基于二氧化硅的微凝胶的连续生产方法技术

本发明专利技术提供一种制备二氧化硅微凝胶的连续方法，该方法采用二氧化碳作为胶凝引发剂，压力至少约１７２ｋＰａ（约２５ｐｓｉｇ）。可以各种生产速率生产性能稳定的微凝胶。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于二氧化硅的微凝胶的连续生产方法                       专利
本专利技术涉及一种制备基于二氧化硅的微凝胶的连续方法，采用这种方法可在各种生产速率下生产质量稳定的微凝胶。                  对相关技术的说明聚硅酸盐微凝胶(即由可溶性二氧化硅部分胶凝生成的水溶液)在本领域是众所周知的。这些微凝胶可以如下制备：采用将硅酸盐与胶凝引发剂混合，使混合物在短时间内老化，然后通过稀释混合物停止胶凝，使碱金属硅酸盐发生部分胶凝。胶凝引发剂也称作“中和剂”，和/或“活化剂”。无机酸和明矾是最常用的胶凝引发剂。获得的微凝胶已经得到工业应用，在造纸工业上用作排水和保留助剂，在饮用水净化工厂和类似的应用中用作絮凝剂。虽然它们是优异的絮凝剂和在环境上是无害的，但目前有几个实际因素限制了聚硅酸盐微凝胶的工业应用。例如，微凝胶溶液必须稀释，使长距离运输庞大的体积是不现实的。因此，微凝胶一般是由用户在现场生产的。微凝胶还容易发生胶凝，在制备这种产品使用的设备中生成二氧化硅沉积物。在工厂环境下，虽然这些问题可以通过设备设计和人员培训来解决，但在设备应该是相当容易操作和维护的场地的应用中存在较大的困难。经过数年的时间，已经开发出间歇和连续的方法来生产二氧化硅微凝胶。然而业已发现，在批与批之间以及甚至用连续方法在较短的时间内都会使产品性能的稳定性会发生相当大的变化。已经证明，二氧化硅微凝胶作为絮凝剂的性能在很大程度上取决于在使用前使二氧化硅微凝胶生长到适宜的粒度。影响生成的微凝胶粒度的二个最重要因素是硅酸盐部分胶凝过程中的pH和反应时间，它包括混合时间，但主要是老化时间或一直到稀释二氧化硅微凝胶溶液为止的时间。在二氧化硅部分胶凝的过程中，当采用如硫酸等强酸作为胶凝引发剂时，pH很难控制，因为一般约85％的硅酸盐的碱性被中和，所以-->在制备之后，可以迅速使用这种微凝胶。引发剂用量的微小变化，能导致pH很大的变化，这又引起微凝胶粒度和微凝胶性质的变化。在间歇反应器中，可以很容易地改变反应时间。然而，在连续反应器中，反应时间是由反应物的流量和反应器的容积决定的。如果改变反应物的流量，例如满足对二氧化硅微凝胶需求速率的变化，则反应时间、生成的微凝胶粒度、以及微凝胶的性质，都会发生改变。在美国专利5,279,807、5,503,820、5,684,055、和5,853,616中，Moffett和Rushmere公开了改进的制备聚硅酸盐微凝胶的连续方法，其中在特定的条件下，使可溶性的硅酸盐溶液与胶凝引发剂混合，大大地降低了二氧化硅的沉积。在1998年7月20日提交的，编号为09/119468的美国专利申请中，Moffett、Simmons和Jones公开一种制备聚硅酸盐微凝胶的连续方法，其中将可发生弹性变形的容器引入工艺中。这些容器能够除掉在容器壁上生成的沉积物。虽然这些专利提到的装置能使沉积大大降低，并获得工业应用，但在改变微凝胶的生产速率时，质量仍不稳定。当为满足生产速率变化的要求，改变反应物的流量时，老化时间发生变化，因而生成的微凝胶粒度和性能可能发生改变。因此，用户必须适应变化的性能。一种能在相同的设备中，在不同的生产速率下，可靠地生产性能一致质量稳定的聚硅酸盐微凝胶以满足不同客户要求的连续方法，会有许多应用。                       专利技术概述本专利技术提供一种制备聚硅酸盐微凝胶的连续方法，其中包括：(a)使包括二氧化硅源的进料流在接触容器中与包括二氧化碳的进料   流接触，生成一种混合物，其中二氧化硅源选自水溶性硅酸盐的   水溶液、胶体二氧化硅溶胶、和它们的组合；和(b)使混合物在老化容器中老化，混合物发生部分胶凝，生成一种老   化的混合物，其中接触步骤、老化步骤、或二者，是在压力至少约172kPa(约25psig)下进行的。包括二氧化碳的物流可包含游离的二氧化碳，一般呈气体或液体-->的形式，或呈在反应条件下能释放出二氧化碳的材料的形式。也可以考虑二氧化碳与其它成分的混合物。本专利技术及其具体的实施方案，提供一些采用连续方法制备二氧化硅微凝胶的优点，其中包括在进料流接触步骤中pH控制得更好；微凝胶粒度和性能更稳定；在过程中消除了强无机酸，这不仅能降低设备费用，而且还能提供安全上的好处；提高了除掉二氧化硅沉积物的能力；在不能供水的情况下，能有效地进行系统吹扫。                      专利技术详述聚硅酸盐微凝胶是二氧化硅源如水溶性硅酸盐、胶体二氧化硅溶胶、或它们的组合发生部分胶凝形成的水溶液。水溶性的硅酸盐包括碱金属硅酸盐和聚硅酸盐，例如硅酸钠，其最常见的形式是1重量份的Na2O对3.3重量份的SiO2。由可溶性硅酸盐生成的微凝胶一般由水和结合的二氧化硅颗粒组成，颗粒直径为1-5nm，表面积至少500m2/g，更一般至少1000m2/g。在制备过程中(即在部分胶凝过程中)这些颗粒结合在一起，形成具有三维网络和链的附聚物。优选二氧化硅源是水溶性硅酸盐的水溶液。胶体二氧化硅溶胶在市场上可以从例如E.I.du Pont de Nemuorsand Company有限责任公司购买，是以Ludox胶体二氧化硅名称出售的。在本专利技术中使用的二氧化硅溶胶由水和离散的二氧化硅颗粒组成，颗粒直径为4-60nm，优选＜50nm。在部分胶凝过程中，溶胶颗粒也能结合起来，形成具有三维网络和链的附聚物。由二氧化硅溶胶生成的微凝胶的一般表面积为约50-750m2/g。在pH＜5时，有时将聚硅酸盐微凝胶称作聚硅酸微凝胶。随着pH的增高，这些产品可包括聚硅酸和聚硅酸盐微凝胶的混合物，其比例与pH有关。这里采用的术语“聚硅酸盐微凝胶”或“二氧化硅微凝胶”包括聚硅酸和聚硅酸盐微凝胶的这种混合物。经常将铝酸盐离子引入聚硅酸盐微凝胶的结构中使其改性。铝可以存在在整个聚硅酸盐附聚物中，或只存在在它们的表面上，视向工艺中加入铝源的位置而定。可以加入铝来提高微凝胶的生成速率，因而能降低老化时间。以铝酸盐的形式加入铝，还能使微凝胶在低pH条件下保持其电荷。二氧化硅溶胶可以在溶胶颗粒中加入铝。这里采用-->的术语“聚硅酸盐微凝胶”或“二氧化硅微凝胶”包括含铝的聚硅酸盐微凝胶，在本领域中有时也称作聚铝硅酸盐微凝胶。接触在本专利技术中，使包括二氧化硅源的进料流、即“二氧化硅进料流”，与包括二氧化碳的进料流接触。二氧化硅源选自水溶性硅酸盐的水溶液、胶体二氧化硅溶胶、和它们的组合。术语“接触”，系指将两种进料流合并，使这些进料流混合。一般是通过进料流湍流流动进行混合的。二氧化硅进料流可以包括任何常规的水溶性硅酸盐溶液和/或胶体二氧化硅。当二氧化硅进料流包含水溶性硅酸盐溶液时，二氧化硅物流的二氧化硅浓度应为0.5-15重量％，优选1-10重量％，最优选1-5重量％。在浓度＜0.5％时，微凝胶一般生成太慢，不适合实际使用。当采用水溶性硅酸盐时，二氧化硅＞15％，胶凝速度又太快，不能有效地控制。可以采用二氧化硅浓度较高的工业硅酸盐溶液，加入水适当地稀释来降低二氧化硅浓度。当二氧化硅进料流包含胶体二氧化硅溶胶时，在不存在水溶性硅酸盐的情况下，可以在不稀释的情况下采用二氧化硅物流。进料流中的二氧化硅浓度可以等于或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备聚硅酸盐微凝胶的连续方法，其中包括： （ａ）使包括二氧化硅源的进料流在接触容器中与包括二氧化碳的进料流接触，生成一种混合物，其中二氧化硅源选自水溶性硅酸盐的水溶液和胶体二氧化硅溶胶；和 （ｂ）使混合物在老化容器中老化，混合物发生部分胶凝，生成一种老化的混合物， 其中接触步骤、老化步骤、或二者，是在压力至少约１７２ ｋＰａ下进行的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 1999-12-8 09/456,3671.一种制备聚硅酸盐微凝胶的连续方法，其中包括：(a)使包括二氧化硅源的进料流在接触容器中与包括二氧化碳的进料   流接触，生成一种混合物，其中二氧化硅源选自水溶性硅酸盐的   水溶液和胶体二氧化硅溶胶；和(b)使混合物在老化容器中老化，混合物发生部分胶凝，生成一种老   化的混合物，其中接触步骤、老化步骤、或二者，是在压力至少约172kPa下进行的。2.权利要求1的方法，其中二氧化硅源是水溶性硅酸盐的水溶液，其中还包括将老化的混合物稀释到二氧化硅浓度＜10重量％，生成一种稀释的混合物(只对硅酸盐是必须的)。3.权利要求1的方法，还包括将老化的混合物的pH调节到pH＜3或＞9。4.权利要求2的方法，还包括将稀释的混合物的pH调节到pH＜3或＞9。5.权利要求1的方法，其中二氧化硅源是水溶性硅酸盐的水溶液，在包括二氧化硅源的进料流中，二氧化硅浓度为0.5-15重量％。6.权利要求5的方法，其中在包括二氧化硅源的进料流中，二氧化硅浓度为1-10重量％。7.权利要求1的方法，其中二氧化碳的存在量为中和二氧化硅的碱性所需化学计算量的至少80％。8.权利要求1的方法，其中二氧化碳的存在量至少为中和二氧化硅的碱性所需的化学计算量。9.权利要求1的方法，其中接触步骤、老化步骤、或二者，是在压力约344kPa-1380kPa下进行的。10.权利要求1的方法，其中接触容器、老化容器、或二者，是可弹性变形的容器。11.权利要求10的方法，还包括随时使可弹性变形的容器变形，以除掉在容器壁上形成的沉积物。12.权利要求1的方法，还包括利用将容器内的压力，从压力＞约172kPa迅速降低到环境压力，以除掉在接触容器、老化容器、或二者壁上形成的沉积物。...

【专利技术属性】
技术研发人员：RH莫菲特，WJ西蒙斯，
申请(专利权)人：英特拉特斯有限公司，伊卡化学AC有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]