專利名稱：由生物二氧化硅生產可溶性硅酸鹽的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由實質上為無定形狀態(tài)的生物二氧化硅生產可溶性硅酸鹽。
可溶性硅酸鹽是組合物，其中氧化鈉和二氧化硅按不同比例相結合，通常含有水。不同的結合比例使其具有不同的性能和用途。二氧化硅與氧化鈉的比例(以摩爾比表示)為3.85-0.5?？蓪⑵渲瞥晒腆w或水溶液-液體(通常將液體濃縮以便工業(yè)應用中進行處理)。1977年，美國的硅酸鈉產量為水玻璃(最普通級，二氧化硅與氧化鈉比例為3.2)約760000噸;其它級(高堿，低硅鈉比)為210000噸。硅酸鈉的主要用途為作粘結劑和接合劑、涂料、凝膠和催化劑、硅溶膠和水處理劑、洗滌劑和肥皂、鑄模和鑄芯、鉆探泥漿、土壤穩(wěn)定劑、廢物的化學凝固劑/固化劑。
硅酸鈉的常規(guī)制法是將高純蘇打粉和硅砂在溫度為1300℃-1500℃的爐中熔融而制成一種固態(tài)玻璃。用蒸氣和熱水溶解該玻璃可制成液體。這兩種方法耗能多，因此，任何耗能少的方法均具有優(yōu)越性，并具有潛在的競爭能力。
在由生物二氧化硅(如稻殼灰，其中殼纖維已被燒掉)制備可溶性硅酸鹽時，得到的可溶性硅酸鹽呈琥珀色，這種顏色很難去除。事實證明，試圖用下列材料和方法去除這種琥珀色是不適當的如，活性碳(滲濾及過濾);活性無定形二氧化硅、沸石(滲濾及過濾);離子交換樹脂;乙二胺四乙酸二鈉(EDTA);黑色稻殼灰(原始的及殘渣);部分水解的聚丙烯酸(PHPAA);過氧化鈉;氯氣;二氧化硅泡沫;硅酸鹽泡沫;及葡萄酸鈉。
由于工業(yè)級可溶性硅酸鹽，如硅酸鈉呈水白色，所以在大多數工業(yè)應用中，琥珀色是不能令人滿意的。
市場上能買到的稻殼灰是將稻殼(作為一種能源)在爐子中燃燒而制得的。在該工藝中，將未加工的稻殼連續(xù)加到爐子頂部，而從爐子底部連續(xù)取出稻殼灰。爐子溫度為800-1400℃左右，在爐子中灰化時間約為3分鐘。一旦取出爐灰，應使其快速冷卻以便于處理。當用該方法處理時，二氧化硅保持較純的無定形狀態(tài)，而不象鱗石英或白硅石那樣呈結晶態(tài)。在很高溫度(如2000℃)下或保持較長時間，通常會使二氧化硅由無定形態(tài)轉化成結晶態(tài)。呈無定形態(tài)的二氧化硅，其重要性在于二氧化硅粉保持多孔骨架結構而不至于形成結晶體，而且無定形二氧化硅不會引起矽肺病，從而可減少防護措施。稻殼的燃燒與時間-溫度有關，也可以在其它條件下燃燒稻殼，只要大部分稻殼灰為具有多孔骨架結構的無定形態(tài)。
作能源的稻殼燃燒后得到的灰，其化學分析結果如下(以重量計)表1硅-92%鎂-2.0%水分-3.0%碳-2.5%其余的0.5%包括少量的鎂、鋇、鉀、鐵、鋁、鈣、銅、鎳和鈉。顯然，正是這些金屬鹽及有機物使硅酸鈉呈琥珀色，而且一旦生成可溶性硅酸鹽，這琥珀色就很難除去。
整個物料的碳組分呈分散狀態(tài)。這取決于生物二氧化硅燃燒的時間和溫度，及所用的特定爐子，碳的含量變化很大，例如，可高達12%或更高。
本發(fā)明包括將生物二氧化硅溶解在堿性水溶液(如氫氧化鉀和氫氧化鈉)中而生產可溶性硅酸鹽(如硅酸鈉)的方法。通過稻殼灰的受控燃燒，可得到一種含有殘余碳組分的“黑灰”。這提供了生成一種水白色堿性硅酸鹽的方法和物料，出乎意料的是當在一定溫度和壓力下將物料浸入氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液時，不會由于灰中固有的有機物和微量的無機物而導致變色。對大多數黑灰來說，合適的溫度為室溫至275°F。高溫和高壓會引起變色，例如這是由于碳殘渣的熔化的緣故。目前防止顏色生成的機制還不清楚，但很可能是由于灰中的含碳殘渣與活性碳相似，在灰溶解過程中，在含碳殘渣溶入堿溶液之前，它能吸收或與呈色劑發(fā)生從?。奇怪的蕢q背淑晟墓杷崮迫芤和ü昂諢搖貝不蛑猩嘶蜆聳?，并不钠Hパ丈?。从溶解赫煒I(yè)募釗芤褐蟹擲胗衛(wèi)氳暮諫性膊荒艸ョ晟芤旱難丈?。这昼娍橔武Z躉璧玫降溺晟芤?，其含碳捂y實暮可儆 %。
因此，本發(fā)明目的是提供一種可溶性硅酸鹽的生產方法，該方法將生物二氧化硅溶解在強堿溶液中以生成可溶性硅酸鹽，在有足量活性含碳物質的情況下，可防止在溶解過程中由于生物二氧化硅中的無機或有機物而使可溶性硅酸鹽變色，從而提供一種水白色的可溶性硅酸鹽。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種比現行生產可溶性硅酸鹽的工藝耗能更少的生產水白色可溶性硅酸鹽的方法。
本發(fā)明的第三個目的是提供一種由稻殼灰生產可溶性硅酸鹽的方法，該稻殼灰含有分散的活性含碳物質，其量足以防止稻殼灰在溶解過程中使可溶性硅酸鹽變色。
本發(fā)明的第四個目的是提供一種水白色可溶性硅酸鹽，其制法為將生物二氧化硅(如稻殼灰)溶解在強堿溶液中以有效地溶解生物二氧化硅并生成水溶性硅酸鹽，在有含碳物質的情況下，可有效地防止由于稻殼灰中的附加物質(如有機物、金屬鹽及類似物)而使可溶性硅酸鹽變色。
本發(fā)明的第五個目的是提供有用殘渣的生成方法，即該殘渣是活性含碳物質和由生物二氧化硅中的硅酸錳和氧化錳轉變成的富集錳，這兩種產物均具有工業(yè)應用價值。
本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點從說明書和權利要求書中可清楚看出，這是本發(fā)明的實質。
本發(fā)明目的是生產工業(yè)級可溶性硅酸鹽，它呈水白色，將生物二氧化硅溶解在強堿溶液中可生成這種可溶性硅酸鹽，在有一種防變色劑(如分散的碳化合物)的情況下，可有效地防止由于生物二氧化硅中的金屬鹽、有機物及類似物使可溶性硅酸鹽變色。
通過受控燃燒含二氧化硅的生物物質，如稻殼、稻桿、馬尾草(esquitum)、蔗渣、竹子枝葉、特別是棕櫚樹(葉)、花粉及類似物可得到生物二氧化硅。生物物質的燃燒是在受控條件下進行的，以使基本上所有的二氧化硅呈無定形態(tài)而不是呈結晶態(tài)，雖然如上所述可能存在少量結晶二氧化硅。經燃燒的生物物質，其含碳殘渣最好約為2%-8%。在大多數工業(yè)燃燒處理中，根據燃燒時間和溫度，會有約0.5%-8%或更多的含碳物質(以重量計)分散在稻殼灰中。必須有足量的碳才能防止變色。稻殼也可與其它生物物質如木屑、玉米棒子(穗軸)及其它可增加碳殘渣的類似物一起燃燒。過量的碳對反應無害。
最好在高于室溫的溫度下或在高于大氣壓的壓力下或二者相結合的條件下使生物二氧化硅(如稻殼灰)溶解在強堿溶液中以生成可溶性硅酸鹽(如硅酸鈉或硅酸鉀)的溶液。在高溫和高壓下可減少反應時間。重要的是本發(fā)明不必如現有技術那樣采用高溫和高壓將優(yōu)質石英溶解在強堿溶液中。該強堿溶液的PH約為12或更大。堿可為純氫氧化鈉或氧化鈣與碳酸鈉的反應產物或以氫氧化鈉作副產物的液體及類似物。
關于將稻殼灰溶解在氫氧化鈉溶液中而生成可溶性硅酸鈉溶液已進行了一系列實驗。毫無疑問，稻殼灰可大量溶入氫氧化鈉中并轉變?yōu)楣杷徕c。這些實驗的產物未作二氧化硅的分析，但對它們進行總堿量或總固體量的滴定，由此計算二氧化硅的量。此外，用稀酸測試溶液的膠化性能。所有具有強膠化現象的溶液則表明溶液中含有大量溶解的和/或膠化的二氧化硅/硅酸鹽。在低溫和大氣壓下，稻殼灰的溶解十分快速。在沒有防變色劑的情況下，可溶性硅酸鹽帶有琥珀色，在許多工業(yè)應用中都不希望出現這種顏色。出現這種顏色主要是由于稻殼灰中含有未完全燒盡的稻殼或其它有機物和/或少量金屬如，鐵、鎂、銅或鉻。在有防變色劑(如活性碳)的情況下溶解稻殼灰可防止溶液變色。值得注意的是作工業(yè)能源的稻殼燃燒后剩余的碳殘渣(占灰重量的2.5-8%)可防止變色。
在某些爐子中，如采用流化床的那些爐子，外界的雜質會混入灰中，應從灰中篩除。
將實質上為無定形狀態(tài)的稻殼灰溶解在氫氧化鈉中而生成硅酸鈉溶液(含有約2.5-8%(重量)的碳)的實施例如下所述。
各實施例的溫度分別為室溫、100°F、212°F、275°F，除275°F的實施例外，其它實例的二氧化硅/氧化鈉的比例為1/2、1/1和2/1。多數實例的水溶液體系中的固體濃度為25-30%。將溶液陳化1-7天，然后觀測轉化結果。
實施例1黑灰室溫下的實驗結果在室溫下陳化7天后，由SiO2/Na2O為3的溶液得到15%SiO2/Na2O為1/2的溶液。
實施例2在100°F、SiO2/Na2O為2/1、1/1和1/2，固體總量為25%的實驗結果1天-由SiO2/Na2O為2/1的溶液得到8%比例為1/1.5的溶液，剩余溶液堿性增強。
2天-由SiO2/Na2O為2/1的溶液得到11%比例為1/1.5的溶液，剩余溶液堿性增強。
3天-由SiO2/Na2O為2/1的溶液得到12.5%比例為1/1.25的溶液，剩余溶液堿性增強。
7天-由SiO2/Na2O為2/1的溶液得到14%比例為1/1.15的溶液，剩余溶液堿性增強。
實施例3在212°F、添加料的SiO2/Na2O為2/1、1/1、1/2，固溶體總量為32%的實驗結果
1小時-由SiO2/Na2O為2/1的溶液得到12%比例為1/1.1的溶液，剩余溶液堿性增強。
24小時-由SiO2/Na2O為2/1的溶液得到23%比例為1.5/1的溶液，剩余溶液堿性增強。
48小時-由SiO2/Na2O為2/1的溶液得到25%比例為1.8/1的溶液，剩余溶液堿性增強。
72小時-由SiO2/Na2O為2/1的溶液得到26.5%比例為2.05/1的溶液，剩余溶液堿性增強。
在212°F，使高于70%的固體反應24小時，使83%的固體反應72小時，生成的溶液為水白色。SiO2比低于2/1的溶液堿性更強。即使在室溫下也能方便地制得低SiO2比例(1/1-1/2)的溶液。
從212°F實驗中回收的未反應灰很黑，基本上與約25%的較粗而易碎的顆粒完全分離。顯微鏡檢測表明乳色硅酸鹽碎片中夾帶銀色金屬顆粒。回收灰分的X射線熒光分析表明出乎意料的存在濃度較高的金屬錳。顯然碳作為一種還原劑，使錳的氧化物或硅酸鹽轉變成元素錳。
在高溫和高壓下會發(fā)生變色。通過簡單實驗，確定最佳的溫度和壓力以便經濟有效地生產水白色可溶性硅酸鹽。
在上述實施例中，除氫氧化鈉以外，也可用其它物料如，碳酸鈉與氧化鈣的反應產物，氫氧化鈉副產物的水溶液和低級蘇打灰/石灰來生產水白色可溶性硅酸鹽。
在上述實施例中，用其它生物二氧化硅顆粒代替稻殼二氧化硅可得到基本上相同的結果。
若需要的話，用已知方法(包括機械攪拌如美國專利3856539所述)通過加氣使可溶性硅酸鹽溶液起泡以形成泡沫。
如上所述，用簡單、低廉的設備和輸入低的能量，由各種生物二氧化硅可生產工業(yè)級水白色硅酸鈉，通過簡單地改變生物二氧化硅與強堿溶液的比例可生產SiO2/Na2O(摩爾比)為1.0-2.0的產物，也可得到更高比例的產物。通過加水直至溶液變稠以控制固體濃度。
此外，含碳殘渣主要是活性碳，在許多工業(yè)應用中它是有價值的。例如，在用稻殼灰時，約8%的稻殼灰生成了活性碳。在燃燒稻桿時，大約12%的稻桿生成了活性碳。
此?，瓤c纖觶諍疾性械母患拿炭捎悶脹ǚ椒ㄌ崛?，它是十风娦用的?如上所述，本發(fā)明優(yōu)點是在含碳生物二氧化硅溶入強堿溶液中時，通過防止硅酸鈉變色而控制產物的顏色。
為了公開起見，給出了本發(fā)明最佳的實施例，但在權利要求所規(guī)定的保護范圍內，進行各種變更不會偏離本發(fā)明的實質。
權利要求
1.一種生產可溶性硅酸鹽的方法包括，在有防變色劑的情況下，將生物二氧化硅溶解在強堿溶液中以生成可溶性硅酸鹽，防變色劑的分散量足以防止生物二氧化硅在溶解和反應過程中由于其中的多價金屬或有機組分而使可溶性硅酸鹽變色，從而制得一種水白色可溶性硅酸鹽及一種可分離的殘渣，變色和反應均在低于發(fā)生變色的溫度和壓力下完成。
2.按權利要求1的方法，其特征為防變色劑為一種分散在生物二氧化硅中的活性含碳物質。
3.按權利要求2的方法，其特征為在室溫和大氣壓下溶解生物二氧化硅。
4.按權利要求2的方法，其特征為在高于室溫的溫度下溶解生物二氧化硅。
5.按權利要求2的方法，其特征為在高于大氣壓的壓力下溶解生物二氧化硅。
6.按權利要求2的方法，其特征為在高于室溫的溫度下和高于大氣壓的壓力下溶解生物二氧化硅。
7.按權利要求2的方法，其特征為存在的碳量至少為1%(重量)。
8.按權利要求2的方法，其特征為可溶性硅酸鹽是干的。
9.按權利要求2的方法，其特征為使可溶性硅酸鹽發(fā)泡以形成泡沫。
10.一種生產可溶性硅酸鹽的方法包括，在有防變色劑的情況下，將稻殼灰溶解在強堿溶液中以生成可溶性硅酸鹽，防變色劑的分散量足以防止稻殼灰在溶解和反應過程中由于其中的多價金屬或有機物而使可溶性硅酸鹽變色，從而制得水白色可溶性硅酸鹽，變色和反應均在低于發(fā)生變色的溫度和壓力下完成。
11.按權利要求10的方法，其特征為防變色劑為一種活性含碳物質。
12.按權利要求11的方法，其特征為在室溫和大氣壓下溶解稻殼灰。
13.按權利要求11的方法，其特征為在高于室溫的溫度下溶解稻殼灰。
14.按權利要求11的方法，其特征為在高于大氣壓的壓力下溶解稻殼灰。
15.按權利要求11的方法，其特征為在高于室溫的溫度下和高于大氣壓的壓力下溶解稻殼灰。
16.按權利要求11的方法，其特征為活性含碳組分至少約為1%(重量)。
17.按權利要求11的方法，其特征為可溶性硅酸鹽歉傻摹
18.按權利要求11的方法，其特征為使可溶性硅酸鹽發(fā)泡以形成泡沫。
19.一種由生物二氧化硅生成的呈水白色的可溶性硅酸鹽，它含有防變色劑，在生物二氧化硅溶解于堿溶液中并與其反應時，可有效地防止顏色的生成。
20.按權利要求19的可溶性硅酸鹽，其特征為防變色劑為一種活性含碳物質。
21.按權利要求20的可溶性硅酸鹽，其特征為可溶性硅酸鹽是干的。
22.按權利要求20的可溶性硅酸鹽，其特征為使可溶性硅酸鹽發(fā)泡。
23.一種由稻殼灰生成的呈水白色的可溶性硅酸鹽，在有防變色劑的情況下，在稻殼灰溶解在堿溶液中并與其反應時，可有效地防止顏色的生成。
24.按權利要求23的可溶性硅酸鹽，其特征為可溶性硅酸鹽是干的。
25.按權利要求20的可溶性硅酸鹽，其特征為使可溶性硅酸鹽發(fā)泡。
26.由權利要求1的方法得到的殘渣。
27.由權利要求2的方法得到的殘渣，它含有一種活性含碳殘渣。
28.由權利要求1的方法得到的殘渣，包含生物二氧化硅中固有的礦物質。
29.由權利要求1的方法得到的殘渣，包含生物二氧化硅中固有的富集錳。
全文摘要
本發(fā)明是有關一種工業(yè)級可溶性硅酸鹽，呈水白色，它是在有防變色劑(如一種活性含碳物質)的情況下，將生物二氧化硅(最好為稻殼灰)溶解在強堿溶液(最好為氫氧化鈉)中而制成的，當生物二氧化硅溶解在堿性溶液中并與其反應時，該防變色劑可防止由于生物二氧化硅中的多價金屬、有機物及類似物而使可溶性硅酸鹽變色。本發(fā)明利用生物二氧化硅中的活性含碳物質的殘渣，如作工業(yè)能源的稻殼燃燒后留下的殘渣，有效地防止變色。由該方法得到的一種固體殘渣為一種活性含碳物質，它包含來自生物二氧化硅的富集錳，二者均為有用的工業(yè)產品。
文檔編號C01B33/32GK1032429SQ8810638
公開日1989年4月19日 申請日期1988年7月28日 優(yōu)先權日1987年7月28日
發(fā)明者基斯·羅伊·康納, 羅伊·西倫特·羅伯 申請人:埃維羅加德股份有限公司