не ниже 50^oС.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что затравку кремнезема суспендируют в минеральной кислоте, имеющей концентрацию ни ниже 15%.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что затравку кремнезема берут в количестве 20-200% от массы кремнезема, содержащегося в исходном кремнеземсодержащем растворе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения высокодисперсного диоксида кремния и может быть использовано в химической промышленности, в частности в производстве полимеров и минеральных наполнителей.

Промышленные жидкофазные методы получения диоксида кремния основаны на осаждении кремниевой кислоты из раствора силиката щелочного металла, преимущественно натрия, с помощью углекислого газа, минеральной кислоты, солей аммония и других кислых реагентов с последующей фильтрацией осадка, его промывкой и сушкой. Основными недостатками известных способов являются неудовлетворительная скорость фильтрования осадка, а также трудность его отмывки от нежелательных примесей. В связи с этим актуальной является задача повышения показателей фильтрования осадка диоксида кремния.

Известен способ получения диоксида кремния (см. патент США N 3857925, Н. Кл. 423-339, 1974), включающий введение кремнеземсодержащей затравки в виде геля SiO₂ в исходный раствор силиката натрия, обработку последнего минеральной кислотой с образованием осадка диоксида кремния, фильтрацию осадка, его промывку и сушку.

К недостаткам способа относятся низкая скорость фильтрации осадка диоксида кремния, величина среднего съема с фильтра которого составляет 3,8 кг/м²ч, и трудность его отмывки от примесей.

Наиболее близким к заявленному способу является способ получения диоксида кремния (см. авт. свид. СССР N 670536, М. Кл. ² C 01 B 33/18, 1976), включающий введение в исходный раствор силиката натрия кремнеземсодержащей затравки - суспензии SiO₂, взятой к исходному раствору в объемном соотношении 1,0-0,1: 1,0, обработку раствора минеральной кислотой с образованием осадка диоксида кремния, доосаждение диоксида кремния при pH, равном 6,0-8,8, фильтрацию осадка, его промывку и сушку, при этом средний съем осадка диоксида кремния с фильтра составляет 8,1-9,0 кг/м²ч.

Использование в качестве кремнеземсодержащей затравки суспензии диоксида кремния вместо геля SiO₂ позволяет в 2,1-2,2 раза улучшить фильтрацию, однако ее показатели остаются низкими, что является основным недостатком известного способа. Кроме того, для удаления примесей минеральных солей из осадка диоксида кремния требуется большой расход воды.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи увеличения показателей фильтрования осадка диоксида кремния, а также на сокращение расхода воды на промывку осадка.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения диоксида кремния, включающем обработку исходного кремнеземсодержащего раствора минеральной кислотой в присутствии затравки кремнезема, фильтрацию осадка, его промывку и сушку, согласно изобретению перед кислотной обработкой исходного кремнеземсодержащего раствора затравку кремнезема суспендируют в минеральной кислоте, а обработку раствора ведут путем его дозирования в образовавшуюся суспензию при перемешивании со скоростью 0,1-2,0 л/ч на 1 литр суспензии, при этом температуру получаемой пульпы поддерживают не ниже 50^oC.

Решению поставленной задачи способствует также то, что затравку кремнезема суспендируют в минеральной кислоте, имеющей концентрацию не ниже 15%.

На решение поставленной задачи направлено и то, что затравку кремнезема берут в количестве 20-200% от массы кремнезема, содержащегося в исходном кремнеземсодержащем растворе.

В качестве исходного кремнеземсодержащего раствора используют преимущественно раствор от разложения кремнеземсодержащего сырья минеральной кислотой, однако могут быть использованы и другие кремнеземсодержащие растворы, например раствор силиката натрия.

В качестве кремнеземсодержащего сырья используют преимущественно нефелин, однако могут быть использованы и другие виды сырья, кислотная обработка которых сопровождается переходом кремнезема в раствор, например эвдиалит.

В качестве минеральной кислоты используют преимущественно серную кислоту как наименее летучую и более распространенную, однако могут быть использованы и другие кислоты, например азотная, фосфорная, соляная.

В качестве затравки кремнезема используют часть промытого влажного или высушенного получаемого осадка диоксида кремния или непосредственно часть пульпы осажденного диоксида кремния.

Сущность изобретения заключается в том, что при дозировании кремнеземсодержащего раствора в суспензию, содержащую минеральную кислоту и затравку кремнезема, со скоростью 0,1-2,0 л/ч на 1 л суспензии при температуре не ниже 50^oC поступающий с исходным раствором кремнезем в условиях постоянной избыточной кислотности и повышенной температуры быстро полимеризуется на поверхности частиц суспендированного кремнезема без образования новых частиц, что приводит к увеличению показателей фильтрования осадка диоксида кремния, а также к сокращению расхода воды, необходимой для отмывки осадка от растворимых примесей. При дозировании исходного раствора со скоростью более 2,0 л/ч на 1 л суспензии поступающий с раствором кремнезем полимеризуется преимущественно не на поверхности частиц суспендированного кремнезема, а с образованием новых частиц - коллоидных зародышей в сильнообводненной форме, что приводит к ухудшению показателей фильтрования осадка диоксида кремния и увеличению расхода воды для промывки осадка. Более того, при очень высокой скорости дозирования кремнеземсодержащего раствора возможна частичная или даже полная желатинизация получаемой пульпы. Снижение скорости дозирования исходного раствора менее 0,1 л/ч на 1 л суспензии не приводит к дальнейшему улучшению показателей фильтрования осадка диоксида кремния и уменьшению расхода воды для промывки осадка, но связано с неоправданным увеличением продолжительности процесса. При понижении температуры пульпы менее 50^oС даже при невысокой скорости дозирования исходного раствора резко снижается скорость полимеризации растворенного кремнезема, что приводит к получению плохо фильтрующихся или даже желатинизирующихся пульп. С повышением температуры более 50^oC скорость полимеризации растворенного кремнезема на поверхности частиц суспендированного кремнезема возрастает и показатели фильтрования осадка диоксида кремния улучшаются, поэтому верхний температурный предел определяется летучестью используемой минеральной кислоты.

Суспендирование затравки кремнезема в минеральной кислоте, имеющей концентрацию не ниже 15%, и расход затравки в количестве 20-200% от массы кремнезема, содержащегося в исходном растворе, способствуют созданию оптимальных условий для полимеризации и осаждения растворенного кремнезема на поверхности частиц суспендированного кремнезема и соответственно улучшению показателей фильтрования осадка диоксида кремния. При концентрации минеральной кислоты менее 15% и расходе затравки ниже 20% значительно ухудшаются показатели фильтрования осадка диоксида кремния. При расходе затравки выше 200% показатели фильтрования не улучшаются, но неоправданно увеличиваются материальные потоки производства и снижается удельная производительность технологического оборудования.

Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты более наглядно могут быть проиллюстрированы следующими примерами.

Пример 1. В эмалированный реактор емкостью 1000 л, снабженный рубашкой для подачи пара и мешалкой, заливают 450 л 15%-ной азотной кислоты, суспендируют в ней 49 кг диоксида кремния и нагревают паром до 50^oC. В образовавшуюся суспензию при перемешивании дозируют со скоростью 0,1 л/ч на 1 л суспензии 350 л раствора от азотнокислотного разложения нефелинового концентрата, содержащего 70 г/л SiO₂ и имеющего плотность 1,2 г/см³. Получают 945 кг пульпы с содержанием 7,78% SiO₂. Пульпу фильтруют на нутч-фильтре с поверхностью фильтрования 1 м². Для полного удаления растворимых примесей осадок диоксида кремния промывают на фильтре 720 л горячей воды. При этом средний съем влажного осадка с фильтра составляет 56 кг/м²ч. Промытый осадок в количестве 185 кг сушат с получением 71,5 кг диоксида кремния. Влажность осадка составляет 61,35%; количество воды на промывку - 10,1 кг на 1 кг сухого продукта.

Пример 2. В реактор заливают 600 л 40%-ной серной кислоты, суспендируют в ней 80 кг диоксида кремния и нагревают до 95^oC. В образовавшуюся суспензию дозируют со скоростью 2 л/ч на 1 л суспензии 300 л раствора силиката натрия с содержанием 20,6% SiO₂ и имеющего плотность 1,26 г/см³. Получают 907 кг пульпы с содержанием 17,4% SiO₂. Пульпу фильтруют. Для полного удаления растворимых примесей осадок диоксида кремния промывают на фильтре 1200 л горячей воды. При этом средний съем влажного осадка с фильтра составляет 63 кг/м²ч. Промытый осадок в количестве 350 кг сушат с получением 155 кг диоксида кремния. Влажность осадка составляет 55,7%; количество воды на промывку - 7,74 кг на 1 кг сухого продукта.

Пример 3. В реактор заливают 400 л 70%-ной серной кислоты, суспендируют в ней 55 кг диоксида кремния и нагревают до 105^oC. В образовавшуюся суспензию дозируют со скоростью 1 л/ч на 1 л суспензии 500 л раствора от сернокислотного разложения эвдиалитового концентрата, содержащего 55 г/л SiO₂ и имеющего плотность 1,25 г/см³. Получают 1350 кг пульпы с содержанием 6,1% SiO₂. Пульпу фильтруют. Для полного удаления растворимых примесей осадок диоксида кремния промывают на фильтре 820 л горячей воды. При этом средний съем влажного осадка с фильтра составляет 70 кг/м²ч. Промытый осадок в количестве 215 кг сушат с получением 79,5 кг диоксида кремния. Влажность осадка составляет 63,0%; количество воды на промывку - 10,3 кг на 1 кг сухого продукта.

Пример 4. В реактор заливают 600 л 50%-ной серной кислоты, суспендируют в ней 46 кг диоксида кремния и нагревают до 100^oC. В образовавшуюся суспензию дозируют со скоростью 0,5 л/ч на 1 л суспензии 200 л раствора силиката натрия с содержанием 31,5% SiO₂ и имеющего плотность 1,46 г/см³. Получают 925 кг пульпы с содержанием 14,9% SiO₂. Пульпу фильтруют. Для полного удаления растворимых примесей осадок диоксида кремния промывают на фильтре 1420 л горячей воды. При этом средний съем влажного осадка с фильтра составляет 85 кг/м²ч. Промытый осадок в количестве 402 кг сушат с получением 131 кг диоксида кремния. Влажность осадка составляет 67,4%; количество воды на промывку - 10,84 кг на 1 кг сухого продукта.

Пример 5. В реактор заливают 500 л 45%-ной серной кислоты, суспендируют в ней 35 кг высушенного диоксида кремния, полученного по примеру 1, и нагревают до 75^oC. В образовавшуюся суспензию дозируют со скоростью 0,75 л/ч на 1 л суспензии 275 л раствора от сернокислотного разложения нефелинового концентрата, содержащего 85 г/л SiO₂ и имеющего плотность 1,28 г/см³. Получают 780 кг пульпы с содержанием 7,48% SiO₂. Пульпу фильтруют. Для полного удаления растворимых примесей осадок диоксида кремния промывают на фильтре 660 л горячей воды. При этом средний съем влажного осадка с фильтра составляет 78 кг/м²ч. Промытый осадок в количестве 195 кг сушат с получением 55,5 кг диоксида кремния. Влажность осадка составляет 71,5%; количество воды на промывку - 11,9 кг на 1 кг сухого продукта.

Пример 6. В реактор заливают 400 л 35%-ной серной кислоты, суспендируют в ней 130 кг промытого влажного диоксида кремния, полученного по примеру 1, и нагревают до 80^oC. В образовавшуюся суспензию дозируют со скоростью 0,25 л/ч на 1 л суспензии 500 л раствора от сернокислотного разложения нефелинового концентрата, содержащего 80 г/л SiO₂ и имеющего плотность 1,25 г/см³. Получают 910 кг пульпы с содержанием 9,92% SiO₂. Пульпу фильтруют. Для полного удаления растворимых примесей осадок диоксида кремния промывают на фильтре 760 л горячей воды. При этом средний съем влажного осадка с фильтра составляет 80 кг/м²ч. Промытый осадок в количестве 208,5 кг сушат с получением 85 кг диоксида кремния. Влажность осадка составляет 59,2%; количество воды на промывку - 8,94 кг на 1 кг сухого продукта.

Пример 7. Проводят операции по примеру 2. В реакторе оставляют 500 кг пульпы с содержанием 17,4% SiO₂, заливают при перемешивании 200 л 92,5%-ной серной кислоты и нагревают до 90^oC. В образовавшуюся суспензию дозируют со скоростью 0,6 л/ч на 1 л суспензии 335 л раствора силиката натрия с содержанием 20,6% SiO₂ и имеющего плотность 1,26 г/см³. Получают 940 кг пульпы с содержанием 18,5% SiO₂. Пульпу фильтруют. Для полного удаления растворимых примесей осадок диоксида кремния промывают на фильтре 1400 л горячей воды. При этом средний съем влажного осадка с фильтра составляет 87 кг/м²ч. Промытый осадок в количестве 380 кг сушат с получением 170 кг диоксида кремния. Влажность осадка составляет 55,3%; количество воды на промывку - 8,24 кг на 1 кг сухого продукта.

В примерах 8-11 получение диоксида кремния осуществляют вне заявленных пределов параметров.

Пример 8. Проводят операции по примеру 2, за исключением того, что раствор дозируют со скоростью 2,25 л/ч на 1 л суспензии. Для полного удаления растворимых примесей осадок диоксида кремния промывают на фильтре 2900 л горячей воды. При этом средний съем влажного осадка с фильтра составляет 15 кг/м²ч. Промытый осадок в количестве 910 кг сушат с получением 155 кг диоксида кремния. Влажность осадка составляет 82,96%; количество воды на промывку - 18,7 кг на 1 кг сухого продукта.

Пример 9. Проводят операции по примеру 2, за исключением того, что раствор дозируют со скоростью 2,5 л/ч на 1 л суспензии. После заливки ~ 200 л раствора силиката натрия полученная пульпа желатинизируется.

Пример 10. Проводят операции по примеру 2, за исключением того, что температуру получаемой пульпы поддерживают 45^oC. Пульпу фильтруют. Для полного удаления растворимых примесей осадок диоксида кремния промывают на фильтре 2500 л горячей воды. При этом средний съем влажного осадка с фильтра составляет 12,5 кг/м²ч. Промытый осадок в количестве 675 кг сушат с получением 155 кг диоксида кремния. Влажность осадка составляет 77,0%; количество воды на промывку - 16,1 кг на 1 кг сухого продукта.

Пример 11. Проводят операции по примеру 2, за исключением того, что температуру получаемой пульпы поддерживают 40^oC. После заливки ~ 160 л раствора силиката натрия полученная пульпа желатинизируется.

Пример 12 (по прототипу). В эмалированный реактор емкостью 1000 л, снабженный рубашкой для подачи пара и мешалкой, заливают непрерывно при 70^oC 600 л раствора силиката натрия плотностью 1,06 г/см³, содержащего 4% SiO₂, и 60 л суспензии диоксида кремния, содержащей 56 г/л SiO₂. Образовавшуюся реакционную смесь подают в другой аналогичный реактор, куда одновременно вводят 168 л 10%-ного водного раствора соляной кислоты. Полученную смесь направляют в следующий реактор, куда одновременно подают 36 л жидкого стекла до обеспечения величины pH, равной 6,0. Образовавшуюся суспензию диоксида кремния фильтруют. Для полного удаления растворимых примесей осадок диоксида кремния трижды репульпируют в 200 л свежей горячей воды и фильтруют. При этом средний съем влажного осадка с фильтра составляет 8,5 кг/м²ч. Промытый осадок в количестве 185 кг сушат с получением 28,5 кг диоксида кремния. Влажность осадка составляет 84,6%; количество воды на промывку - 21,1 кг на 1 кг сухого продукта.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемый способ позволяет по сравнению с прототипом увеличить в 6,5-10,2 раза показатели фильтрования осадка диоксида кремния и сократить в 1,7-2,7 раза расход воды на промывку осадка от растворимых примесей. Кроме того, предлагаемый способ позволяет по сравнению с прототипом значительно повысить производительность оборудования, уменьшить материальные потоки производства, а также снизить энергозатраты на стадии сушки осадка диоксида кремния.