СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКОГО СТЕКЛА

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКОГО СТЕКЛА


RU (11) 2291106 (13) C2

(51) МПК
C01B 33/32 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(14) Дата публикации: 2007.01.10 
(21) Регистрационный номер заявки: 2004136498/15 
(22) Дата подачи заявки: 2004.12.14 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2004.12.14 
(43) Дата публикации заявки: 2006.06.10 
(45) Опубликовано: 2007.01.10 
(56) Аналоги изобретения: RU 2187457 C1, 20.08.2002. КАСАТКИН А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973, с.693, 699-670, 712. RU 2078433 C1, 27.04.1997. RU 2188155 C1, 27.08.2002. GB 1518772 A, 26.07.1978. 
(72) Имя изобретателя: Арсентьев Василий Александрович (RU); Вайсберг Леонид Абрамович (RU); Кнатько Михаил Васильевич (RU); Кнатько Василий Михайлович (RU); Крапивский Евгений Исаакович (RU) 
(73) Имя патентообладателя: Арсентьев Василий Александрович (RU); Вайсберг Леонид Абрамович (RU); Кнатько Михаил Васильевич (RU); Кнатько Василий Михайлович (RU) 
(98) Адрес для переписки: 198264, Санкт-Петербург, пр-т Ветеранов, 139, кв. 373, В.М. Кнатько 

(54) СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКОГО СТЕКЛА

Изобретение относится к способам производства жидкого стекла и может быть использовано, в частности, при изготовлении строительных материалов различного назначения. Способ производства жидкого стекла включает размол смеси кремнесодержащего вещества с гидроксидом щелочного металла и последующее взаимодействие компонентов смеси в присутствии воды при температуре до 100°С. Размол смеси ведут в вибромельнице, а последующее взаимодействие компонентов смеси с водой осуществляют в течение 0,5-1,5 часов в вибросмесителе. Результат изобретения: упрощение технологии изготовления жидкого стекла, использование в качестве кремнеземсодержащего вещества отходов стекла (стеклобой) и сокращение энергозатрат.



ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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».



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.