專利名稱：改進的制備低濃度聚硅鋁酸鹽微凝膠的方法
相關(guān)美國申請本申請是1994年11月28提出的美國申請08/345890的部分繼續(xù)申請，后者又是1993年12月16日提出、已放棄的美國申請08/166679的部分繼續(xù)申請，后一申請又是US5312595的部分繼續(xù)申請，后者是US5279807的分案申請。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種經(jīng)過改進的用于制備低濃度聚硅鋁酸鹽微凝膠，即具有通常低于約1.0％重量的活性二氧化硅濃度的水溶液的方法，該水溶液是通過將堿金屬硅酸鹽或聚硅酸鹽，如聚硅酸鈉(其最通用的形式是1份Na2O對3份SiO2重量)部分膠凝而形成的。稱為“活性”二氧化硅(相對于市售氧化硅膠體)的微凝膠包括表面積至少為約1000平方米/克、直徑為1-2納米的相互連接而成的氧化硅顆粒的溶液。這些顆粒在制備過程中，即在部分膠凝過程中相互連接在一起，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和鏈的團料。而后通過將向該結(jié)構(gòu)中導(dǎo)入氧化鋁而將該聚硅酸鹽微凝膠進一步改性。可以將這種通過氧化鋁改性的聚硅酸鹽分類為聚硅鋁酸鹽微凝膠并且可以通過對聚硅酸鹽微凝膠的基本改性方法而很容易地制得。本發(fā)明的一個關(guān)鍵方面是能夠在微凝膠備用之前的合理的時間內(nèi)，即不超過約15分鐘的時間內(nèi)制得微凝膠，而不會出現(xiàn)固化的危險，也使不希望的氧化硅沉積物在處理設(shè)備中的形成達到最低。在這方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)向聚硅酸鹽微凝膠中導(dǎo)入氧化鋁是有利的，它可以增加微凝膠的形成速度。根據(jù)本發(fā)明制得的聚硅酸鹽微凝膠特別適用于與可溶于水的陽離子聚合物一起作為造紙業(yè)中的濾水和助留劑。在低于5的pH值下，這些產(chǎn)物更為合適的是稱為聚硅酸微凝膠。當(dāng)pH值升高時，這些產(chǎn)物可以含有聚硅酸和聚硅酸鹽微凝膠的混合物，兩者的比率與pH有關(guān)。為簡便起見，下文中將這些產(chǎn)物稱為聚硅酸鹽微凝膠。
發(fā)明概述本發(fā)明是一種經(jīng)過改進的用于連續(xù)制備低濃度聚硅酸鹽微凝膠的方法和裝置，它包括(a)同時將含有可溶于水的硅酸鹽溶液的第一料流和含有pK低于6的強酸的第二料流導(dǎo)入混合區(qū)中，在該混合區(qū)中，這些料流以不低于30度的角度和足以產(chǎn)生至少約4000雷諾數(shù)的速度匯集并且所形成的硅酸鹽/酸混合物具有約1.0-6.0重量％的氧化硅濃度和2-10.5的pH值；(b)將該硅酸鹽/酸混合物老化一段時間，該時間應(yīng)足以達到所需的部分膠凝水平(即形成微凝膠)；通常至少為10秒鐘但不超過約15分鐘；以及(c)將經(jīng)過老化的混合物稀釋到氧化硅濃度不超過約2.0重量％，從而使凝膠穩(wěn)定化。為了制得聚硅鋁酸鹽微凝膠，可以首先向該酸料流中加入可溶于水的鋁鹽，而后再將其與硅酸鹽料流混合。
為了獲得最佳結(jié)果，當(dāng)將兩種料流導(dǎo)入到混合區(qū)中時，可溶于水的硅酸鹽起始溶液的氧化硅濃度為2-10重量％，并且強酸(如硫酸)的濃度為1-20％重量。在混合區(qū)中優(yōu)選的條件是雷諾數(shù)大于6000，氧化硅濃度為1.5-3.5％重量，pH為7-10。最優(yōu)選的條件是雷諾數(shù)大于6000，氧化硅濃度為2％重量，pH為9。用氧化鋁改性的微凝膠的制備過程最好通過將可溶的鋁鹽以約0.1％重量至最高達該鋁鹽溶解度界限的量加入到酸料流中的方式進行。最有用的聚硅鋁酸鹽微凝膠是用Al2O3/SiO2摩爾比為1∶1500～1∶25，優(yōu)選地為1∶1250～1∶50制得的那些微凝膠。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備包括(a)用于容納可溶于水的硅酸鹽溶液的第一貯存器；(b)用于容納pKa低于6的強酸的第二貯存器；(c)具有與所說的第一貯存器相通的第一進口、以與所說的第一進口至少成30度角設(shè)置并且與所說的第二貯存器相通的第二進口和一個出口的混合裝置；(d)位于所說的第一貯存器和所說的混合裝置之間的第一泵送裝置，用于將所說的硅酸鹽溶液料流由所說的第一貯存器抽送到所說的所說的進口中，以及第一控制裝置，用于控制氧化硅在所說的硅酸鹽溶液中的濃度同時抽送所說的溶液，從而使得氧化硅在從混合裝置中排出的溶液中的濃度為1～6重量％；(e)位于所說的第二貯存器和所說的混合裝置之間的第二泵送裝置，用于將酸料流從所說的第二貯存器抽送到所說的第二進口中，其速度相對于所說的第一泵送裝置的速度要足以在料流交匯區(qū)中在所說的混合裝置中產(chǎn)生至少4000雷諾數(shù)，從而使所說的硅酸鹽和所說的酸徹底混合；(f)位于所說的出口中并且對所說的酸流入所說的混合裝置中的流速產(chǎn)生反應(yīng)的混合物控制裝置，用于將硅酸鹽/酸混合物的pH控制在2-10.5；(g)接受罐；(h)與所說的混合裝置和所說的接受罐相通的細長傳送回路，用于將所說的混合物在它們之間傳送；(i)稀釋裝置，用于將接受罐中的硅酸鹽/酸混合物稀釋至氧化硅濃度不超出1.0重量％；(j)用于容納可溶于水的鋁鹽的第四貯存器；(k)用于將鋁鹽引入酸料流中的第四泵送裝置；以及(l)對鋁鹽流動有反應(yīng)并且與硅酸鹽控制閥并行相連的控制閥，該控制閥位于第四泵送裝置和鋁鹽向該酸料流中導(dǎo)入點之間。
在另一種方案中，本發(fā)明的設(shè)備包括NaOH貯存器和用于定期以加熱到40～60℃溫度的熱NaOH沖洗該制造系統(tǒng)的裝置，從而可以溶解氧化硅沉積物并將其除去。
在本發(fā)明再一種實施方案中，可以將一種攪拌氣流如空氣流或氮氣流或其它惰性氣體流通過位于混合結(jié)合處或其附近的另一進口而導(dǎo)入到所說的混合裝置中。氣體攪拌提供了重要的工業(yè)優(yōu)點，它可以采用較低的硅酸鹽流速同時在混合區(qū)中保持所需的湍流和雷諾數(shù)。
在本發(fā)明再一種的實施方案中，酸、鋁鹽和可溶于水的硅酸鹽溶液的混合可以在管狀混合裝置中完成。該裝置可以是伸入較大的管中并且排入該較大管中的內(nèi)管。該內(nèi)管排放點通常但不一定同心地位于外管內(nèi)部。要混合的兩種流體中一種供入內(nèi)管。第二種流體供入外管并且圍繞著內(nèi)管的外部流動。兩種流體的混合發(fā)生在第一種流體離開內(nèi)管并且與在較大的外管中的第二種流體結(jié)合的地方。通常，該酸和鋁鹽溶液在供入其中一根管子中之前預(yù)先混合。
為了混合兩種液體，可以將可溶于水的硅酸鹽溶液和酸供入外管或內(nèi)管，其速度使得在兩種料流結(jié)合時在混合區(qū)中產(chǎn)生大于4000的雷諾數(shù)。任選地也可以使用攪拌氣流，以幫助混合這兩種料流。
作為本發(fā)明又一種的實施方案，酸與可溶于水的硅酸鹽溶液的混合可以在配有機械裝置以產(chǎn)生必需的湍流的容器中完成，從而使得兩種料流的混合可以高于4000的雷諾數(shù)下完成。任選地，該容器可以配有擋板。酸和可溶于水的硅酸鹽溶液可以但不一定非要同時送入容器中。
為了產(chǎn)生聚硅鋁酸鹽微凝膠，將鋁鹽，如硫酸鋁的濃溶液由另一個貯存器泵送并且在稀釋的酸和硅酸鹽料流混合并到達的位置之前將它混合到稀釋的酸料流中。通過將鋁鹽加入到該酸料流中，微凝膠的形成速度可以提高并且形成在整個微凝膠結(jié)構(gòu)中導(dǎo)入鋁部分的聚硅鋁酸鹽微凝膠本發(fā)明的方法和設(shè)備可以在較短的不超過約15-16分鐘的時間內(nèi)，但通常為30-90秒鐘內(nèi)制備穩(wěn)定的聚硅酸鹽和聚硅鋁酸鹽微凝膠，它導(dǎo)致較少的氧化硅沉積，而不會有固化的危險并且在工藝設(shè)備中使形成的不希望的氧化硅沉積物達到最少。操作溫度通常為0～50℃。
在制造設(shè)備中的氧化硅沉積是不希望的，這是因為它會覆蓋該設(shè)備的全部內(nèi)表面并且對重要的活動部件和裝置的功能不利。舉例來說，氧化硅沉積物可以堆積在閥不再起作用的地方并且限制料流流過管子。氧化硅沉積在pH敏感電極上也是不合適的，這是因為它不利于監(jiān)測該工藝的pH值，pH值是氧化硅微凝膠制備過程中的關(guān)鍵的質(zhì)量控制參數(shù)。
附圖簡述

圖1是該工藝的示意圖，它包括NaOH貯存器和用于定期沖洗該制造系統(tǒng)的裝置。
圖2是雙線聚硅酸鹽微凝膠制造系統(tǒng)的示意圖，它提供了不間斷的微凝膠生產(chǎn)過程。
圖3是本發(fā)明用于制備聚硅鋁酸鹽微凝膠的方法的示意圖，它包括鋁鹽貯存器和用于將所說的鹽導(dǎo)入稀酸料流中的裝置。
發(fā)明詳述活性氧化硅是由非常細小的直徑為1-2納米的顆粒組成的特殊形式的氧化硅微粒，這些顆粒在鏈或網(wǎng)絡(luò)中相互連接在一起，形成三維結(jié)構(gòu)，即人們已知的“微凝膠”?；钚匝趸栉⒘?，即微凝膠的表面積至少約為100平方米/克。用于制備聚硅酸鹽微凝膠的常規(guī)方法公開在US4954220中，該文獻的內(nèi)容作為參考而引入本文。其中所說的方法中，用一種無機酸或有機酸，如pKa低于6的強酸酸化堿金屬硅酸鹽的稀水溶液是本發(fā)明特別適用的一種方法。本發(fā)明在所需消耗的現(xiàn)場、在工藝設(shè)備中不會形成不希望的氧化硅沉積條件下以及在非常合理的老化時間，通常低于15秒鐘，優(yōu)選地為10-90秒鐘內(nèi)提供了可靠且連續(xù)的低濃度聚硅酸鹽和聚硅鋁酸鹽制備方法。
本發(fā)明的方法可以通過將可溶于水的硅酸鹽溶液的料流和pKa低于6的強酸料流與鋁鹽一起同時導(dǎo)入到混合區(qū)或混合接合處，從而使這些料流相互之間以通常不低于30度的角度相交，其速度足以在兩個料流相交的區(qū)域產(chǎn)生至少4000，優(yōu)選地為約6000或更高的雷諾數(shù)。雷諾數(shù)是工程上用來描述管內(nèi)液體流動條件的無量綱數(shù)字。數(shù)字低于2000表示是層狀流動(混合較差的狀態(tài))，數(shù)字為4000或更高表示湍流(良好的混合狀態(tài))。原則上，雷諾數(shù)越大，混合越好。用于管內(nèi)流動的雷諾數(shù)(Re)是由下列等式確定的Re=Q×dD×u]]>式中Q＝流速，立方英尺/秒d＝比重，磅/立方英尺D＝管直徑，英尺u＝粘度，磅/英尺·秒用于螺旋槳攪拌容器的雷諾數(shù)由下列等式確定Re＝(D2×N×p)/u式中D＝螺旋槳直徑，厘米N＝旋轉(zhuǎn)速度，轉(zhuǎn)/秒p＝流體密度，克/立方厘米u＝粘度，克/秒·厘米對交匯的硅酸鹽溶液和酸/鋁鹽料流的濃度進行控制，從而使得所制得的硅酸鹽/酸混合物具有1-6％重量的氧化硅濃度和2-10.5的pH值。更優(yōu)選地，氧化硅的濃度為1.5-3.5％重量，pH為7-10。最優(yōu)選的操作條件是雷諾數(shù)大于6000，氧化硅濃度為2重量％，pH為9。
老化通常是通過將該硅酸鹽/酸混合物經(jīng)過細長的傳送回路直到成品接受罐而進行10秒鐘，最長到90秒鐘，在該成品接受罐中，該混合物立即稀釋，而后保持活性氧化硅濃度不超過2.0重量％，優(yōu)選地為不超過1.0重量％。在老化過程中達到部分膠凝，產(chǎn)生高表面積活性氧化硅顆粒的三維集料網(wǎng)絡(luò)和鏈。將硅酸鹽/酸混合物稀釋到低濃度使得凝膠化過程終止并且使微凝膠穩(wěn)定，以用于隨后的消耗。
下面將對照附圖對本發(fā)明的方法和用于進行該方法的設(shè)備進行詳細描述。在附圖中，圖1是最簡單的制備聚硅酸鹽微凝膠的工藝的示意圖。其中所說的尺寸、容積和速度可以主要根據(jù)所需的聚硅酸鹽微凝膠的數(shù)量和所需的消耗速度而在較寬的范圍內(nèi)進行變化。針對附圖所說的尺寸和容積涉及用于制備，即通常連續(xù)地產(chǎn)生在造紙工業(yè)中作為濾水和助流劑而消耗的聚硅酸鹽微凝膠，在造紙工業(yè)中，消耗速度為約10-4000磅微凝膠/小時。
如圖1中所示，稀釋水貯存器10、酸貯存器12和硅酸鹽貯存器14。貯存器，即罐較為方便是由聚乙烯制成，水貯存器具有500加侖的容積，酸貯存器具有100加侖的容積，硅酸鹽貯存器具有300加侖的容積。示于圖1中的其它容器是NaOH清洗罐16和成品接受罐18。NaOH清洗罐是由不腐蝕的材料，如316不銹鋼制成，其容積為20加侖并且用纏繞在其上的電阻鼓式加熱器(Cole-Palmer，2000瓦，115伏)加熱。成品接受罐的容積為1000加侖并且由聚乙烯制成。
該工藝的一個關(guān)鍵部件是混合連接部20，它確定了一個混合區(qū)，其中酸料流和可溶于水的硅酸鹽料流由各自的路徑導(dǎo)入，它們在混合區(qū)中以通常不小于30度的角度相交?；旌稀癟”或“Y”連接部適用于實施本發(fā)明并且可以較容易地由適當(dāng)大小的316不銹鋼“Swagelok”加壓連接器構(gòu)成，其上配有不銹鋼管。通常優(yōu)選的是“T”連接部。
對兩個料流進入，即被抽送到混合區(qū)中的速度進行選擇，以產(chǎn)生至少4000，優(yōu)選地為最高達6000或更高的雷諾數(shù)，它實際上導(dǎo)致了酸和硅酸鹽的瞬間和徹底混合，從而使所形成的混合物具有1.5-3.5重量％的氧化硅濃度和7-10的pH?？梢圆捎萌魏畏奖愕氖惺劭扇苡谒墓杷猁}源，例如由PQ集團銷售的“PQ(N)”硅酸鈉(41Baume，SiO2∶Na2O＝3.22∶1重量，28.7重量％SiO2)。該市售硅酸鹽未稀釋地保存在貯存器14中，通常濃度為24-36％重量，正像制造商所提供的那樣，直到需要用時。利用低流速齒輪或微型泵24(如Micropump Corp.，型號140，最大流速1.7gmp)、通過適當(dāng)?shù)墓艿?2(316不銹鋼，1/4英寸OD)將其輸送到混合接合部20。優(yōu)選地采用不腐蝕的建筑材料，如316不銹鋼，以避免腐蝕和隨后的摻雜危險。硅酸鹽供應(yīng)管道還包括流動控制閥26(Whitey，316不銹鋼，1/4英寸針孔)、磁性流動測定儀28(Fisher，Porter，316不銹鋼，1/10英寸大小)和檢測閥86(Whitey，316不銹鋼，1/4英寸內(nèi)徑)，從而控制和監(jiān)測硅酸鹽料流的量和方向。在操作過程中，稀釋水在位于硅酸鹽/酸混合結(jié)合部20上游的某個方便位置導(dǎo)入到硅酸鹽供應(yīng)管線22中，從而將氧化硅濃度調(diào)整到2-10重量％的范圍內(nèi)。為了確保硅酸鹽和水完全混合，設(shè)置一個在線靜態(tài)混合機32(Cole-Palmer，316不銹鋼，1/2英寸管，15部件)，而后是一個檢測閥30(Whitey，316不銹鋼，1/2英寸直徑)。稀釋水通過管34(1/2英寸OD，316不銹鋼)由離心泵36(Easterb Pump，1HP，最大流速54gpm)和旋轉(zhuǎn)測定儀38(Brooks，Brass Ball，306gpm最大值)來提供?？梢圆捎每刂崎y40(Whitey，316不銹鋼，1/2英寸NE針孔)和檢測閥42(Whitey，316不銹鋼，1/2英寸直徑)以控制流速和方向。
盡管已經(jīng)描述了多種酸性材料，如礦物酸、有機酸、酸性鹽和氣體、離子交換樹脂和強酸與弱堿的鹽以用于制備活性氧化硅，但最簡單和最方便的酸化措施是采用pKa低于6的強酸。優(yōu)選的酸是硫酸。由DuPont制造的工業(yè)級和其它的酸是適用的。在操作過程中，在酸貯存器12中，酸貯存溶液的酸濃度為5-100％重量。該酸通過管線46(316不銹鋼，1/4英寸OD)和檢測閥88(Whitey，316不銹鋼，1/4英寸)、利用齒輪或類似的微型泵44(如Micropump，型號040，1/4HP，最大流速0.83gpm)抽送到連接混合器20中。將單循環(huán)控制器90(Moorw，型號352E)與pH傳送器48(大湖儀器，型號6028PO)結(jié)合起來，從而通過對連接混合器出口處的硅酸鹽/酸混合物的pH有反應(yīng)的自動閥50(控制研究，K Trim，1/4英寸OD，316不銹鋼)控制酸向連接混合器20的流動。在該控制系統(tǒng)中還可以采用自動三路閥52(Whitey，316不銹鋼，1/2英寸直徑)，從而可以將不合格的硅酸鹽/酸混合物分離到下水道中。來自貯存器10的稀釋水通過管線54(316不銹鋼，1/2英寸OD)供入，從而將位于連接混合器20上游的酸稀釋到預(yù)定的1-20％重量范圍內(nèi)。在將稀釋水供入酸管線中的位置的下游，設(shè)置靜態(tài)混合器56(Cole-Palmer，316不銹鋼，1/2英寸直徑，15回)，以確保酸完全混合和稀釋。采用旋轉(zhuǎn)測定儀58(Brooks，Brass Ball，1.09gpm，最大值)、控制閥60(Whitey，316不銹鋼，1/2英寸，針孔)檢測閥62(Whitey，316不銹鋼，1/2英寸直徑)來控制稀釋水的流速和流動方向。
離開連接混合物20的硅酸鹽/酸混合物優(yōu)選地具有1.5-3.5％重量的SiO2濃度，并且其pH為7-10。最優(yōu)選地，氧化硅的濃度保持在2％重量，pH為9。該混合物經(jīng)過細長的傳送管線64(1.5英寸工程40PVC管，75英尺長)，直到成品接受罐18。選擇傳送管線的長度以確保該傳送至少占10秒鐘，但優(yōu)選地在約30-90秒鐘，在此期間，該混合物發(fā)生“老化”或部分膠凝。在非常低的流速下傳送時間可以長達15-16分鐘并且仍然可以產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。就在混合物進入到成品接受罐18之前或者在其它任何方便的地方，通過管線66(316不銹鋼，1/2英寸OD)由貯存器10將稀釋水加入到該混合物中，只要將該硅酸鹽/酸混合物稀釋到使膠凝過程穩(wěn)定的二氧化硅濃度低于1.0％重量。稀釋水用離心泵68(Eastern，316不銹鋼，1HP，54gpm最大值)和旋轉(zhuǎn)計量儀72(Brooks，SS Ball，12.46gpm最大值)供應(yīng)。成品接受罐18配有水平控制系統(tǒng)74(Sensall，型號502)，它與自動三路閥76(Whitey，316不銹鋼S，1/2英寸直徑)一起操作，以便如果成品水平太高的話使硅酸鹽/酸混合物的流動改向到下水道中。
在連續(xù)操作一段時間(這取決于所產(chǎn)生的活性氧化硅的量)以后，可以停止生產(chǎn)活性氧化硅并且用水和熱氫氧化鈉沖洗混合連接區(qū)20以及與硅酸鹽/酸混合物接觸的下游系統(tǒng)部分，即泵、閥、傳送管等。沖洗該系統(tǒng)可以除去任何不需要的氧化硅沉積物，這些沉積物當(dāng)由于設(shè)計限制而不能保持所需的湍流條件時會匯集在部分裝置中，例如在pH測定區(qū)中。沖洗過程有助于保持該系統(tǒng)沒有氧化硅沉積并且首先通過關(guān)閉稀釋泵68、酸泵44和硅酸鹽泵24而開始。來自泵36的稀釋水而后循環(huán)經(jīng)過該系統(tǒng)的下游部分達約5分鐘，而后關(guān)閉泵36并且通過關(guān)閉閥40、60和70而隔離稀釋水貯存器。而后開動三路自動閥52和76以及手動閥78、80和82(全部是Whitey，316S，1/2英寸OD)同時開動離心循環(huán)泵84(Eastern，316不銹鋼，1.5HP，15gpm最大值)，以使?jié)舛缺３衷?0％重量、溫度為40-60℃的氫氧化鈉循環(huán)經(jīng)過該系統(tǒng)下游的部分，時間通常不超過約20-30分鐘。氫氧化鈉循環(huán)泵84和沖洗罐16通過再次開動三路閥80-82而與該系統(tǒng)脫離，并且用稀釋水再次沖洗經(jīng)過下游系統(tǒng)并且排放到下水管中。完成清洗/沖洗過程以后，恢復(fù)活性氧化硅的生產(chǎn)。
現(xiàn)在參見圖2，它表示活性氧化硅的雙線生產(chǎn)系統(tǒng)的示意圖，因而一條線可以一直操作，而另一條線進行沖洗或保持等待狀態(tài)。各組成部分根據(jù)圖1進行編號。根據(jù)圖1或2的工業(yè)系統(tǒng)通常可以由不銹鋼或聚氯乙烯管道制成，其直徑通常為1英寸或更小，這取決于活性二氧化硅的需要。當(dāng)采用不銹鋼管時，各種裝置的連接、裝配、閥和各部分可以用“Swagelok”受壓連接件完成。
圖3表示圖1基本設(shè)備的改進方案的示意圖，它適用于制造聚硅鋁酸鹽微凝膠。鋁鹽的濃溶液，優(yōu)選的是硫酸鋁，可以通過膜計量泵102(Pulsatron，型號LPR2-MAPTCI，用玻璃填充的聚丙烯，Teflon膜，最大流速12.5亳升/分鐘)泵抽經(jīng)過管線(1/4英寸直徑，316不銹鋼)。計量泵102可以電連接到控制器90上并且可以隨硅酸鹽使用情況而平行移動。在經(jīng)過檢測閥104(Whitey，316不銹鋼，1/4英寸直徑)以后，可以通過316不銹鋼“T”連接件在106點處將鋁鹽溶液導(dǎo)入到稀酸管線中。在與硅酸鹽的反應(yīng)發(fā)生在“T”連接20處(從而產(chǎn)生聚硅鋁酸鹽微凝膠)之前，可以通過在線混合器56將鋁鹽與稀酸徹底混合。用于該方法中的優(yōu)選的鋁鹽溶液是市售硫酸鋁溶液，如液體Al2(SO4)3·14H2O鋁鹽溶液，它含有8.3％重量Al2O3，這American Cyanamid Company提供。
如上所說，必須定期地通過熱苛性蘇打溶液沖洗聚硅鋁酸鹽裝置，以使其沒有氧化硅沉積物。
應(yīng)當(dāng)明白，通過適當(dāng)變化如圖2中所示的雙線設(shè)備，可以形成另一種用于連續(xù)生產(chǎn)聚硅鋁酸鹽微凝膠的雙線設(shè)備。
實施例1-證實湍流在降低氧化硅沉積中的作用根據(jù)如圖1中所說的原理建成用于生產(chǎn)硅酸鹽微凝膠的實驗室產(chǎn)生裝置。在稀釋和混合之前，硅酸鹽和硫酸原料分別含有15％(重量)氧化硅和20％(重量)酸。關(guān)鍵的連接混合器用1/4英寸，316不銹鋼“Swagelok”T-加壓配件制成，其上配有6英寸長的1/4英寸OD 316不銹鋼管臂。該配件的內(nèi)徑為0.409厘米。對于將氣體導(dǎo)入到混合連接件中的試驗來說，可以采用類似的“Swagelok”X-加壓連接件，它具有四根作為氣體進口的X型臂。在離酸/硅酸鹽連接處約12英寸處放置由直徑為1英寸的60目不銹鋼篩網(wǎng)組成的管內(nèi)過濾器以捕捉氧化硅顆粒。在每一次試驗開始時對篩稱重并且在第一次試驗結(jié)束時在沖洗和干燥以后再次稱重，以確定氧化硅沉積物的重量。進行全部試驗，從而在硅酸鹽酸化點處將條件保持在2％重量氧化硅和pH9下并且將每一次試驗運行足夠的時間，以產(chǎn)生總量為1590克聚硅酸鹽微凝膠。該試驗的結(jié)果示于下表1中。液流表示總的液流，即出口管中硅酸鹽/酸混合物的總料流。在將氣體導(dǎo)入以液流和湍流的試驗中，雷諾根據(jù)液體部分單獨增加的流速來計算，假設(shè)液體比重和粘度沒有發(fā)生變化。采取這種計算方法的原因在于沒有現(xiàn)成的方程來計算液體/氣體混合物的雷諾數(shù)。
表1作為雷諾數(shù)的函數(shù)的氧化硅沉積
將試驗1和2與試驗3-10的結(jié)果相比，可以清楚地證明湍流流動(雷諾數(shù)大于4000)在降低氧化硅沉積量方面的有效作用。在本發(fā)明的湍流條件下，平均氧化硅沉積量為0.007克，它僅是所處理的氧化硅總量的0.0004％。當(dāng)雷諾數(shù)低于本發(fā)明所需的最小值4000時，不適合的氧化硅沉積至少增加約15倍。一旦達到本發(fā)明的方法所需的最小雷諾數(shù)，增加雷諾數(shù)到4000以上，例如從4144增加到6217，再增加到10362等等，就不會再進一步地減少氧化硅的沉積量。
實施例2-設(shè)備根據(jù)如圖1所示的示意圖裝配工業(yè)規(guī)模的用于制造活性氧化硅微凝膠的設(shè)備并且安裝在工業(yè)紙研磨中。除了原料供應(yīng)貯存器以外，將該設(shè)備剛性安裝在鋼架上，該鋼架位于兩塊滑動平臺上，每一個平臺尺寸大約為6×8英尺。在一個平臺上，安裝了用于連接到硅酸鈉和硫酸工業(yè)供應(yīng)源的進口以及連接到用來進行稀釋的城市用水上的進口。在平臺1上安裝了稀釋和流動控制裝置、硅酸鹽/酸混合連接件、pH測定和pH控制器、氫氧化鈉沖洗貯存器、所需的泵和閥以及電控制器。在平臺2上安裝了老化回路、成品貯存器、水平控制器和所需的泵和閥。每一個平臺的總高度約為7英尺。采用制造商提供的容器作為硅酸鹽和硫酸貯存器并且將它們直接連接到平臺1上合適的進口。
連續(xù)操作設(shè)備達6天，在此期間生產(chǎn)0.5％重量活性氧化硅，其生產(chǎn)速度在3-4.8加侖/分鐘之間變化。在3加侖/分鐘的生產(chǎn)速度下，對于所使用的混合區(qū)來說計算出的雷諾數(shù)為4250。在連接混合器20中沒有發(fā)現(xiàn)氧化硅沉積，盡管在連續(xù)操作12小時以后，在連接混合器緊下游的pH探針附近發(fā)現(xiàn)一些氧化硅沉積。為了消除這種情況，進行水/氫氧化鈉/水沖洗順序，該過程需30分鐘以下，而后將該系統(tǒng)轉(zhuǎn)到正常生產(chǎn)狀態(tài)。在全部6天的生產(chǎn)周期中，該設(shè)備無故障操作生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的活性氧化硅，它被研磨機用于生產(chǎn)具有不同重量的紙張。
實施例3-制備聚硅鋁酸鹽微凝膠根據(jù)如圖3所示的原理裝配用于制備聚硅鋁酸鹽微凝膠的工業(yè)規(guī)模的設(shè)備。除了原料供應(yīng)貯存器以外，將該設(shè)備剛性安裝在鋼架上，該鋼架位于兩塊滑動平臺上，每一個平臺尺寸大約為8×8英尺。在一個平臺上，安裝了用于連接到硅酸鈉、硫酸、氫氧化鈉和造紙用明礬工業(yè)供應(yīng)源的進口以及連接到用來進行稀釋的城市用水上的進口。在平臺1上還安裝了每一種化學(xué)試劑所需的泵以及用于容納成品聚硅鋁酸鹽微凝膠溶液的貯存器。在平臺2上安裝了硅酸鈉、酸和稀釋水的流動控制閥、硅酸鹽/酸混合連接件，pH測定裝置和pH控制器、老化回路和氫氧化鈉沖洗貯存器。造紙用明礬的流動通過速度與硅酸鹽流速成正比的隔膜泵控制。造紙用明礬可以在硅酸鹽/酸混合連接件之前導(dǎo)入到稀釋的酸料流中。所獲得的的聚硅鋁酸鹽微凝膠溶液具有大約1/1250的AL2O3/SiO2摩爾比。
采用該設(shè)備以20加侖/分鐘的速度來生產(chǎn)6000加侖0.5重量％聚硅鋁酸鹽微凝膠溶液?；旌蠀^(qū)的雷諾數(shù)計算結(jié)果為22700。在連續(xù)操作5小時以后，在pH電極探針處僅發(fā)現(xiàn)少量氧化硅沉積。為了消除氧化硅沉積，進行氫氧化鈉沖洗，該過程需30分鐘以下，而后將該系統(tǒng)轉(zhuǎn)到正常生產(chǎn)狀態(tài)。該聚硅鋁酸鹽微凝膠溶液被紙磨用于生產(chǎn)液體包裝紙板，其結(jié)果非常好。
權(quán)利要求
1.用于連續(xù)制備聚硅鋁酸鹽微凝膠的方法，該方法具有較低氧化硅沉積，其中該微凝膠包括1-2納米直徑、比表面積至少為約1000平方米/克相互連接成各個鏈以形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化硅顆粒的溶液，該方法包括(a)同時將含有可溶于水的硅酸鹽溶液的第一料流和含有pK低于6的強酸和鋁鹽溶液的第二料流導(dǎo)入混合區(qū)中，在該混合區(qū)中，這些料流以不低于30度的角度和足以產(chǎn)生至少約4000雷諾數(shù)的速度匯集并且所形成的硅酸鹽/酸/鹽混合物具有約1.0-6.0重量％的氧化硅濃度和2-10.5的pH值。(b)將該硅酸鹽/酸/鹽混合物老化一段時間，該時間應(yīng)足以達到所需的部分膠凝水平，但不超過15分鐘；以及(c)將經(jīng)過老化的混合物稀釋到氧化硅濃度不超過約2.0重量％。
2.用于連續(xù)制備聚硅鋁酸鹽微凝膠的方法，該方法具有較低氧化硅沉積，其中該微凝膠包括1-2納米直徑、比表面積至少為約1000平方米/克相互連接成各個鏈以形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化硅顆粒的溶液，該方法包括(a)同時將含有可溶于水的硅酸鹽溶液組成的第一料流和由pK低于6的強酸和鋁鹽溶液組成的第二料流導(dǎo)入環(huán)形混合裝置中，在該混合裝置中，這些料流通過將來自混合裝置內(nèi)管的料流排放到從外管流出的第二料流中而形成交匯，其速度足以在該混合裝置的混合區(qū)中產(chǎn)生至少約4000雷諾數(shù)并且所形成的硅酸鹽/酸/鹽混合物具有約1-6重量％的氧化硅濃度和2-10.5的pH值；(b)將該硅酸鹽/酸/鹽混合物老化一段時間，該時間應(yīng)足以使初始的氧化硅顆粒相互連接在一起并且形成所說的三維結(jié)構(gòu)同時保持溶液狀態(tài)，但不超過約15分鐘；以及(c)將經(jīng)過老化的混合物稀釋到氧化硅濃度不超過約2.0重量％。
3.用于連續(xù)生產(chǎn)穩(wěn)定的聚硅鋁酸鹽微凝膠的設(shè)備，它包括(a)用于容納可溶于水的硅酸鹽溶液的第一貯存器；(b)用于容納pKa低于6的強酸的第二貯存器；(c)具有與所說的第一貯存器相通的第一進口、以與所說的第一進口至少成30度角設(shè)備并且與所說的第二貯存器相通的第二進口和一個出口的混合裝置；(d)位于所說的第一貯存器和所說的混合裝置之間的第一泵送裝置，用于將所說的硅酸鹽溶液料流由所說的第一貯存器抽送到所說的第一進口中，以及第一控制裝置，用于控制氧化硅在所形成的硅酸鹽/酸/混合物中的濃度為1～6重量％同時抽送所說的溶液；(e)位于所說的第二貯存器和所說的混合裝置之間的第二泵送裝置，用于將酸和鋁鹽的料流從所說的第二貯存器抽送到所說的第二進口中，其速度相對于所說的第一泵送裝置的速度要足以在料流交匯區(qū)中在所說的混合裝置中產(chǎn)生至少4000雷諾數(shù)，從而使所說的硅酸鹽和所說的酸和鋁鹽徹底混合；(f)位于所說的出口中并且對所說的酸流入所說的混合裝置中的流速產(chǎn)生反應(yīng)的混合物控制裝置，用于將硅酸鹽/酸/鹽混合物的pH控制在2-10.5；(g)接受罐；(h)與所說的混合裝置的出口和所說的接受罐相通的細長傳送回路，用于將所說的混合物在它們之間傳送；以及(i)稀釋裝置，用于將接受罐中的硅酸鹽/酸/鹽混合物稀釋至氧化硅濃度不超出2.0重量％。
4.權(quán)利要求1或2的方法，其中所形成的硅酸鹽/酸/鹽混合物中氧化硅的濃度為1.5-3.5重量％，pH為7-10。
5.權(quán)利要求1或2的方法，其中pH為2-7。
6.權(quán)利要求1或2的方法，其中所說的氧化硅的濃度不大于1.0重量％。
7.權(quán)利要求3的設(shè)備，其中所說的第一進口和所說的第二進口以相互成90度的角度設(shè)備，所說的酸是硫酸，所說的鋁鹽是硫酸鋁。
全文摘要
一種經(jīng)過改進的用于由可溶于水的硅酸鹽和強酸制備低濃度聚硅酸鹽微凝膠的方法和裝置,其中硅酸鹽和酸以至少產(chǎn)生400雷諾數(shù)的速度混合,將該混合物老化而后稀釋到氧化硅濃度不超過1.0重量%。該方法在制備微凝膠的過程中達到較低的氧化硅沉積。
文檔編號C01B33/00GK1254324SQ97182230
公開日2000年5月24日 申請日期1997年6月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月4日
發(fā)明者R·H·莫菲特, J·D·魯斯梅雷 申請人:納幕爾杜邦公司