CN103601204A - 一种硅水解反应分离同步进行的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅水解技术，尤其是一种水解反应分离同步进行的方法，其特征在于，在硅水解分离反应器，硅粉由加料口加入，水解液由水解液入口加入，二者在锥形水解反应段发生水解反应。硅粉在反应段上部加入，因重力沉降向下段运动，随着反应的进行，硅粉的粒径变小，其沉降速度降低。硅粉在向下运动的过程中，反应体系中反应物浓度由上向下增加，反应产物浓度减小，其化学反应推动力随之增强。反应液中硅酸钠及其缩合物、氢气向上运动，进入分离段后，氢气通过分离段的排气管收集，硅酸钠溶液通过膜分离段在真空抽吸下通过分离膜与未反应的硅粉颗粒分离，实现反应与分离同步进行的目的。

Description

一种硅水解反应分离同步进行的方法
技术领域
本发明涉及一种硅水解技术，尤其是一种水解反应分离同步进行的方法。
背景技术
一般制备硅溶胶的方法有以下几种：单质硅一步溶解法、离子交换法、直接酸中和法、电解电渗析法、胶溶法和分散法等。工业生产中通常采用的是单质硅一步溶解法、离子交换法。
专利CN86104144A在72～83℃条件下将硅粉直接与Na2SiO3或者K2SiO3反应，缓慢加料，反应完成后边搅拌边冷却，并在50℃时过滤除去未反应的硅粉。专利CN101121520A中使硅粉在碱性催化剂作用下水解
加入到去离子水中制备种子溶液，再次加入硅粉和碱，通过对投料量的控制以得到粒径分布比较窄的硅溶胶产品。反应后过滤，出去未反应的硅粉。专利CN101585541A中提出了一种制备电子级硅溶胶的方法，硅粉在碱性催化剂作用下水解，过滤所得滤液先后通过粒子选择器对粒子进行筛选和离子交换即得所需产品。专利CN1830777A中利用活性硅酸粒子在种子粒子上吸附并长大的原理，以SiO2水分散液为种子液，向其中加入碱性催化剂和硅粉，反应后过滤得产品。专利CN102173426A制备了一种高均匀度的硅溶胶，将硅、水、碱性催化剂混合后，在搅拌条件下超声并加热，分批加料，反应完全后出去未反应的硅粉。专利CN102101674A中将硅、水和碱性催化剂在反应釜中混合，通入蒸汽使物料混合均匀并加热，制备母液。分批加入反应物料以控制粒径，反应完全后除去未反应硅粉。
以上专利虽然都在某种程度上得到了所需的产品并弥补了前人的不足，但是存在一个共同的问题，即硅粉反应不完全，在反应结束后需过滤除去。这是由于硅(Si)在碱性催化剂作用下水解，生成硅酸钠(Na2SiO3)的过程中存在反应物与产物的平行限制，即随着Si水解，硅酸钠的浓度不断升高，基于化学反应平衡原理，当反应达到平衡以后，硅的水解速度近于零。现有间歇反应一般在反应接***衡时停止反应，除未反应硅粉分离出来，再进行后续操作。虽然过滤后的硅粉可以重复利用，但不可避免的增加了后处理工序。
本发明利用硅粉颗粒水解时在水解液中所受重力、浮力与沉降阻力平衡技术、逆流接触反应技术和反应分离技术，使得反应产物与反应物及时分离，保障硅粉完全水解，实现反应完全化和连续化。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术存在的不足，提供一种利用反应分离同步进行的方法，保持反应处于不平衡状态，使得硅粉水解完全并连续进行。
按照本发明提供的技术方案，一种硅水解反应分离同步进行的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤，其组分按重量份数计：
A、基于附图的硅水解分离反应器由锥形的水解反应段和膜分离段组成。硅粉由加料口(5)加入，水解液由底部的水解液入口(7)加入。硅粉由反应段上部加入，因重力沉降向下段运动，同时与水解液接触反应，发生硅的水解反应，生成硅酸钠及其缩合物；随着反应的进行，硅粉的粒径变小，受到由下向上流动的水解液作用于颗粒的浮力和阻力的作用，其沉降速度由上向下逐渐降低，反应液中反应物浓度由上向下增加，反应产物浓度由下向上增加，其化学反应推动力由下向上增大。锥形反应器下段的流动通道截面由上向下缩小，通过蝶阀(6)控制水解液的进料流速，以保持未反应硅粉颗粒悬浮于水解液中进行接触反应，直至反应完全。
B、反应液中的硅粉、硅酸钠及其缩合物、反应产生的氢气向上运动，进入膜分离段(3)，氢气通过分离段的排气管(1)收集排出，硅酸钠溶液通过膜分离段在真空抽吸下通过分离膜与未反应的硅粉颗粒分离，达到反应分离同步进行的目的，并由排出管(2)排出。
C、沉积于膜分离段膜表面的颗粒，定期进行反洗，以维持膜的透过液量，反洗液由反洗液入口(4)加入。
所述硅粉颗粒直径为1μm～2mm；所述水解液由NaOH、KOH中的一种或几种配制的水溶液，水的质量分数为75份～99.8份，其余为NaOH、KOH中的一种或几种。
所述锥形反应器的锥度为5°～70°，椎体高度0.2～10m，反应温度50℃～80℃，水解液在进料口的流速为0.01m／s～3m／s，硅粉加入量：水解液加入量为0.001：1～0.2：1。
所述分离段为孔径为20nm～10μm的分离膜，膜材料为有机高分子分离膜或无机分离膜。分离段高度为0.1m～3m，抽吸真空度为0.01MPa～0.095MPa，通过膜的透过液流量与水解液进料量相等。
附图说明
图1是硅水解分离反应器示意图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种硅水解反应分离同步进行的方法，其组份按重量份数计，包括以下工艺步骤：
经筛分后最大粒径为0.5mm，平均粒径为0.2mm的硅粉加入量7妙min，由1份NaOH与99份水构成的水解液进料量为1000g／min，锥形反应器锥度为15°、高度2m，水解液在进料口流速为0.5m／s，水解反应温度为50℃。分离段用PES微滤膜，孔径0.2μm，膜分离段高度1m。调节抽吸真空度，保持透过液量为1L／min。得到反应段底部无硅粉颗粒沉降，透过液中硅酸钠的质量浓度为3.9％，反应分离实现连续化。
实施例2
一种硅水解反应分离同步进行的方法，其组份按重量份数计，包括以下工艺步骤：
经筛分后最大粒径为0.3mm，平均粒径为0.15mm的硅粉加入量8g／min，由1份NaOH与95份水构成的水解液进料量为1000g／min，锥形反应器锥度为15°、高度2m，水解液在进料口流速为0.4m／s，水解反应温度为60℃。分离段用PES微滤膜，孔径0.2μm，膜分离段高度1m。调节抽吸真空度，保持膜透过液量为1L／min。得到反应段底部无硅粉颗粒沉降，透过液中硅酸钠的质量浓度为4.8％，反应分离实现连续化。
实施例3
一种硅水解反应分离同步进行的方法，其组份按重量份数计，包括以下工艺步骤：
经筛分后最大粒径为0.2mm，平均粒径为0.12mm的硅粉加入量5g／min，由1份KOH与95份水构成的水解液进料量为1500g／min，锥形反应器锥度为30°、高度2m，水解液在进料口流速为0.3m／s，水解反应温度为60℃。分离段用PES微滤膜，孔径0.2μm，膜分离段高度1m。调节抽吸真空度，保持透过液量为1.5L／min。得到反应段底部无硅粉颗粒沉降，透过液中硅酸钠的质量浓度为3.1％，反应分离实现连续化。

Claims (5)

1.一种硅水解反应分离同步进行的方法，其特征是，其组份按重量份数计，包括以下工艺步骤：
A、基于附图的硅水解分离反应器由锥形的水解反应段和膜分离段组成。硅粉由加料口(5)加入，水解液由底部的水解液入口(7)加入。硅粉由反应段上部加入，因重力沉降向下段运动，同时与水解液接触反应，发生硅的水解反应，生成硅酸钠及其缩合物；随着反应的进行，硅粉的粒径变小，受到由下向上流动的水解液作用于颗粒的浮力和阻力的作用，其沉降速度由上向下逐渐降低，反应液中反应物浓度由上向下增加，反应产物浓度由下向上增加，其化学反应推动力由下向上增大。锥形反应器下段的流动通道截面由上向下缩小，通过蝶阀(6)控制水解液的进料流速，以保持未反应硅粉颗粒悬浮于水解液中进行接触反应，直至反应完全。
B、反应液中的硅粉、硅酸钠及其缩合物、反应产生的氢气向上运动，进入膜分离段(3)，氢气通过分离段的排气管(1)收集排出，硅酸钠溶液通过膜分离段在真空抽吸下通过分离膜与未反应的硅粉颗粒分离，达到反应分离同步进行的目的，并由排出管(2)排出。
C、沉积于膜分离段膜表面的颗粒，定期进行反洗，以维持膜的透过液量，反洗液由反洗液入口(4)加入。
2.根据权利要求书1所述一种硅水解反应分离同步进行的方法，其特征在于所述硅粉颗粒直径为1μm～2mm；所述水解液由NaOH、KOH中的一种或几种配制的水溶液，水的质量分数为75份～99.8份，其余为NaOH、KOH中的一种或几种。
3.据权利要求书1所述一种硅水解反应分离同步进行的方法，其特征在于所述锥形反应器的锥度为5°～70°，椎体高度0.2～10m，反应温度50℃～80℃，水解液在进料口的流速为0.01m／s～3m／s，硅粉加入量：水解液加入量为0.001：1～0.2：1。
4.据权利要求书1所述一种硅水解反应分离同步进行的方法，其特征是在于所述分离段为孔径为20nm～10μm的分离膜，膜材料为有机高分子分离膜或无机分离膜。分离段高度为0.1m～3m，抽吸真空度为0.01MPa～0.095MPa，通过膜的透过液流量与水解液进料量相等。
5.据权利要求书1所述一种硅水解反应分离同步进行的方法，其特征在于所述沉积于膜分离段膜表面的颗粒，定期进行反洗，反洗液为透过液、水中的一种或几种；反洗周期为0.1小时～20小时，每次反洗时间为5分钟～60分钟，反洗压力为0.005MPa～0.085MPa，反洗温度为20℃～50℃。
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