способ производства жидкого стекла

Формула изобретения

Способ производства жидкого стекла, включающий размол смеси кремнесодержащего вещества с гидроксидом щелочного металла и последующее взаимодействие компонентов смеси в присутствии воды при температуре до 100°С, отличающийся тем, что размол смеси ведут в вибромельнице, а последующее взаимодействие компонентов смеси с водой осуществляют в течение 0,5-1,5 ч в вибросмесителе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам производства жидкого стекла и может быть использовано, в частности, при изготовлении строительных материалов различного назначения.

Известен способ производства жидкого стекла, заключающийся в сплавлении кремнеземсодержащего сырья, в качестве которого используют песок, и кальцинированной соды или сульфата натрия в стеклоплавильных печах при температуре 1350-1400°С и последующего охлаждения стеклянной массы - силикат-глыбы, которую для получения жидкого стекла растворяют в автоклаве под действием острого пара при давлении 4-6 атмосфер и температуре180-250°С. (Строительные материалы, Киев, 1957, Гос. Изд-во технической литературы УССР, стр.209-210).

Высокая энергоемкость производства силикат-глыбы, а также необходимость использования сложного автоклавного оборудования при ее растворении являются существенными недостатками известного способа.

Известен также способ производства жидкого стекла, включающий размол силикат-глыбы, дозирование, смешивание и растворение в воде в смесителе при соотношении компонентов в соответствии с требованиями, предъявляемыми к жидкому стеклу при поддержании температуры воды в пределах 85-100°С, причем смешивание и барботаж выполняется в вибрационном смесителе. (Патент РФ № 2229438, МПК⁷ С 01 B 33/32, 12.06.2001).

Известный способ основан на использовании в качестве исходного продукта для производства жидкого стекла силикат-глыбы, производство которой сопряжено с большими энерго- и трудозатратами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения жидкого стекла, включающий смешение и последующее взаимодействие кремнесодержащего вещества (песка), которое предварительно измельчают до удельной поверхности 200-20000 см²/г, с водным раствором гидроксида щелочного металла при температуре 100-250°С и возникающим при этой температуре давлении водяного пара. (Патент РФ № 2078433, МПК⁸ С 01 В 33/32, 27.04.97).

К недостаткам известного способа можно отнести повышенную энергоемкость, что обусловлено необходимостью использования автоклавного оборудования, что значительно увеличивает энергозатраты на производство жидкого стекла.

Заявителем не выявлены источники информации, содержащие сведения о технических решениях, идентичных предлагаемому изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения является упрощение технологии изготовления жидкого стекла и обеспечение возможности использования в качестве кремнесодержащего вещества отходов стекла (стеклобоя).

Поставленная задача решается тем, что в способе производства жидкого стекла, включающем размол кремнесодержащего вещества, смешение с гидроксидом щелочного металла и их последующее взаимодействие компонентов смеси в присутствии воды при температуре до 100°С, согласно изобретению совместный размол компонентов идет в вибросмесителе, а последующее взаимодействие с с водой выполняют в вибрационном смесителе в течение 0,5-1,5 час.

При совместном размоле кремнесодержащего вещества, например стеклобоя, с твердым гидроксидом щелочного металла, например гидроксидом натрия, за счет протекания твердофазных реакций между последним и тонкодисперсными частицами SiO₂ стеклобоя происходит механо-химическая активация аморфного SiO₂, при этом образуются n-мерные соединения типа Na₂OnSiO₂, где n - характеризует силикатный модуль, величина которого может быть равна 1, 2, 3....

В результате происходит переход аморфного оксида кремния в полимерное состояние с образованием первичных элементарных фрагментов полимерных натрий-силикатных соединений. Вследствие этого полученная сухая смесь приобретает повышенную степень растворимости при ее взаимодействии с водой. Экспериментально подтверждено, что для обеспечения необходимой интенсивности процесса взаимодействия компонентов смеси достаточно поддержания температуры рабочей смеси не ниже 85°С.

Совместный размол кремнесодержащего вещества и твердого чешуйчатого гидроксида щелочного металла в совокупности с другими заявляемыми параметрами способа обеспечивает возможность производства жидкого стекла без использования автоклавного оборудования, что значительно упрощает технологию изготовления и снижает трудовые и энергетические затраты.

При выполнении размола кремнесодержащего вещества, предпочтительно стеклобоя, и твердого гидроксида щелочного металла в вибрационной мельнице обеспечивается более эффективное совмещение твердых фаз указанных компонентов и, следовательно, интенсифицируется механо-химическая активация кремнезема стеклобоя. Предлагаемое изобретение позволяет использовать в качестве кремнесодержащего вещества отходы стекла - стеклобой, содержащий ряд химических соединений и веществ, оказывающих положительное влияние на качества конечного продукта - жидкого стекла. Это позволяет широко использовать полученное жидкое стекло при производстве строительных и композиционных материалов различного назначения, а также дополнительно решать проблему утилизации стеклобоя, что имеет важное экономическое и экологическое значение.

Использование при реализации способа вибрационного смесителя предотвращает локализацию растворяемых частиц кремнезема продуктами взаимодействия и, тем самым, способствует увеличению суммарной поверхности взаимодействия компонентов и повышает степень растворимости кремнесодержащего вещества. Для достижения этого вибрационный смеситель снабжается также устройствами для нагрева исходных компонентов и последующего охлаждения конечного продукта. Увеличение длительности тепловой обработки свыше рекомендованных 1,5 часов приведет к неоправданному увеличению энергозатрат, так как не приводит к увеличению выхода конечного продукта, тогда как уменьшение времени вибрационного и теплового воздействия приводит к недостаточно полному растворению аморфного кремнезема.

Указанные доводы, по мнению заявителя, подтверждают соответствие заявленного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Возможность реализации предлагаемого способа получения жидкого стекла подтверждается проведенными экспериментами и поясняется примерами.

Пример 1

В качестве кремнесодержащего вещества использовался стеклобой с размером частиц 0,1-0,15 мм. В составе отходов стекла содержались следующие оксиды: SiO₂ - 71,5%, Al₂О₃ - 5,5%, Fe₂O₃ - 3,5%, Na₂O+K ₂O - 12,7%, CaO - 4,9%, MgO - 1,7%, BaO - 0,2%. Для опыта брали 1 кг указанного стеклобоя и 0,5 кг твердого чешуйчатого гидроксида натрия - NaOH (ГОСТ4328-77). Компоненты подавались в вибрационную лабораторную мельницу, где выполнялся их совместный помол до тонкости помола 0,15 и менее. После помола полученная сухая смесь помещалась в вибрационную мешалку, в которую затем добавляли 1,5 литра водопроводной воды, нагретой до 98°С, после чего в течение 30 минут производили перемешивание.

В результате было получено 2,87 кг жидкого стекла с силикатным модулем M₁=2,03 (с учетом щелочей, содержащихся в стеклобое) или 2,83 без учета последних. Осадок из нерастворившихся частиц стеклобоя (степень помола более 0,15 мм) составил 130 г и был направлен на повторную механо-химическую активацию.

Пример 2

В отличие от предыдущего опыта совместный помол стеклобоя и твердого гидроксида натрия не производился. Компоненты смеси - раздельно измельченные до тонкости помола не более 0,15 мм 1 кг стеклобоя и 0,5 кг чешуйчатого гидроксида натрия помещались в вибрационную мешалку, в которую затем добавляли 1,5 литра водопроводной воды, нагретой до 98°С, после чего в течение 30 минут производили перемешивание. После отделения жидкой фазы, то есть сформировавшегося жидкого стекла, осадок в виде нерастворившегося аморфного кремнезема составил 882 г, то есть растворилось всего 118 г молотого стеклобоя. Таким образом растворимость кремнесодержащего вещества - стеклобоя составила всего 11,8% по сравнению с 87% при совместном размоле компонентов (пример 1). Полученный раствор жидкого стекла характеризовался низким значением силикатного модуля M₁=(118/500)×100)=0,229 без учета щелочей, содержащихся в стеклобое или M₂ =0,185 с учетом последних.

Пример 3

Согласно методике, приведенной в примере 1, брали 500 г стеклобоя и 200 г твердого гидроксида натрия, компоненты подвергали совместному помолу до тонкости помола менее 0,1 мм. После помола полученную сухую смесь поместили в вибрационную мешалку, в которую подали 700 г воды, нагретой до 100°С.

Перемешивание производили в течение 1,5 часа. В результате было получено 1370 г жидкого стекла с силикатным модулем M₁=3,63 (без учета щелочей, содержащихся в стеклобое) или М₂=2,48 с их учетом. Растворимость кремнесодержащего вещества составила 94%. Нерастворившийся осадок стеклобоя - 30 г, также был направлен на повторную механо-химическую активацию.

Пример 4

При проведении этого опыта так же, как в примере 3, брали 500 г стеклобоя и 200 г твердого гидроксида натрия, но размол компонентов до тонкости 0,1 мм производили раздельно. После помола компоненты смеси поместили в вибрационную мешалку, в которую подали 700 г воды, нагретой до 100°С. Перемешивание производили в течение 1,5 часа. После отделения жидкой фазы осадок нерастворившегося SiO₂ стеклобоя составил 437 г. В результате было получено 963 г жидкого стекла с силикатным модулем М₁=0,315 без учета щелочей, содержащихся в стеклобое и М₂=0,215 с учетом последних, при растворимости стеклобоя 12,6%.

Пример 5

Для выполнения этого опыта брали 600 г стеклобоя и 200 г твердого гидроксида натрия, компоненты подвергали совместному помолу до тонкости помола менее 0,1 мм. После помола полученную сухую смесь поместили в вибрационную мешалку, в которую подали 800 г воды, нагретой до 85°С. Перемешивание производили в течение 50 минут. В результате было получено 1470 г жидкого стекла с силикатным модулем M₁ =2,35 без учета щелочей, содержащихся в стеклобое или М₂ =1,72 с их учетом. Нерастворившийся осадок SiO₂ стеклобоя составил 133 г (растворимость ˜80%) и также был направлен на повторную механо-химическую активацию.

Пример 6

Для выполнения этого опыта так же, как и в примере 5, брали 600 г стеклобоя и 200 г твердого гидроксида натрия. Размол компонентов до тонкости помола менее 0,1 мм производили раздельно. Компоненты смеси поместили в вибрационную мешалку, в которую подали 800 г воды, нагретой до 85°С. Перемешивание производили в течение 50 минут. После отделения жидкой фазы нерастворившийся осадок SiO₂ стеклобоя составил 537,5 г, то есть растворимость стеклобоя составила 10,4%. Полученный раствор жидкого стекла в количестве 1062,5 г характеризовался силикатными модулями M ₁=0,310 и М₂=0,23.

Приведенные примеры подтверждают, что совместный размол твердых компонентов смеси для получения жидкого стекла - стеклобоя и гидроксида натрия - обеспечивают значительное увеличение выхода в раствор аморфного SiO₂ при прочих равных условиях.

Для реализации предлагаемого способа получения жидкого стекла были использованы стандартное оборудование и доступные материалы, что позволяет заявителю сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».