Ультратонкодисперсна композиція вапнякового молока

Реферат: Композиція вапнякового молока містить частинки гашеного вапна, суспендовані у водній фазі, і відмінна тим, що вищезазначені частинки гашеного вапна мають розмір частинок, що описується профілем розподілу частинок за розмірами, який є вузьким і мономодальним, і спосіб її виготовлення. UA 115986 C2 (12) UA 115986 C2 UA 115986 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Даний винахід пропонує композицію вапнякового молока, що містить частинки гашеного вапна, суспендовані у водній фазі, і спосіб її виготовлення. Суспензії частинок гашеного (гідратованого) вапна, які іноді називаються також «вапнякове молоко», «піна на вапняковому молоці» або «вапняковий розчин», що широко використовуються в промисловості як реагенти в численних додатках, зокрема, для нейтралізації відпрацьованого потоку води або кислоти, що випускається, регулювання кислотності і мінералізації придатної для пиття (питної) води, нейтралізації хімічних реакцій, наприклад, таких як синтез етиленоксиду або пропіленоксиду, як джерело кальцію або для осадження, в синтезі вітаміну С, лимонної кислоти і осадженого карбонату кальцію (PCC), або також як адсорбент в процесах знесірчування і видаленні кислих газів, таких як хлористий водень (HCl), в топкових газах. Такі суспензії частинок гашеного вапна або вапнякове молоко звичайно одержують гасінням негашеного вапна великим надлишком води або виготовлення порошку суспензії гашеного вапна. Одержувані в результаті частинки складаються в основному з гідроксиду кальцію. Таке гашене вапно або гідроксид кальцію може, очевидно, містити домішки, тобто фази, утворені з SiO2, Al2O3, Fe2O3, MnO, P2O5, K2O і/або SO3, вміст яких звичайно становить десятки грамів на кілограм. Проте, кількість цих домішок в перерахунку на перераховані вище оксиди, не перевершує 5%, переважно 3%, переважно 2% або навіть 1% маси неорганічного мінерального наповнювача згідно з даним винаходом. Зокрема, гашене вапно переважно містить менше, ніж 1,0 мас.% Fe2O3, переважно менше, ніж 0,5 мас.% і переважно менше, ніж 0,3 мас.% Fe2O3. Згадане вище гашене вапно може також містити оксид кальцію, який не піддавався гідратації в процесі гасіння, так як вона може містити і карбонат кальцію CaCO 3. Карбонат кальцію може являти собою необпалений залишок вихідного вапняку, з якого виробляється гашене вапно згідно з даним винаходом, або продукт реакції часткової карбонізації гашеного вапна в контакті з повітрям. Вміст оксиду кальцію в гашеному вапні згідно з даним винаходом становить, як правило, менше, ніж 3 мас.%, переважно менше, ніж 2% і переважніше менше, ніж 1%. Вміст карбонату кальцію становить менше, ніж 10 мас.%, переважно менше, ніж 6 мас.%, переважніше менше, ніж 4 мас.% і ще переважно менше, ніж 3 мас.%. Згадане вище гашене вапно може також містити оксид магнію MgO або похідні фази таких типів, як Mg(OH)2 або MgCO3, які складають загалом десятки грамів на кілограм. Проте, кількість цих домішок в перерахунку на MgO не перевищує переважно 5%, переважно 3%, переважно 2% або навіть 1% маси неорганічного мінерального наповнювача згідно з даним винаходом. Фактори, що обмежують використання вапнякового молока порівняно з іншими потенційними реагентами, як правило, пов'язані з його в'язкістю і швидкістю реакції або нейтралізації у використовуваному реакційному середовищі. Цілком зрозуміло, що висока швидкість реакції є переважною, оскільки вона дозволяє здійснювати прискорені способи і, таким чином, скорочені періоди обробки, і в промисловому масштабі стає можливим використання обладнання для реакції, що має менші розміри і, ймовірно, меншу вартість, і/або промислового обладнання, що має підвищену продуктивність. Крім того, в певних процесах часто потрібна задана мінімальна швидкість реакції для одержання продукту, що має бажані якісні характеристики. На жаль, в'язкість, як правило, являє собою фактор, що обмежує ефективне використання тонкодисперсного вапнякового молока. По суті, суспензію необхідно перекачувати, щоб переміщувати її з однієї точки в іншу і дозувати, що є ускладненим у випадку високов'язких суспензій. Крім того, високов'язкі суспензії, як правило, зменшують якість диспергування, що впливає на швидкості реакції, які спостерігаються в таких додатках, оскільки потрібно більше часу і енергії, щоб диспергувати частинки гашеного вапна в реакційному середовищі. В'язкість і швидкість реакції вапнякового молока являють собою два кількісні параметри, які пов'язані з розміром частинок. Частинки, що мають менші розміри, як правило, забезпечують вищі швидкості реакції, але при цьому з них утворюються високов'язкі суспензії, особливо при збільшенні вмісту твердих частинок. Швидкість реакції частинок гашеного вапна звичайно пов'язана зі швидкістю розчинення частинок гашеного вапна або гідроксиду кальцію, яка збільшується, коли збільшується зовнішня поверхня частинок, і, таким чином, зменшується розмір частинок. Внаслідок такої ж логіки в'язкість збільшується при збільшенні вмісту твердих частинок і зменшенні розміру частинок. Це, як правило, пояснюється тим, що збільшується вміст частинок в одиниці об'єму. Таким чином, при збільшенні кількості частинок вони стають ближчими одна до одної і, отже, взаємодіють одна з одною і з водою. Деякі автори розглядають такі взаємодії як такі, що являють собою, головним чином, сили тяжіння внаслідок малого поверхневого заряду частинок 1 UA 115986 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 гашеного вапна і їх здатності утворювати водневі зв'язки з молекулами води. Ці взаємодії тоді приводять до збільшення зчеплення в суспензії і, таким чином, до збільшення її в'язкості. Згідно з даним винаходом, необхідно відрізняти реакційну здатність вапнякового молока, яка являє собою швидкість розчинення частинок гідратованого вапна, від реакційної здатності негашеного вапна, яка являє собою швидкість реакції негашеного вапна і води з утворенням гашеного вапна і, таким чином, наприклад, вапнякового молока. По суті, реакційна здатність негашеного вапна, як правило, характеризується і вимірюється згідно з процедурою, описаною в європейському стандарті EN459-2, і часто виражається 3 кількісно як t60, тобто час нагрівання об'єму води, що становить 600 см , від вихідної температури 20 °C до 60 °C після додавання 150 г негашеного вапна. Що стосується реакційної здатності вапнякового молока, для цілей даного винаходу вона характеризується згідно з роботою van Eekeren й інш., описаною в доповіді «Поліпшене вапнякове молоко для пом’якшення питної води», автори M. W. M. van Eekeren, J. A. M. van Paassen, C. W. A. M. Merks, відділ досліджень і консультацій KIWA NV, Ньювегейн, вересень 1993 р., виробництво і розповсюдження відділу досліджень і консультацій Королівського дослідницького інституту води (KIWA NV Research and Consultancy, адреса: будинок 7, Гронінгенхавен, п. с. 1072, Ньювегейн, 3430BB, Нідерланди). Для цілей даного винаходу описана процедура була вдосконалена таким чином, щоб підвищити точність і відтворюваність результатів, і випробувана на множині різних композицій вапнякового молока. Згідно з даним винаходом, швидкість розчинення гашеного вапна в деіонізованій воді вимірюється в формі збільшення електропровідності розчину в умовах, в яких розчин залишається нижче точки насичення відносно гідроксиду кальцію. Для приготування розчину, який залишається нижчим точки насичення, 0,1 г гідратованого вапна додають в 700 г води при 25 °C, що дозволяє розчину залишатися нижче точки насичення відносно гідроксиду кальцію, розчинність якого становить приблизно 1,5 г/л при 25 °C (див. наприклад, роботу «Розчинності неорганічних і металоорганічних сполук», автори A. Seidell і W. F. Linke, видавництво van Nostrand, 1953 р., т. 2, с. 631). Для досягнення згаданої вище необхідної точності і відтворюваності вимірювань виготовляють 500 г досліджуваної суспензії, яка містить 2 мас.% гашеного вапна, тобто 10 г гашеного вапна в 490 г води. Цю суспензію і 700 г деіонізованої води термостатують точно при 25 °C. Комірка для вимірювання електропровідності, що має час відгуку, що становить 0,05 з або менше, використовується для автоматичного запису за допомогою реєстратора даних електропровідності зразка, що містить 700 г деіонізованої води, який інтенсивно перемішується в процесі вимірювання, наприклад, при швидкості, що становить 450 об/хв., за допомогою мішалки у вигляді пропелера на стрижні, що має діаметр 30 мм. 3 На початку вимірювання 5 см з 500 г суспензії вводять у зразок, що містить 700 г деіонізованої води, і визначають значення електропровідності протягом часу доти, поки воно не стає стійким, досягаючи, таким чином, максимального рівня. Час до досягнення цієї максимальної електропровідності після початку вимірювання позначається як t 100. Аналогічним чином, t90 визначається як час до досягнення 90% максимальної електропровідності. Саме одержуване значення t90 розглядається як таке, що являє собою реакційну здатність вапнякового молока. Процедура вимірювання реакційної здатності вапнякового молока описана детальніше в розділі 6.11 «Визначення коефіцієнта розчинності по електропровідності» стандарту EN 12485:2010. Таким чином, згідно з даним винаходом, вважається, що реакційна здатність вапнякового молока є високою, якщо значення t90 становить менше, ніж або дорівнює 10 с. Документ, названий «Дослідження властивостей частинок суспендованого гідратованого вапна», автори U. Wittneben і інш., Zement-Kalk-Gips (Цемент, крейда, гіпс), видання В, 1980 р., т. 33. № 10, с. 526-534, видавництво Forschungsgemeinschaft des Verbands der Deutschen Kalkindustrie (Дослідницька асоціація німецької вапнякової промисловості), також описує, що відмінності форм частинок, розмірів частинок і розподіл частинок за розмірами грають значну роль у визначенні в'язкості вапнякового молока. Це додатково підтверджують в своїй роботі Rodriguez-Navarro й інш. «Мікроструктура і реологія вапнякового тесту», E. Ruiz-Agudo і C. Rodriguez-Navarro, Langmuir: ACS Journal of Surfaces and Colloids (Журнал поверхонь і колоїдів Американського хімічного товариства), 2010 р., т. 26, № 6, с. 3868-3877. В цьому документі на фіг. 4a, який потрібно розглядати разом з фіг. 4b, можна спостерігати профіль розмірів частинок, обчислений шляхом цифрового аналізу зображень, одержаних методом просвічуваної електронної мікроскопії (TEM), в якому обов'язково виявляються тільки частинки, розміри яких становлять від 0,01 мкм до 1 мкм, а інші частинки проілюстровані на фіг. 4b, на якій 2 UA 115986 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 представлений багатомодальний профіль. Згадані вище автори досліджували суспензії, виготовлені з вапна, що має різне походження, і зробили висновок про існування зв'язку між реакційною здатністю негашеного вапна і розміром, стійкістю, а також взаємодією частинок гашеного вапна в суспензії. Крім того, автори змогли корелювати вплив форми, стійкості і взаємодій частинок на в'язкість суспензії, а також на поведінку частинок гашеного вапна суспензії або вапнякового молока при флокуляції і агломерації. Оскільки агломерація і утворення пластівців з частинок гашеного вапна змінюють видимий розмір частинок і розподіл за розмірами частинок гашеного вапна, логічно зробити висновок, що агломерація і утворення пластівців з частинок гашеного вапна також змінює зовнішню поверхню частинок, яка сама пов'язана з реакційною здатністю вапнякового молока. На закінчення, вапнякове молоко, яке виготовлене з вапна різноманітного походження і має різні значення реакційної здатності, звичайно виявляє, навіть у випадку однакових умов гасіння, різні реологічні властивості і реакційні властивості. Крім того, оскільки реакційна здатність негашеного вапна, як правило, залежить від типу печі, що використовується для випалення вапняку і виробництва негашеного вапна, тип печі також грає роль у визначенні властивостей вапнякового молока, крім впливу походження вапняку. Таким чином, заміна негашеного вапна, яке виготовлене на конкретному підприємстві і має характеристики, які визначає певне поєднання походження вапняку, типу використовуваної печі і реакційної здатності негашеного вапна, негашеним вапном, яке виготовлене на іншому конкретному підприємстві і має характеристики, які визначає інше поєднання, що включає інше походження вапняку, інший тип використовуваної печі й іншу реакційну здатність негашеного вапна, може приводити до виникнення значних змін властивостей вапнякового молока. Це повинно обов'язково створювати наслідки відносно промислового застосування даного вапнякового молока. Іншими словами, використання вапнякового молока для конкретного застосування не тільки здійснюється з метою вибору допустимого компромісу між прийнятною в'язкістю і необхідною реакційною здатністю вапнякового молока, але також означає, що застосовувані умови для виготовлення такої вапнякової суспензії, можна використовувати для обмеженого числа або, можливо, для єдиного джерела вапна, що постачається на продаж. У крайньому випадку, це означає, що існує єдине джерело, яке є технічно можливим і економічно доцільним для виготовлення вапнякового молока, що виявляє конкретні властивості в'язкості і задану швидкість реакції. Таким чином, існує дійсна потреба в розробці вапнякового молока, властивості якого були б оптимальними і стійкими, незалежно від джерела вапняку і використовуваного способу випалювання. Відносно даної задачі в літературі описане вапнякове молоко, що має властивості, які оптимізовані для конкретних додатків. Документи WO 96/23728, DE 2714858, DE 4447321 A1, JP 2007/031212 А, CN 201316654 Y, SU 1186248 А, EP 1039964 B1 і SE 870408 описують способи обробки вапнякового молока, в яких властивості цих суспензій оптимізуються для різноманітних додатків за допомогою деагломерації і навіть подрібнення вапнякового молока, що робить можливим одержання зменшеного розміру частинок з використанням різних типів обладнання, яке іноді може бути дуже дорогим. Навіть незважаючи на те, що згадані вище документи описують способи ефективного підвищення реакційної здатності вапнякового молока, відповідний результат являє собою, проте, негативний вплив на в'язкість вапнякового молока, що одержується відомими способами. Крім того, в багатьох випадках автори компенсують це збільшення в'язкості за допомогою розбавлення, при якому зменшується вміст твердих частинок, що ніяким чином не є переважним для багатьох додатків, оскільки при цьому неминуче збільшується кількість води, яка вводиться, що приводить до рівнів розбавлення, які є надмірно високими для численних додатків. Крім того, в цих документах, які стосуються попереднього рівня техніки, не враховується вплив, який здійснюють походження вапняку, тип використовуваної печі і реакційна здатність одержуваного гідратованого вапна і, таким чином, не згадуються які-небудь рішення, що забезпечують компенсацію змін, що викликаються цим впливом. Наприклад, згідно з документом DE 27148858, під час промислової експлуатації було продемонстровано, що запропонований спосіб і відповідне обладнання функціонували надійним чином, і в результаті цього забезпечувалася належна якість вапнякового молока тільки в тому випадку, коли використовувалося порошкоподібне негашене вапно надвисокої якості, що має 3 UA 115986 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 надвисоку чистоту і однорідну реакційну здатність, що значною мірою ускладнювало здійснення описаного процесу. Інші сорти вапна надвисокої чистоти і дуже хорошої якості були описані і використані для виготовлення вапнякового молока, яке має високу реакційну здатність, що містить тонкодисперсні частинки. Згідно з документом CN 201316654 або документом EP 1039965, гасіння високочистого вапна здійснюється в кульовому млині. На жаль, для цих технологій потрібне використання джерела дуже чистого негашеного вапна, що, таким чином, перешкоджає виготовленню продукту, який має широку промислову застосовність, внаслідок високої вартості і обмеженої доступності. Згідно з документами SU 1186248, JP 2007/031212 і SE 870408, високочисте негашене вапно використовується для виготовлення суспензії, що містить ультратонкодисперсні частинки гашеного вапна. В описаному способі додається стадія розділення за розміром, щоб усунути інертний матеріал з одержуваної суспензії частинки гашеного вапна. На жаль, згадані вище відомі в рівні техніки технології у високій мірі залежать від реакційної здатності негашеного вапна, і їх основний недолік являє собою необхідність грохочення або просіювання суспензії частинок негашеного вапна, що має дуже високу в'язкість і що складається з тонкодисперсних частинок. Документ JP 2007/031212 описує ще одну відому технологію, що дозволяє компенсувати негативний вплив збільшення в'язкості, в саме — використання диспергуючих добавок, дія яких спричиняє відштовхування між частинками гашеного вапна, і, таким чином, зменшується в'язкість одержуваної в результаті суспензії (див. також документ US2004/0258612). На жаль, ці добавки в багатьох випадках виявляються небажаними для кінцевого користувача, оскільки вони приводять до введення «домішок» у вапнякове молоко і, таким чином, в процес кінцевого користувача або в кінцевий продукт, не кажучи про те, що іноді потрібно враховувати активну взаємодію диспергуючої речовини і процесу або кінцевого застосування, яке зумовлене, головним чином, активною поверхнею більшості цих добавок. Крім того, на практиці відоме зменшення питомої площі поверхні частинок з метою зменшення в'язкості (див. документ WO2005/014483). Задача даного винаходу полягає в тому, щоб подолати недоліки попереднього рівня техніки за допомогою виготовлення ультратонкодисперсного вапнякового молока, що має високу реакційну здатність і низьку в'язкість, в якому може бути використане будь-яке джерело негашеного вапна, без звернення до використання спеціальних добавок, таких як диспергуючі речовини. Щоб вирішити цю задачу, згідно з даним винаходом, поставлена мета виготовлення композиції вапнякового молока, що має високу реакційну здатність, яка, як указано вище, відрізняється тим, що вищезазначені частинки гашеного вапна являють собою частинки гашеного вапна, які мають розмір, що описується профілем розподілу частинок за розмірами, який є вузьким і мономодальним. Згідно з даним винаходом, терміни «вузький профіль розподілу» або «вузький профіль розподілу частинок за розмірами» потрібно розуміти як такі, що означають, що різниця між d 90 і d10 становить менше, ніж або дорівнює 15 мкм, переважно становить менше, ніж або дорівнює 10 мкм. Позначення dx, де 0