Ионный обмен
Работа Берда [4], в которой натрий удаляется из силиката натрия ионным обменом с последующим концентрированием золя выпариванием при атмосферном давлении, ставшая пионерской в этой области, привела к получению стабилизированных золей кремнезема, содержащих приблизительно 20 % SiC>2. В дальнейшем [6] удалось осуществить контроль размера формируемых частиц. Другие усовершенствования, введенные Алек - сандером [9] и Эткинсом [10] в отношении величин допустимой концентрации соли и оптимального содержания щелочи, дали возможность получить целый ряд концентрированных золей кремнезема, охватывающий широкую область размеров частиц. В указанных работах золи кремнезема приготовляли пропусканием относительно разбавленного раствора силиката натрия через слой ионообменной смолы. Получали достаточно очищенный от натрия кислый золь кремнезема, который затем стабилизировали, и выращивали частицы до желаемого размера. Второй способ, разработанный Уолтером и Айлером [93], заключался в том, что ионообменную смолу в водородной форме и силикат натрия добавляли к слабощелочной водной среде при
3* рН около 9 и повышенной температуре. При этих условиях, обеспечивающих отсутствие агрегации, частицы кремнезема росли непрерывно и непосредственно получались сравнительно концентрированные золи с содержанием' 10—15% кремнезема. Миндик и Ревен [94] получили патент на еще один способ приготовления относительно концентрированного 12 %-ного кислого золя поликремневой кислоты. По этому способу охлажденный раствор силиката натрия пропускали через ионит; следовательно, концентрированный золь формировался при йониженной температуре, что позволило избежать гелеобразования.
Было предложено множество вариантов получения золя ионообменным способом. Дирнбергер [95] показал, что более концентрированные золи можно приготовить пропусканием раствора силиката натрия снизу вверх через слой суспензии ионообменной смолы; тем самым удается избежать гелеобразования. Другие варианты ионообменного способа представлены в ряде патентов [96].
Согласно Миндику и Ревену [65], оставшиеся следы электролитов можно удалять из золя кремнезема, полученного каким - либо из стандартных способов, нагревая золь и повторно пропуская его через ионообменную смолу в водородной форме с целью извлечения щелочи, высвобождаемой из частиц.
Использование катионита в ЫН^'-форме дает возможность удалять натрий из раствора силиката натрия без понижения рН в какой-либо части раствора для предотвращений агрегации частиц. Уолтер обнаружил, что при отношении Si02: Na20 3,25: 1 раствор силиката натрия, содержащий вплоть до 6 % Si02, не превращался в гель при пропускании его через колонну
Со смолой в NH^-фор ме. Дополнительные количества силиката натрия можно прибавлять к вытекающему щелочному потоку, а затем образующийся раствор вновь обрабатывать тем же катионитом [97].
Для получения золей с очень небольшим размером частиц Шеннон [98] добавлял силикат натрия к кислой суспензии, приготовленной из ионообменной смолы, до тех пор, пока концентрация кремнезема не достигала 8%. Затем извлеченный золь подщелачивался прибавлением NaOH и NH3 для того, чтобы на частицах Si02 оказались 1 % Na и 3 % NH3.
При приготовлении кремневой кислоты пропусканием раствора силиката натрия с содержанием более 3—4 % Si02 через слой ионообменной смолы в водородной форме внутри пор используемой смолы образуется гель кремнезема. Это приводит не только к потере кремнезема и к необходимости проводить очистку слоя ионита, но также вызывает раздробление гранул ионообменной смолы. По данным Гофмана [99] элюент кремневой кислоты, содержащий до 6 % Si02, может быть получен без подобных затруднений, если использовать макросетчатый катионит (Амерлит IR-200), имеющий поры диаметром —10 нм, пористость 32 % и удельную поверхность, измеренную по адсорбции азота, равную 42 м2/г. Такую смолу нужно обрабатывать раствором каустика для того, чтобы удалять небольшие количества кремнезема после каждого применения смолы и перед последующей ее регенерацией.
Согласно Матейка [100], ионообменные смолы можно регенерировать электролитическим способом.
Для удаления натрия из раствора силиката натрия в серной кислоте вместо обычной ионообменной смолы можно использовать катионообменную мембрану [101]. Горячий золь, состоящий из зародышевых частиц, быстро циркулирует по трубопроводу, заполненному ионообменным полимером, находящимся в разбавленной серной кислоте. Силикат натрия прибавляют к золю с такой скоростью, чтобы поддерживать рН около 8—10. При этом выделяющийся кремнезем осаждается на частицах золя, увеличивая тем самым их размер. Некоторое количество сульфат-ионов проникает через мембрану, и, следовательно, со временем в золе медленно возрастает концентрация сульфата натрия. Золь можно очищать и концентрировать методом ультрафильтрации. Однако концентрацию золя следует поддерживать на таком уровне, чтобы нормальность соли натрия не превышала величины N — 0,26—0,005 С—0,0012 (Г—40), где С — содержание Si02, г/100 мл, Т — температура, °С.
