Инфоурок Химия СтатьиСпособы получения жидкого стекла

Способы получения жидкого стекла

Скачать материал

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 2 г.Томска

 

Пятак Влада – ученица 11 класса.

Тогидний М.Л.  – учитель химии, руководитель работы.

 

 

Способы получения жидкого стекла

Жидкое стекло представляет собой густую жидкость желтого или серого цвета без механических включений и примесей. Растворимое стекло натриевое либо калиевое отличается от обыкновенного иным химическим составом и способностью растворяться в воде (в особенности под действием пара высокого давления и высокой температуры); в молотом виде жидкое стекло растворяется даже просто в горячей воде. До растворения это стекло представляет собой прозрачные куски или глыбы синеватого, зеленоватого или желтого цвета. После растворения получается жидкость различной густоты.

Область применения жидкого стекла находится в машиностроительной, химической, текстильной, бумажной промышленности: для производства сварочных материалов, как компонент различных силикатных красок, являющихся огнезащитным покрытием при окраске стен, в смеси с казеином используется для склеивания фанеры, фарфора, стекла, керамики и др.

Впервые жидкое стекло получил в 1818 немецкий химик и минералог Ян Непомук фон Фукс. В настоящее время изготовляется путем обработки в автоклаве кремнезёмсодержащего сырья концентрированными растворами гидроксида натрия или сплавлением кварцевого песка с содой. Известны также способы получения жидкого стекла, основанные на прямом растворении кремнистого сырья (опоки, трепелы, диатомиты и др.) в растворах щелочей при атмосферном давлении и относительно невысокой температуре (температура кипения раствора щелочи).

Промышленностью нашей страны выпускаются в основном натриевые жидкие стекла, в меньших масштабах производятся калиевые жидкие стекла, а литиевые и жидкие стекла на основе четвертичного аммония выпускаются в виде отдельных опытных партий.

Характеристикой химического состава жидкого стекла является силикатный модуль. Модуль показывает отношение содержащейся в жидком стекле окиси кремния к окиси натрия или к окиси калия и характеризует выход кремнезема в раствор. По величине силикатного модуля о качестве жидкого стекла не судят [1].

Характеристикой жидкого стекла является его вязкость, или коэффициент внутреннего трения. Под вязкостью понимают то свойство жидкостей, которое вызывает сопротивление движению одних частей жидкости относительно других. Если сообщить некоторую скорость какому-нибудь внутреннему слою жидкости, то вместе с ним увлекаются и окружающие слои, однако их скорость постепенно уменьшается по мере удаления от слоя, которому сообщается первоначальное движение. Сила, приводящая в движение соседние слои, называется внутренним трением жидкости. Эта сила между двумя соседними параллельными слоями будет пропорциональна площади соприкосновения слоев и скорости.

Химический состав жидких стекол характеризуют по содержанию кремнезема и других оксидов, независимо от конкретной формы их существования в растворе.

Изучению как самого процесса взаимодействия жидкого стекла с солями щелочноземельных металлов, так и идентификации продуктов этого взаимодействия посвящено множество исследований.

Эта общая картина взаимодействия тем более реальна, чем выше концентрация реагентов в растворах и чем выше модуль жидкого стекла.

Высокомодульные концентрированные жидкие стекла, характеризующиеся многообразием полимерных ионов и мицелл, способствуют образованию аморфных продуктов даже без признаков кристалличности.

Такой материал незаменим в химической промышленности для производства силикагеля, силиката свинца, метасиликата натрия. В строительстве жидкое стекло применяется для защиты фундаментов от грунтовых вод, гидроизоляции стен, полов и перекрытий подвальных помещений, устройства бассейнов. Но это не единственное предназначение «водного раствора силиката натрия». Он удачно подходит для склеивания и связки строительных материалов, изготовления кислотоупорных, огнестойких и огнеупорных силикатных масс. Жидкое стекло успешно используется для изготовления силикатных красок, клеев, моющих и чистящих средств.

К натриевым силикатам относятся:

1. Ортосиликат натрия 2Na2O · SiO2 или Na4SiO4

2. Метасиликат натрия Na2O · SiO2 или Na2SiO3

3. Дисиликат натрия Na2O · SiO2 или Na2SiO2O5

Способы производства растворимого стекла можно разбить на сухие и мокрые. Сухие способы основаны на получении расплавов щелочных силикатов при высокой температуре с последующим их охлаждением до стеклообразного состояния и растворением.

При мокрых способах различные формы кремнезема растворяются в едких щелочах с непосредственным получением растворов щелочных силикатов (жидкое стекло) без предварительной варки стекловидных щелочных силикатов (глыбы, гранулята) [2].

К сухим способам производства жидкого стекла относятся карбонатный, сульфатный, карбонатно-сульфатный, бисульфатный, нитратный, щелочной и сульфидный.

К мокрым способам относятся щелочной, электролитический, сульфидный, карбидный, а также способ получения из кремния и силицидов. Кроме того существуют несколько прочих способов получения растворимого стекла такие как: хлоридный (способ возгонки) и кремнефторидный.

Далее рассмотрим более подробно все способы.

Карбонатный способ. Карбонатный способ получения жидкого стекла является наиболее старым, теоретически и практически хорошо изученным и имеющим наибольшее применение в промышленности. Основан такой способ на взаимодействии при высоких температурах щелочных карбонатов Na2CO3 и К2CO3 и кремнезема в различных его видоизменениях.

Na2CO3 + mSiO2 ® CO2 + Na2O · mSiO2,

K2CO3 + mSiO2 ® CO2 + K2O · mSiO2.

Взаимодействие SiO2 c щелочными карбонатами при высоких температурах протекает с выделением СO2, вытесняемого кремнеземом. В данном случае SiO2 действует подобно ангидриду более сильной кислоты.

Взаимодействие между веществами может происходить не только в жидком или газообразном состоянии, но и в твердой фазе. Благодаря явлениям диффузии при соприкосновении друг с другом начинается взаимное проникновение ионов и тем самым создается возможность химического взаимодействия между ними при температурах, лежащих ниже температур плавления реагирующих компонентов.

В техническом растворимом стекле, получаемом по карбонатному способу, помимо мета- и дисиликата натрия и калия и избыточного кремнезема, находящегося в стекловидном состоянии, присутствуют также примеси, поступившие из исходных материалов и обычно в виде оксидов: CaO, MgO, Al2O3, Fe2O3.

Сульфатный способ. Сульфатный способ получения жидкого стекла основан на взаимодействии Na2SO4 c кремнеземом в присутствии или чистого угля, или каких-либо органических веществ, действующих в качестве восстановителей сульфата натрия.

Чистый Na2SO4 при нагревании разлагается по уравнению:

Na2SO4 ® NaO + SO3 при температуре ~1400 °С, но в присутствии кремнезема реакция Na2SO4 + SiO2 ® NaSiO3 + SO3 протекает уже при 1120 °С, хотя и в крайне ограниченных размерах. Дальнейшее повышение температуры мало отражается на усилении процесса разложения сульфата натрия.

При варке силиката по сульфатному способу большое значение имеет количество угля, вводимого в шихту. Если рассчитывать по уравнению 2Na2SO4 + C ® 2Na2SO3 + CO2, то количество углерода для полного восстановления сульфата натрия выразится 4,22 % от веса Na2SO4. Но этого количества углерода оказывается практически недостаточно. При расчете по уравнению Na2SO4 + С ® Na2SO3 + СО количество углерода будет выражаться числом 8,44 %, что оказывается чрезмерным и плохо отражающимися на технологическом процессе и на конечных продуктах реакции. При повышенном содержании углерода в смеси образуется сульфид натрия, реагирующий с окислами железа с образованием FeS, обусловливающего окрашивание растворимого стекла в разные цвета.

При варке растворимого стекла по сульфатному способу с повышенным количеством углерода и особенно при недостаточно высокой температуре в расплаве всегда образуется Na2S и происходит окрашивание силиката сульфидом железа. Поэтому в состав шихты не следует вводить много углерода, варку необходимо вести при достаточно высокой температуре, обеспечивающей хороший провар стекломассы и заканчивать процесс в окислительной среде.

Количество угля, необходимое для восстановления Na2SO4, должно составлять 5-7 % от веса сульфата и устанавливаться опытным путем в зависимости от состава шихты и условий ведения технологического процесса.

Все эти отмеченные выше явления имеют большое значение и должны учитываться при варке растворимого стекла по сульфатному способу.

Сульфат натрия является дешевым заменителем соды при варке растворимого стекла. Но варка силиката по сульфатному способу представляет собой более сложный технологический процесс, вызывающий разъедание печного припаса и дающий в общем продукцию худшего качества.

Карбонатно-сульфатный способ. В связи с рядом затруднений при варке растворимого стекла по сульфатному способу, в некоторых случаях в состав шихты вводят в соответствующих количествах и соду, и сульфат натрия. В этих случаях при проведении технологического процесса необходимо учитывать особенности поведения того и другого материала, отмеченные при описании карбонатного и сульфатного способа.

Бисульфатный способ. Способ был предложен О.К. Ботвинкиным и М.И. Голбой, при нагревании до расплавления смеси указанных материалов происходит следующая реакция образования щелочного силиката:

NaHSO4 + NaCl + nSiO2 + C ® Na2O · nSiO2 + HCl + SiO2 + CO.

Эта сложная реакция состоит из взаимодействия бисульфата и хлористого натрия с выделением газообразного HCl и образования Na2SO4, реагирующего затем с углеродом и кремнеземом с получением в качестве конечного продукта щелочного силиката.

Бисульфатный способ является некоторым видоизменением обычного сульфатного и практического значения не имеет. При его промышленном применении необходимо было бы химически нейтрализовать большое количество газообразных кислых продуктов (SO2 и HCl).

Нитратный способ. Для получения растворимого стекла по этому способу сплавляют кремнезем с натриевой или калиевой селитрой. Реакция образования в этом случае протекает по уравнению:

2NaNO3 + nSiO2 ® Na2O · nSiO2 + 2NO + 3O.

 

Натриевая селитра плавится при 308 °С, калиевая – при 336 °С. Плавление этих соединений сопровождается частичным их разложением с выделением окислов азота. Реакция обоих нитратов с кремнеземом протекает очень интенсивно и начинается уже при температуре около 100 °С; с дальнейшим повышением температуры скорость реакции становится все больше. При относительно невысокой температуре и в короткий промежуток времени можно добиться полного разрушения нитратов и образования щелочных силикатов.

Преимуществом нитратного способа является относительно невысокая температура плавления смеси и большая скорость реакции между компонентами.

Щелочной способ. Жидкое стекло можно готовить сплавлением смеси кремнезема и NaOH или KOH. Реакция в этом случае происходит по уравнению:

2NaOH + nSiO2 ® Na2O · nSiO2 + H2O.

Взаимодействие щелочи с кремнеземом, особенно в тонкоизмельченном состоянии, протекает очень энергично, при относительно невысокой температуре и  с большой скоростью. Но из-за высокой стоимости щелочи и сильного разъедания печного припаса щелочной способ, так же как и нитратный, не нашел практического применения.

Сульфидный способ. Сульфидный способ является некоторым вариантом сульфатного способа. Данный способ основан на предварительном получении Na2S путем восстановления сульфата натрия соответствующим количеством угля с последующим плавлением с кремнеземом. Реакции получения щелочного силиката по сульфидному способу протекают по уравнениям:

Na2SO4 + ® Na2S + 4CO;

Na2S + 3Na2SO4 + 4SiO2 ® 4 Na2O · SiO2 + 4SO2.

 

По существу, сульфидный способ может рассматриваться как отдельная промежуточная фаза сульфатного способа. Приготовление сульфида натрия специально для того, чтобы потом из него готовить растворимое стекло, вряд ли может найти оправдание с технологической и экономической точек зрения.

Известно несколько способов получения растворимого стекла мокрым способом.

Щелочной способ. Способ основан на растворении различных модификаций кремнезема в растворах щелочей при нагревании. Реакция растворения кремнезема в растворе щелочей протекает по уравнению:

2NaOH + nSiO2 ® Na2O · nSiO2 + H2O.

Скорость растворения кремнезема в растворах щелочей зависит от дисперсности частиц SiO2, от физического его состояния, концентрации растворов щелочи, температуры и давления.

Кристаллические модификации SiO2  труднее поддаются растворяющему действию растворов едких щелочей, чем аморфный кремнезем. Повышение температуры благоприятно влияет на процесс растворения SiO2 в NaOH и KOH. При повышенных давлениях щелочное растворение SiO2 также ускоряется.

Растворение аморфного кремнезема в едкой щелочи можно проводить также при температуре ниже 100 °С. Для этого тонко измельченный кремнезем замешивают с концентрированными растворами NaOH или KOH до получения густой массы, которую затем нагревают некоторое время при температуре не выше 100 °С (на водяной бане).

По Ранзому растворимое стекло по мокрому способу производят следующим образом. В цилиндрический вертикальный автоклав, имеющий паровую наружную рубашку и внутри проволочную сетчатую корзину, вытянутую рубашку по всему объему котла, загружается измельченный кремень. Затем в автоклав вводится необходимое количество едкой щелочи и при герметически закрытой крышке нагревается паром в течение 36 часов. Давление в автоклаве необходимо поддерживать до 4 атм. После окончания нагрева мутная жидкость удаляется из автоклава, отделяется от коллоидного осадка и концентрируется до удельного веса 1.6. Успешное осуществление мокрого способа производства жидкого стекла зависит от давления в автоклаве, температуры  и продолжительности нагревания.

Большое значение для успешного растворения аморфного кремнезема имеет также концентрация едкой щелочи, правильный подбор которой значительно облегчает и ускоряет процесс образования в растворе щелочных силикатов.

Калиевое жидкое стекло по мокрому способу производится с большей легкостью, так как КОН легче растворяет аморфный SiO2 или вообще тонкоизмельченный кремнезем, чем NaOH.

На изготовление растворимого стекла по мокрому способу имеется большое число патентов, что указывает на стремление сделать этот способ доступным и рентабельным.

Схема технологического процесса производства жидкого стекла по мокрому безавтоклавному способу состоит в основном в следующем.

Исходный мирабилит (Na2SO4 · 10H2O) восстанавливается обжигом древесным или каменным углем в пламенных или вращающихся печах при температуре 800–1000 °С.

Полученный таким путем поступает в аппарат для перевода Na2S в раствор. Сернистая руда и пероксидная руда (в расчете на MnO2) берутся в оптимальном соотношении: 1 Na2S : 1,5 MnO2.

Реактор снабжен мешалкой для энергичного перемешивания смеси. Обессеривание раствора сернистого натрия пероксидной рудой ведется при обыкновенной температуре в течение 2 часов.

Полученная суспензия из реактора поступает в отстойник для выделения твердой фазы. Осадок в виде шлама, содержащий оксид марганца и свободную серу, переводится в промывной аппарат, откуда промывная вода возвращается в аппарат для выщелачивания плава сернистого натрия; шлам же подается на регенерацию термообработкой.

В результате термической обработки шлама полученная перекись марганца возвращается обратно на обработку раствором сернистого натрия.

В результате взаимодействия щелочи с диатомитом по реакции: 2NaOH + (2,53) SiO2 ® Na2O (2,53) SiO2 + H2O образуется раствор жидкого стекла, отфильтровываемый и затем упариваемый до желаемой плотности.

По мокрому безавтоклавному способу можно получать жидкое стекло с кремнеземистым модулем 33,5.

Безавтоклавный мокрый способ производства жидкого стекла не требует постройки стекловаренных печей, газогенераторов и применения автоклавов, а также едкой щелочи (каустической соды). Он является наиболее выгодным для районов, не имеющих производства каустической соды.

Наиболее близким является способ получения жидкого стекла мокрым способом. Он основан на растворении аморфного кремнезема в растворах едких щелочей под давлением в автоклавах–реакторах. Технологическая схема по приготовлению жидкого натриевого стекла представляет собой емкости для хранения компонентов, вибромельницу, бак–смеситель, автоклав–реактор и хранилище для приготовленного жидкого стекла.

Однако предложенный способ имеет ряд недостатков: приготовление жидкого стекла требует две стадии для его приготовления, а именно последовательное прохождение смеси через вибромельницу, баксмеситель и автоклав-реактор; необходимость поддержания достаточно высоких давлений в автоклаве-реакторе. Это приводит к усложнению технологии приготовления жидкого натриевого стекла, увеличению расхода энергии, необходимости принятия дополнительных мер безопасности, которые необходимы при работе с оборудованием под давлением.

Кроме вышеперечисленный способов, существуют еще ряд других, относящихся к мокрому способу производства жидкого стекла.

Электролитический способ. При пропускании электрического тока через раствор жидкого стекла ион Na, направляющийся к катоду, отдавая свой заряд, растворяется в ртути с образованием амальгамы. Так как из катодного пространства кремнеземистые частицы не могут проникнуть через поры полупроницаемой перегородки, то содержание SiO2 в растворе повышается. Таким способом можно получать растворы четырехмодульного жидкого стекла с очень высоким содержанием кремнезема.

Сульфидный способ. Такой способ основан на приготовлении растворов жидкого стекла с меньшим содержанием SiO2, добавлением Na2S с последующей обработкой смеси водяным паром. При этом происходит реакция с выделением сероводорода:

Na2S + H2O ® 2NaOH + H2S.

Образующийся по этой реакции едкий натр реагирует с избытком пептизированного кремнезема с образованием соответствующих силикатов:

nSiO2 + 2NaOH ® Na2O · nSiO2 · H2O.

Карбидный способ получения жидкого стекла основан на взаимодействии раствора едких щелочей с карбидом кремния. Реакция, энергично протекает при 50 °С при действии концентрированных растворов NaOH или KOH на тонкоизмельченный SiC, может быть выражена следующим уравнением:

SiC + 4NaOH + 2H2O ® 4H2 + Na2CO3 + Na2O + SiO2.

 

Реакция протекает не только с выделением водорода, но и с одновременным образованием, помимо щелочного силиката, также и углекислого натра. Такой раствор смеси силиката и соды, не поддающийся разделению, может быть использован только в особых специальных случаях.

Проведенный патентный поиск выявил некоторые технологические решения, касающиеся способов производства жидкого стекла.

Авторами [3] было предложено технология получения жидкого стекла. Суспензию для получения жидкого стекла готовят из кремнеземсодержащего аморфного вещества с размером частиц преимущественно (80–200)·10-6 м в растворе гидроксида натрия. В качестве кремнеземсодержащего вещества используют отход ферросплавного производства – микрокремнезем, состоящий на 90–92 мас.% из SiO2 и на 6–8 мас.% из b–SiC. Гидротермальную обработку суспензии осуществляют при нагреве до температуры 75 °С при постоянном перемешивании со скоростью 1 об/с. Предложенное изобретение позволяет снизить температуру нагрева сырьевой смеси, сократить длительность технологического процесса получения жидкого стекла и обеспечить возможность эффективного использования многотоннажного отхода ферросплавного производства – микрокремнезема.

Нечто схожее было предложено авторами [4]. В щелочном растворе готовят суспензию отхода производства ферросилиция – микрокремнезема, представляющего собой углеродо–кремнеземистый материал с размером частиц 0,01–200 мкм, включающий 6-14% углеродистой части, представленной кристаллической составляющей в виде b–SiC и графита, а также кремнеземистую часть, представленную аморфным SiO2. Суспензию нагревают до 63–65°С при атмосферном давлении и постоянном перемешивании со скоростью 1,5–2 об/сек. Площадь перемешивающих лопастей составляет 2/3 площади поперечного сечения суспензии. Изобретение позволяет упростить процесс получения однородного по составу жидкого стекла, снизить энергозатраты.

Другое изобретение [5] относится к литейному производству, в частности к способам приготовления связующих для противопригарных покрытий. Жидкое стекло смешивают с однополярным раствором уксусной кислоты в соотношении 2:1. Добавляют воду и доводят плотность жидкого стекла до плотности 1,25–1,30 г/см3. Обеспечивается получение связующего, обладающего высокой живучестью и обеспечивающего повышенную прочность покрытия.

Так же известен способ производства жидкого стекла, включающий размол кремнесодержащего вещества, смешение с гидроксидом щелочного металла и их последующее взаимодействие в присутствии воды при температуре до 100 °С, отличающийся тем, что размол кремнесодержащего вещества выполняют совместно с твердым гидроксидом щелочного металла до получения тонкости помола не более 0,1–0,15 мм, а взаимодействие полученной сухой смеси с водой осуществляют при поддержании температуры не ниже 85°С при атмосферном давлении [6].

Авторами [7] был предложен способ получения жидкого стекла из диатомита. Изобретение относится к технологии получения жидкого стекла из диатомитов. Способ получения жидкого стекла из диатомита включает подготовку диатомита, термообработку его при 500–800 °С, обработку 5–7 % раствором щелочи в течение 1–2 часов, фильтрацию полученной суспензии для отделения твердой части от жидкой, выпаривание жидкой части. Термообработке подвергают опаловую фракцию с размером частиц 0,1–0,001 мм, выделенную гравиметрическим способом из исходного диатомита. Термообработку проводят для высококачественного диатомита при температуре 500-600 °С в течение 15–20 минут, для средне качественного – при температуре 550–750 °С в течение 25–40 минут, для низкокачественного – при температуре 700–800°С в течение 30 минут. Изобретение позволяет повысить качество и выход жидкого стекла.

Изобретение авторов [8] относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при производстве композиционных силикатных строительных материалов, пористых тепло- и звукоизоляционных материалов, клеевых твердеющих составов, адсорбентов, а также в других областях, использующих растворы силикатов натрия.

Известен способ гидротермального синтеза силикатов натрия из кремнесодержащего материала и концентрированного водного раствора NaOH при температурах 100–300 °С [9]. Недостатком данного способа являются высокие технологические параметры (температура до 300 °С и соответствующее ей давление до 8,7 МПа); высокая концентрация используемой щелочи; узкий диапазон составов получаемых материалов; необходимость предварительного обжига кремнесодержащего материала.

Известен также способ гидротерамального синтеза силикатов натрия из кварцевого песка и водного раствора гидроксида натрия при температуре 150-300 °С и давлении насыщенного водяного пара, соответствующем этим температурам [10]. Способ осуществляется в две стадии. На первой стадии полючают раствор силиката натрия с молярным отношением SiO2/Na2O < 2,9. На второй стадии к полученному раствору силиката натрия добавляют дополнительное количество кварцевого песка, обожженного при температурах выше 1100 °С и цикл гидротермальной обработки вновь повторяют при тех же параметрах, что и на первой стадии. Недостатком данного способа являются высокие технологические параметры (температура до 300 °С и соответствующее ей давление насыщенного водяного пара до 8,7 МПа); необходимость предварительного обжига кварцевого песка при температуре выше 1100 °С; усложненный из-за наличия двух стадий технологический процесс.

Суть изобретения является получение жидкого стекла методом гидротермального синтеза при предельно низких режимных параметрах реакции, обеспечивающих получение продукта с требуемыми свойствами в достаточно широком диапазоне значений модуля жидкого стекла при мнимальных энергетических затратах.

Одним из новых направлений в развитии литейного производства является разработка теоретических и технологических основ активации материалов и процессов в точном литье воздействием локальных наносекундных электромагнитных импульсов и ультразвуковых полей. Это позволило создать ряд новых технологических процессов подготовки связующих и изготовления керамических форм для специальных способов литья.

В производстве отливок из чёрных металлов и сплавов одним из перспективных формовочных материалов является жидкое стекло (ЖС). Однако, его широкое применение в технологиях литья по выплавляемым моделям сдерживается из-за недостаточной смачивающей способности, низкой термопрочности керамических форм и стержней, их повышенной химической активности и нарушения точности получаемых отливок.

Закономерности воздействия НЭМИ на ЖС изучали методами кондуктометрии, pH-метрии, рефрактометрии. В исследованиях было использовано ЖС плотностью 1300 кг/м3, частота вращения мешалки составляла 2800 об/мин. Жидкое стекло подвергали обработке НЭМИ в течение различных промежутков времени.

Показателями для сравнения служили: кинематическая вязкость (ν), удельное электросопротивление (ρ), поверхностное натяжение (σ), краевой угол смачивания (θ), показатель преломления и водородный показатель (pH) ЖС.

Влияние НЭМИ на свойства жидкого стекла представлено в таблице 1. Анализ полученных данных показывает, что обработка НЭМИ жидкого стекла снижает вязкость, удельное электросопротивление, поверхностное натяжение и показатель преломления, увеличивает смачивающую способность и водородный показатель ЖС.

Таблица 1.

Влияние НЭМИ на физико-химические свойства ЖС

Показатели

Значение показателей

до обработки НЭМИ

после обработки НЭМИ

в течение, мин.

5

10

20

40

90

1. Кинематическая вязкость ЖС, ν×106, м2

5,0

3,0

2,4

2,1

2,0

1,9

2. Удельное электросопротив-ление, ρ, Ом×м

1,898

1,125

0,919

0,796

0,756

0,750

3. Поверхностное натяжение,

σ ×103, Дж/м 2

90

86

83

80

78

77

4. Краевой угол смачивания кварцевой пластины, θк, град.

65

51

44

38

35

33

5. Краевой угол смачивания пластины из модельного состава,

θм.с, град.

90

80

72

66

60

57

6. Показатель преломления, ед.

1,396

1,386

1,378

1,370

1,364

1,360

7. Водородный показатель,

pH, ед.

11,30

11,45

11,50

11,55

11,58

11,60

 

Для выяснения характера изменения химических связей при электроимпульсном воздействии использовали метод инфракрасной спектроскопии. Установлено, что при обработке НЭМИ жидкого стекла увеличивается количество «простых» силикат–ионов (полосы поглощения при 1170 и 950 см–1) и уменьшается доля полимерных разновидностей с большими молекулярными массами (полосы поглощения при 1100 и 790 см–1). Это указывает на то, что диспергирование мицелл ЖС происходит с образованием H2SiO3 и H2Si2O5, причём при pH = 10,9…13,6 ед. преобладает димерная форма.

Полученные ИК–спектры имеют две ярко выраженных полосы поглощения: при 530 и 1630 см–1. Первая из них, возможно, связана с валентными колебаниями Na–O, а вторая – с деформационными колебаниями молекул воды. Уменьшение интенсивности полосы поглощения при 530 см-1  свидетельствует о разрыве связи Na–O при электроимпульсной обработке.

На дальнейшем этапе исследований готовили суспензии на активированном НЭМИ жидкостекольном связующем и пылевидном кварце ПК–3 с последующим формированием на выплавляемой модели из состава МВС-3А четырёх слоёв покрытия с химическим закреплением каждого в 30 % водном растворе хлорида алюминия. Соблюдалось наполнение суспензий в пропорции 2,0–2,5 кг пылевидного кварца на 1л жидкого стекла. Продолжительность перемешивания ингредиентов суспензии при частоте вращения крыльчатки лабораторной мешалки n = 2800…3000 об/мин. составляла 20–30 минут.

Электроимпульсная обработка ЖС способствует снижению вязкости суспензии, что позволяет увеличить степень её наполнения. В результате удаётся повысить в 1,5–1,7 раза прочность керамических форм, в особенности при температурах прокалки.

Электроимпульсная обработка ЖС способствует снижению вязкости суспензии, что позволяет увеличить степень её наполнения. В результате удаётся повысить в 1,5–1,7 раза прочность керамических форм, в особенности при температурах прокалки. Увеличение прочности образцов без изменения наполнения суспензии связано со снижением краевого угла смачивания и, как следствие, возрастанием адгезионной способности связующего к частицам кварца. Расчёт работы адгезии по уравнению Дюпре-Юнга показывает её повышение с 0,128 Дж/м2 до 0,143 Дж/м2.

Таблица 2

Влияние облучения ЖС на свойства керамических форм

Показатели

Способ подготовки ЖС

без НЭМИ

с НЭМИ

1. Условная вязкость суспензии по ВЗ-4 при одинаковом наполнении, с

75–80

50–55

2. Прочность форм при изгибе, МПа:
а) после вытопки моделей
б) в горячем состоянии при 900 ºС


3,3–3,7
2,1–2,5


3,7–4,0
2,7–3,0

3. Прочность форм при изгибе при вязкости суспензии

80 с*, МПа:
а) после вытопки моделей
б) в горячем состоянии при 900 ºС


3,5–3,7
2,3–2,5


5,3–5,6
3,7–4,0

 

Проведенные исследования воздействия НЭМИ на готовые связующие растворы (ГЭТС и ЖС), широко используемые в точном литье, показали принципиальную возможность управления сложными процессами их структурирования.

В зависимости от области применения согласно ГОСТ 1307881* физико-химические показатели жидкого стекла должны соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 3.

Большинство сфер применения жидкого стекла подразумевает жидкий продукт в форме водных растворов.


Таблица 3

№ п/п

Наименование показателя

Норма для жидкого стекла

Марки А*

Марки Б*

для литейного производства, замазок

для катализаторов, адсорбентов, электродов

для CMC и химических производств

для строительства и флотации

для клеев. пропиток

для бумажного производства

1

Внешний вид

Густая жидкость желтого или серого цвета без механических примесей и включений, видимых невооруженным глазом.

Допускается выпадение осадка при хранении

2

Массовая доля диоксида кремния, %

22,7-29,6

24,3-31,9

29,5- 36,0

24,8- 34,3

24,1- 35,0

24,8-36,7

24,8- 34,0

27,2- 29,3

3

Массовая доля оксида железа и оксида алюминия, %, не более,

0,25

0,25

0,25

0,25

0,20

0,90

0,30

0,25

 

в том числе оксида железа

Не регламентируется

0,05

Не регламентируется

4

Массовая доля оксида кальция, %, не более

0. 20

0, 20

0. 20

0. 12

0, 05

0, 20

0, 20

0, 20

5

Массовая доля серного ангидрида, %, не более

0, 15

0, 15

0, 15

0, 07

0. 07

0, 15

0, 15

0, 15

6

Массовая доля оксида натрия, %

9,3-12,8

8,7-12,2

10,9- 13,8

9,0 -12,9

8,7 -13,3

8,1 -13,3

8,0 -12,2

7,9 -8,8

7

Силикатный модуль

2,3-2,6

2,6-3, 0

2,6-3,0

2,7-2,9

2,6-3,0

2,7-3,3

2,7-3,4

3,4-3, 6

8

Плотность, г/см3

1,36-1,45

1,36- 1,45

1,47- 1,52

1,36-1,50

1,36-1,50

1,36-1,50

1,36- 1,45

1,35-1,40

* Жидкое стекло марок А и Б, применяют для целей, не указанных в таблице 3

 


Применение жидкого стекла.

            Такой материал незаменим в химической промышленности для производства силикагеля, силиката свинца, метасиликата натрия. В строительстве жидкое стекло применяется для защиты фундаментов от грунтовых вод, гидроизоляции стен, полов и перекрытий подвальных помещений, устройства бассейнов.

            Но это не единственное предназначение «водного раствора силиката натрия». Он удачно подходит для склеивания и связки строительных материалов, изготовления кислотоупорных, огнестойких и огнеупорных силикатных масс. Им можно склеивать бумагу, картон, стекло, фарфор, пропитывать ткани, бумаги, картона и деревянных изделий для придания им большей плотности и огнестойкости.

            Жидкое стекло успешно используется для изготовления силикатных красок, клеев, моющих и чистящих средств, в качестве защитного средства при обрезке и ранении деревьев. Жидкое стекло также применяется в мыловаренной, жировой, химической, машиностроительной, текстильной, бумажной промышленности, в том числе для производства картонной тары. В черной металлургии − как связующий материал при изготовлении форм и стержней. В литейном производстве − в качестве флотационного реагента, при обогащении полезных ископаемых и других целей [11].

            При изготовлении жаростойких бетонов применяется натриевое жидкое стекло. Отношение количества молекул кремнезема к количеству молекул окиси натрия называется модулем жидкого стекла, который для жаростойкого бетона должен находиться в пределах 2,4−3,0. Чем меньше модуль, тем больше в стекле окиси натрия и, следовательно, тем ниже огнеупорные свойства бетона.

            Плотность жидкого стекла находится в пределах 1,38−1,45 г/см3. Иногда жидкое стекло поставляется в виде силикат-глыбы, т. е. не растворенное в воде. Растворение силикат−глыбы производится в автоклавах паром под давлением 3−8 кгс/см2 в течение 3−5 ч. Для обеспечения твердения бетона на жидком стекле в сухую смесь добавляют кремнефтористый натрий в количестве 12,4−13,2 % массы жидкого стекла. При введении в состав жаростойкого бетона тонкомолотой добавки − шамотной, кремнефтористый натрий добавляется в количестве и 12 % массы жидкого стекла, а при введении магнезитовой − 5−6%. Для обеспечения твердения бетона на жидком стекле вместо кремнефтористого натрия можно применять нефелиновый шлак (отход алюминиевого производства) и саморассыпающиеся шлаки металлургических производств.

            Теплоизоляционный материал, изготавливаемый термической поризацией жидкого стекла, называется термопеносиликат.

            Структура этого материала формируется при термическом нагреве жидкого стекла и испарении влаги из него. В результате образуется твердая минеральная пена с низкой теплопроводностью.

            Для формирования оптимальной структуры материала жидкое стекло сначала гранулируют, а затем термически поризуют в замкнутом объеме формы. В результате такого процесса образуется материал с тонкой прочной корочкой на поверхности и равномерной структурой внутри изделия.

            Грануляция жидкого стекла проводится в растворе хлористого кальция следующим образом: в емкость с раствором CaCl2 определенной плотности и при определенной температуре падают капли жидкого стекла. На поверхности капли происходят реакции между жидким стеклом и хлористым кальцием, в результате чего образуется водо−нерастворимая корочка из кремнегеля и гидросиликата кальция, а внутри гранулы остается исходная жидкостекольная композиция. После некоторой выдержки в растворе гранулы приобретают достаточную прочность и их отделяют от раствора.

Схема реакции между жидким стеклом, с модулем 3, и хлористым кальцием:

Na2O∙3SiO2∙nH2O + CaCl2 → CaO∙SiO2∙mH2O + 2Si(OН)4 + 2NaCl

Водо-нерастворимый материал оболочки гранул

            Полученные гранулы высушиваются до остаточной влажности 35−38% при температуре до 90 ºС.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Жидкое стекло [Электронный ресурс] – Условия доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%BB%D0%BE/

2. Григорьев П.Н. Матвеев М.А. Растворимое стекло / П.Н. Григорьев, М.А. Матвеев. – М., 1956. – 443 с.

3. Пат. 2335456. Российская Федерация, МПК C01B33/32. Способ получения жидкого стекла; опубл. 10.10.2008. – 3 с.

4. Пат. 2430018. Российская Федерация, МПК C01B33/32. Способ получения жидкого стекла; опубл. 27.09.2011. – 2 с.

5. Пат. 2283276. Российская Федерация, МПК C01B33/32. Способ получения жидкого стекла из силиката натрия; опубл. 10.09.2006. – 3 с.

6. ­ Пат. 2004136498. Российская Федерация, МПК C01B33/32. Способ производства жидкого стекла из силиката натрия; опубл. 10.06.2006. – 3 с.

7. Пат. 2324651. Российская Федерация, МПК C01B33/32. Способ получения жидкого стекла из диатомита; опубл. 20.05.2008. – 3 с.

8. Пат. 2132817. Российская Федерация, МПК C01B33/32. Способ получения жидкого стекла гидротермальным методом; опубл. 17.02.1998. – 6 с.

9. Заявка DE 3938729, 1991.

10. Заявка EP 0380997, 1990.08.08.

11.  Состав и область применения жидкого стекла [Электронный ресурс] – Условия доступа: http://nasio.ru/5/

 

 

 

 

 

 

 

Просмотрено: 0%
Просмотрено: 0%
Скачать материал
Скачать материал "Способы получения жидкого стекла"

Методические разработки к Вашему уроку:

Получите новую специальность за 2 месяца

Карьерный консультант

Получите профессию

Технолог-калькулятор общественного питания

за 6 месяцев

Пройти курс

Рабочие листы
к вашим урокам

Скачать

Скачать материал

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

6 626 567 материалов в базе

Скачать материал

Другие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

  • Скачать материал
    • 10.01.2019 6996
    • DOCX 147 кбайт
    • 11 скачиваний
    • Оцените материал:
  • Настоящий материал опубликован пользователем Максим Леонидович. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

    Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

    Удалить материал
  • Автор материала

     Максим Леонидович
    Максим Леонидович
    • На сайте: 5 лет и 5 месяцев
    • Подписчики: 0
    • Всего просмотров: 47139
    • Всего материалов: 17

Ваша скидка на курсы

40%
Скидка для нового слушателя. Войдите на сайт, чтобы применить скидку к любому курсу
Курсы со скидкой

Курс профессиональной переподготовки

Экскурсовод

Экскурсовод (гид)

500/1000 ч.

Подать заявку О курсе

Курс повышения квалификации

Актуальные вопросы преподавания химии в школе в условиях реализации ФГОС

72 ч.

2200 руб. 1100 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 56 человек из 38 регионов

Курс повышения квалификации

Химия окружающей среды

72/108 ч.

от 2200 руб. от 1100 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 54 человека из 32 регионов

Курс профессиональной переподготовки

Химия: теория и методика преподавания в профессиональном образовании

Преподаватель химии

600 ч.

9500 руб. 4750 руб.
Подать заявку О курсе

Мини-курс

Психологические основы профессиональной деятельности педагога-психолога

4 ч.

780 руб. 390 руб.
Подать заявку О курсе

Мини-курс

Эффективное управление проектами

6 ч.

780 руб. 390 руб.
Подать заявку О курсе

Мини-курс

Эффективные стратегии успешного взаимодействия: от понимания до саморазвития

4 ч.

780 руб. 390 руб.
Подать заявку О курсе
Сейчас в эфире

Как школьному учителю зарабатывать онлайн?

Перейти к трансляции