提纯碱金属硅酸盐溶液的方法

专利名称：提纯碱金属硅酸盐溶液的方法
技术领域：
本发明是关于提纯碱金属硅酸盐溶液的方法，更具体地说，涉及由较低纯度的常规工业硅酸盐溶液中分离高纯、稳定的碱金属硅酸盐溶液的方法。本发明还涉及由此生产的纯化碱金属硅酸盐溶液。
背景技术：
碱金属硅酸盐溶液大多是由水和不同分子量硅酸盐阴离子的分布组成，其电荷由金属阳离子和质子平衡。此外，存在着痕量的金属和阴离子的杂质。这些杂质来源于生产硅酸盐溶液所用的原料和所述生产中所用工艺设备的侵蚀。这种杂质在硅酸盐溶液使用的场合中是不希望有的。所述应用包括硅酸盐溶液用于生产含硅的催化剂，作为色谱载体以及洗涤液。杂质可存在于含硅载体的表面上，由此，使表面性能产生不希望有的变化，例如，活性和吸附性。在长期的储存过程中，杂质的存在会导致含硅固体沉淀，成为令人讨厌的残渣留在需要净化的应用场合中。
因此，理想的是提纯碱金属硅酸盐溶液，以避免杂质的有害作用。已知有许多的方法可用来生产和提纯工业纯的碱金属硅酸盐溶液，工业纯是一种能引起某些或全部不利作用的纯度等级。例如，表1列出了一些典型的工业碱金属硅酸盐溶液，所列组成和杂质均以湿基(如以浓缩物出售)和以100％的SiO2基计。当用于本发明中时，术语“工业碱金属硅酸盐溶液”(或“进料碱金属硅酸盐溶液”)，意指以100％SiO2为基测量的，具有下列杂质，Al、Fe、Ca、Mg和Ti的杂质总计至少为450ppm的碱金属硅酸盐溶液。表1以“总ppm”列出了各种工业硅酸盐溶液的杂质总量，并且所列出的第一种溶液(即，宾夕法尼亚州，Valley Forge的PQ公司销售的KASIL硅酸钾溶液)的这些杂质总量为913ppm。
一种生产碱金属硅酸盐溶液，尤其是硅酸钠溶液的通用方法，是熔融法。在这种方法中，使沙子和碳酸钠的混合物，在以燃气或燃油燃烧的回热或同流换热类型的平炉内熔融。这种方法要求纯度非常高的石英砂和碳酸钠，才能生产出基本上比表1所示的碱金属硅酸盐溶液更纯的碱金属硅酸盐溶液。
表1工业硅酸盐溶液PQ Corp.KASIL6 Zaclon硅酸钾PQ Corp.NPQ Corp.RUOccidentalVinings#9硅酸钾2.1wt.比1.8 wt.比硅酸钠3.22wt.比 硅酸钠2.4wt.比 Petroleum 42D硅 硅酸钠3.11wt. 比酸钠3.25wt.比％ SiO2261002610028.71003310030.110028.7100Al ppm 91405198 762136 473227 688190 63184 212Fe ppm 39172131 50439 1365817750 16644 111Ca ppm 381682077 11 38 2782 25 83 18 45Mg ppm 1149 8 31 6 20 1032 12 40 6 15Ti ppm 271194015439 1385215844 14634 86总 ppm 205 913397 1527 231 805375 1136 321 1066 186 469Cu ppb n.a. n.a. n.a. n.a. n.a.n.a. n.a. n.a. n.a. n.a. 400 1400Ni ppb n.a. n.a. n.a. n.a. n.a.n.a. n.a. n.a. n.a. n.a. 100 350Cr ppb n.a. n.a. n.a. n.a. n.a.n.a. n.a. n.a. n.a. n.a. 300 1000Zn ppb n.a. n.a. n.a. n.a. n.a.n.a. n.a. n.a. n.a. n.a. 10003500n.a.表示未分析按U.S.P.4,857,290号专利，首先由碱金属硅酸盐溶液制备酸性的硅溶胶，并使用阳离子交换树脂除去杂质如Ti、Fe和Al，最后由硅溶胶制备高纯的二氧化硅。例如，与较大量的树脂接触的稀硅酸盐溶液，可除去钠或钾而达到形成胶体二氧化硅(溶胶)这一点。
已经提到使用超滤装置，其膜具有的分子量截止值(cutoffs)一般高于纳米过滤装置。例如，R.K.Iler早已提到可使用超滤作用来确定硅酸盐溶液的分子量分布，但没有公开使用这样的膜由硅酸盐溶液中去除杂质。此外，U.S.P.4,857,290号专利提到了在制备酸性硅溶胶之前，使用超滤作为一种提纯碱金属硅酸盐溶液的步骤，但并没有预见该步骤的渗透液是否可作为产品碱金属硅酸盐溶液回收，而无须进一步处理。
发明概述本发明提供一种提纯工业碱金属硅酸盐溶液的方法，该法通过碱金属硅酸盐溶液流经纳米过滤装置，其膜具有的分子量截止值在约400-约3000的范围内。优选的是，分子量截止值在约400-约1000之间，更优选的是在约400-约800之间。
按照本发明的实施方案，溶液流过纳米过滤装置是通过向纳米过滤装置施加压差，以驱动进料碱金属硅酸盐溶液流过纳米过滤装置。从该装置排出两股液流，一股为滞留液，另一股为渗透液。滞留液具有高于进料碱金属硅酸盐溶液的杂质浓度，而渗透液具有低于进料碱金属硅酸盐溶液的杂质浓度。渗透液可作为纯化的碱金属硅酸盐溶液回收。
按照本发明另一实施方案，滞留液循环至滞留液槽并与进料碱金属硅酸盐溶液混合形成混合液，再将该混合液导入至纳米过滤装置。
按照本发明的优选实施方案，本发明提供一种提纯和浓缩碱金属硅酸盐溶液的方法。按照该实施方案，在降低分子量截止值的情况下，可把两种或更多种纳米过滤装置串联配置。在这种构型下，来自第一纳米过滤装置的渗透液流经第二纳米过滤装置，其分子量截止值低于第一纳米过滤装置。第二纳米过滤装置的分子量截止值足以使水分子通过，但滞留大多数的剩余分子。大约100-600(优选约150-约400)的分子量截止值可达到这样的功能。按照这一实施方案，第二滞留液可作为浓缩和纯化的碱金属硅酸盐溶液排出和收集。
本发明还提供一种通过本发明方法生产的高纯碱金属硅酸盐溶液。这种溶液由特定纯度等级、特定的SiO2碱金属比范围和硅酸盐阴离子的分子量分布来限定。
应该理解的是前面的一般描述和下面的详细说明是示范性的，而不是对本发明的限制。
附图概述当结合附图阅读时，根据下列的详细阐述，可对本发明作出最好的理解。包含在附图中的为下列附图

图1为本发明第一实施方案的示意图；和图2为本发明第二实施方案的示意图。
发明的详细说明本发明的目的在于提供一种碱金属硅酸盐溶液的提纯方法。一般说来，本发明是通过将工业碱金属硅酸盐溶液流经具有选择性孔径的纳米过滤装置而完成的。如上所述，术语“工业碱金属硅酸盐溶液”或“进料碱金属硅酸盐溶液”，表示按100％的SiO2计，含有下列杂质Al、Fe、Ca、Mg和Ti(总计)的总杂质浓度至少为450ppm的碱金属硅酸盐溶液。一些典型的浓缩工业碱金属硅酸盐溶液列于表1中。通过提纯这种工业碱金属硅酸盐溶液，本发明可起到降低杂质含量至相当可观的程度，优选把上述五种杂质的总量至少降低约50％，更好的约70％，最好的约90％。
应该认识到用于本发明中的术语“工业碱金属硅酸盐溶液”或“进料碱金属硅酸盐溶液”，是表1所列浓缩物的稀释形式。通常出售的碱金属硅酸盐溶液是以接近固体溶解度极限值时的浓度，其溶解的固体浓度尽可能的高，以降低运输费用，但又不能太高以致引起脱溶作用(desolubilization)或胶凝化。如果这种浓缩物进一步浓缩的话，就会出现脱溶作用或胶凝化作用。在本发明的提纯工艺过程中，因为水可作为渗透液通过，自然会在滞留液中出现这种进一步的浓缩作用。如果允许任何显著脱溶或胶凝化出现时，工艺过程中使用的纳米过滤装置将不再正常地运行。
词组“显著的”脱溶作用或胶凝化，是表示由于存在脱溶的固体或凝胶，防碍主要部分(例如，超过四分之一)或以上的纯碱金属硅酸盐结构物流经图1所示实施方案中的纳米过滤装置(或图2所示的第一纳米过滤装置)时的脱溶作用的程度。值得注意的是，在某些情况下，少量的脱溶作用或胶凝化是有利的，正如下文所要讨论的。这些情况产生在当使用具有较高分子量截止值(即，接近3000道耳顿)的过滤器和薄凝胶层时由于过滤器和薄凝胶层的相互作用而引起的有效分子量截止值降到足以滞留显著部分杂质，但允许纯化的产品通过的程度。
因此，溶液(如表1所示)的浓缩形式应当稀释至这样的一种程度，以致在本发明的提纯过程中，没有不显著的脱溶作用或胶凝化。通过经验观察，稀释比是易于确定。尽管准确的稀释比会随着使用的特定设备、所要求的提纯程度和所要求的产品流量而变化，但通常的稀释比是在以一份(按体积计)的水与两份浓碱金属硅酸盐溶液和两份水与一份浓溶液之间变化的。
业已发现碱金属硅酸盐溶液中的杂质一般以两种形式存在，第一组杂质，其中阳离子杂质置换硅酸盐阴离子中的硅，而第二组杂质，其中的阳离子杂质桥接在两个相邻的硅酸盐阴离子之间。金属杂质如铁、铝、钛、锆和铬(亦在其中)倾向于取代较大的硅酸盐阴离子中的硅原子。碱土金属阳离子，如钙、镁和钡，倾向于桥接在相邻的硅酸盐阴离子之间。其它阳离子，如铜、镍和锌，也倾向于桥接在相邻的硅酸盐阴离子之间。
不论哪种情况，这些杂质都会形成大于较小的硅酸盐阴离子，如硅酸盐单体、二聚体和小的线性低聚物的结构物。本发明使用不同分子量截止值的纳米过滤膜，以选择性地滞留含杂质的较大阴离子，使纯化硅酸盐溶液能通过孔隙。现已发现第一组杂质的主要部分，形成具有约3000以上的平均分子量，更大部分在约1000以上，甚至更大部分在约800以上和基本上都在400以上(本说明书中提供的所有分子量的单位都为道耳顿)的结构物。由第二组杂质所形成的至少一些结构物(即，附聚物)，具有的分子量超过3000，其中较多的结构物具有的分子量超过1000，更多超过800和基本上所有的都超过400。
另一方面，还发现了大部分的纯碱金属硅酸盐溶液的结构物，具有的分子量一般都在约100和600道耳顿之间，在某些情况下，更多的是在约150和400之间。然而，硅酸盐阴离子的分子量分布，是特定硅酸盐溶液SiO2∶Na2O比值的函数。尤其是，随着该比值的增加，较高分子量的硅酸盐阴离子的相应量也增加。因此，当SiO2∶Na2O比值特别低时，不能形成足够的较高分子量的结构物以高百分比地去除杂质。在这种情况下，应当使用分子量截止值范围在下限(即，靠近400)的膜。通常，当分子量截止值降低时，以要提纯的全部溶液所形成的产品百分比表示的产率，也随之降低。虽然，本发明在介于1.6∶1-4.0∶1，更好的是在2.4∶1-4.0∶1之间的较高SiO2∶Na2O比值下，表示有惊人的提纯作用，然而，本发明对于如上所述的所有工业碱金属硅酸盐溶液，都能起到一定的提纯的作用。
当用于本发明的词组“纳米过滤装置”表示任何一种装置或系统，只要它能把液体中大于所择截止值的分子量的结构物由低于所择截止值的分子量的结构物中分离。术语分子量截止值在过滤领域内是众所周知的，并且它表示在该分子量以上的结构物，将作为滞留液被滞留，而在该分子量以下的结构物将作为渗透液通过。在本发明中，所使用的分子量截止值，为获得所要求的纯度。一般说来，介于约400和约3000，优选介于约400和约1000，更好的是介于约400和约800的分子量截止值，对于大多数场合都是合适的。当然，所选择的特定分子量截止值，取决于许多因素，包括所要求的纯度、所要求的产率、所用的特定纳米过滤装置、所要求的流量、工业硅酸盐溶液的起始杂质含量和工业硅酸盐溶液的分子量分布。
通常对纳米过滤装置的分子量截止值提供的装置，或者根据经验很容易地确定。达到特定分子量截止值是通过制备使各孔均具有所择直径的许多孔的膜(或过滤器)。虽然用于本发明的术语“直径”，并不意味着所有孔的横截面都是圆的。事实上，许多孔不是圆的，所以术语直径仅作为横跨孔的两个边缘的近似距离使用。一般说来，相当于各种分子量截止值的孔径如下0.5nm的孔径相当于150的分子量截止值(MWCO)；2.0nm的孔径相当于1000的MWCO；3.0的孔径相当于3000的MWCO；5.0nm的孔径相当于10000的MWCO。
从市场上可买到各种各样的纳米过滤装置，其孔径适于选择性去除碱金属硅酸盐溶液中所存在的杂质。这些装置的一般用途包括水的净化、所要求分子大小的蛋白质的回收、所要求分子大小的合成药物的回收和所要求分子大小的无机胶体的回收。一些所述纳米过滤装置的制造商或卖主，包括明尼苏达州，Minnetonka的Osmonics公司；加利福尼亚州，Emryville的NewLogic公司；马萨诸塞州，Bedford的Millipore公司和加利佛尼亚州，Oceanside的Hydranautics公司。许多其它的纳米过滤装置也适合于本发明，例如Petersen,R.J.,“组合物反渗透和纳米过滤膜”，膜科学杂志，83(1993)81-150中所公开的纳米过滤装置。
优选的过滤装置是由Osmonincs公司销售的OSMO分离器。这种装置包括有一个用于从纳米过滤装置排出渗透液的端管的圆柱状渗透管；螺旋形地缠绕在渗透管上的一组薄层；以及封闭该组薄层的外壳(或金)。薄层是由用于载带渗透液径向向内地输入渗透管的渗透液载液层构成；进料碱金属硅酸盐溶液流动所沿着的筛网隔片；和用于由筛网隔片分离渗透液载液层的膜和用于滞留杂质的膜的第一和第二膜层。
当用于本发明的词组“纳米过滤装置”包括作为纳米过滤装置是已知的常规装置，如上所列。词组“纳米过滤装置”还包括任何的其它装置，只要这些装置能使液体中分子量低于上所规定的分子量截止值范围的结构物通过，而滞留液体中分子量大于上述分子量截止值范围的结构物就可以。一种这样的系统是凝胶渗透系统，它使用树脂珠的填充柱。树脂珠的设计，要使低分子量的结构物能被树脂珠所吸附，而高分子量的结构物则简单地流经珠而从柱流出。在第二步骤中，通过高纯水流经柱，而回收吸附的低分子量的结构物。凝胶渗透系统是众所周知的，并且易于为本领域技术人员所设计以适合于本发明的需要。
现参照附图，其中对同样的参考值是指同样的部件，图1表示本发明实施方案的示意图。进料槽4贮存工业碱金属硅酸盐溶液，例如表1所示的一种硅酸盐溶液的稀释形式。泵6对溶液进行加压而将其输往滞留液槽10。泵12由滞留液槽10抽吸溶液，并沿管线13把溶液送进纳米过滤装置14，在那里进料被提纯。
从纳米过滤装置14排出两股液流，管线15中的滞留液和管线17中的渗透液。滞留液是被纳米过滤装置14的膜所滞留的部分进料流，因此，它具有高于进料碱金属硅酸盐溶液的杂质浓度。渗透液是流过纳米过滤装置14的膜以后的部分进料流，因此，它具有低于进料碱金属硅酸盐溶液的杂质浓度。渗透液作为纯化的碱金属硅酸盐溶液从管线17中排出并贮存在产品槽18中。
优选方案，如图1所示，滞留液经管线15循环返回至滞留液槽10，在那里与通过泵6从进料槽4加入的进料碱金属硅酸盐溶液混合而形成混合物。该混合物以与引入原料同样的方式接着或连续引入纳米过滤装置14。在滞留液槽中的杂质浓度由于循环而变成过高时，系统必须清洗并且充以新鲜的工业碱金属硅酸盐溶液。
压力表/阀19a和19b分别安置在管线13和15上。阀的作用是在跨接纳米过滤装置14产生有选择性的压差(压差的目的将在下文说明)。为了保持合适的流量，压力表是简单地检测纳米过滤装置14的入口和出口处的压力。
根据本发明，工业碱金属硅酸盐溶液流经纳米过滤装置。这是通过对横跨纳米过滤装置施加压差，以驱动工业碱金属硅酸盐溶液流经纳米过滤装置而实施。正如附图所示，正压力泵12可用于往纳米过滤装置相对不纯的一侧施加压力。换句话说，真空泵(未画出)放在纳米过滤装置14的出口处。对特定系统所施加的压力水平，是由所要求的纯度等级、所要求的流量、膜的分子量截止值和进料流的浓度来确定的。更具体地说，理想的是至少具有相当流量，以尽可能纯化大多数的碱金属硅酸盐溶液。因此，所施加的压力必须在通过有足够流量的实践关系而确定在最低的水平以上。
当施加较高压力时，流量增加，流经膜的杂质结构物的百分比也有些增加。认为当压力增加时，迫使某些较大的杂质结构物通过膜。但当施加的压力进一步增加时，则发现，流经膜的杂质结构物百分比达到不再增加的点上(事实上，在某些情况下实际上是在降低)。因此认为，在这些较高的压力水平下，在膜上形成薄凝胶层，而该凝胶层对较高分子量的杂质起到过滤的作用。对于任何特定的系统来说，最大的压力是纳米过滤装置可承受而无机械损伤时的最高压力。
基于这一信息，在特定系统所要求的流量和所要求的纯度下，本领域内的一般技术人员很容易为获得碱金属硅酸盐溶液所必须的压力。例如，已经发现当使用实施例中所用的纳米过滤装置时，通过改变滞留液通过调压阀19b的流速，施加约95和400psi的压降是合适的。认为依据上述讨论过的诸因素，从真空到1000psi的压力范围，是可以使用的。
图2表示本发明第二实施方案的示意图。进料槽4、泵6、滞留液槽10、泵12和压力表/阀19a、19b以及19c全部都按图1相同方式运行。在图2所示的实施方案中，第一纳米过滤装置20与第二纳米过滤装置22是串联配置。第二纳米过滤装置22的膜的分子量截止值低于第一纳米过滤装置20的膜的分子量截止值。工业碱金属硅酸盐溶液首先输入第一纳米过滤装置20，在那里排出第一滞留液和第一渗透液。第一滞留液经管线21再循环至滞留液槽10。第一渗透液经管线23全部流入第一产品槽24，在送至第二纳米过滤装置22前，用泵25加压至较高的压力。压力表/阀28用于测量压力。
把输送至第二纳米过滤装置22的第一渗透液分成第二滞留液和第二渗透液。在这种情况下，第二渗透液，大部分是水，可经管线27循环至进料槽4或者经管线29排放。第二滞留液作为进一步提纯的和浓缩的产品排出并且可经管线15进入第二产品槽26中。应当对第二纳米过滤装置22的分子量截止值进行选择，使其大于水分子的分子量，但低于与基本上纯的碱金属硅酸盐溶液缔合的分子的分子量。通常，该值介于100和600道耳顿，优选介于约150和400道耳顿。正如根据这种构型而理解，可以获得两种具有不同纯度等级的产品(和不同的碱与硅酸盐比)。可采用的其它方法包括增加两种以上串联的纳米过滤装置，并改变各纳米过滤装置的分子量截止值。这种实施方案，其中的纯化溶液是浓缩过的，因为运输价降低，所以特别有利。
本发明的另一目的在于通过本发明的方法生产高纯碱金属硅酸盐溶液。如上所述，本发明的方法能除去表1所列的前面五种金属，其总杂质含量是按“总ppm”识别的。本发明纯化的碱金属硅酸盐溶液优选具有低于300，更好的是低于100，最好的是低于20的杂质含量(按“总ppm”计。)此外，由于除去了一些较高分子量的硅酸盐阴离子(而不除去较低分子量的碱金属阴离子(例如，Na2O或K2O))，所以使硅酸盐碱金属比降至某一程度。该比值降低所达到的程度(通常以SiO2∶Na2O或SiO2∶K2O表示)取决于净化前的起始比例、所用过滤装置的分子量截止值和净化前溶液的组成诸因素。最终，通过除去一些较大分子的分子量(和，在图2中所示实施方案的情况下，较低分子量)，使纯化溶液的分子量分布较净化前更为压缩。分子量分布的压缩程度主要取决于所用的过滤装置的分子量截止值。
按照本发明，硅酸盐单体、二聚体和小的线型低聚物以及碱金属如钠和钾通过纳米过滤装置，而含杂质的较大结构物(即取代的硅或桥接在两个硅酸盐阴离子之间的阳离子杂质)被装置所滞留。与制备大量的固定硅酸盐纯度对比，本发明在达到所要求的硅酸盐纯度中，通过改变膜的孔径和工艺条件，如在炉中，提供了灵活性。本发明还可避免工艺设备如炉子的耐火材料的腐蚀，因为这会增加硅酸盐熔体的杂质。本发明还能生产较稳定的、纯化的碱金属硅酸盐溶液，它至少可贮藏一年的时间。此外，纳米过滤装置的膜易于清洗。最后，本发明的方法不需要加入其它的成分，如在至少一种现有技术的工艺过程中所使用的无机酸，这会增加阴离子的杂质。
实施例下面的实施例用来更加清楚地证明本发明的全部特征。这些实施例是示范性的，而不是对本发明的限制。
在所有的实施例中，依据实施例，使用类似于示于图1或2中的示意图的系统。大多数系统的组成部分都可从制造纳米过滤装置的同一公司得到，所以该系统可作为单元出售。所用的泵是常规的离心泵。各实施例之间的变化仅在于特定的工业碱金属硅酸盐溶液、纳米过滤装置和所施加的压力。在所有的实施例中，都是使用导电性偶合等离子体原子发射光谱检测产品中的杂质含量。各个实施例的条件如下。
实施例1由宾夕法尼亚州，Valley Forge的PQ公司，以商标KASIL6出售的硅酸钾溶液(其详情列于表1)，是以一份体积的KASIL6溶液用一份体积的高纯(＞18兆欧姆电阻率)的水进行稀释。使溶液流经纳米过滤装置，该装置是由Millipore公司以商标UF003 LA出售的，在200psi下它具有1000的分子量截止值(MWCO)。来自第一纳米过滤装置的渗透液，通过流经400psi下的第二纳米过滤装置(具有150的MWCO)而被浓缩，该装置是由Millipore公司以商标Nanomax95出售的。由第二纳米过滤装置的滞留液作为浓缩的产物收集，并测量其杂质含量。
实施例2由PQ公司以商标N出售的硅酸钠溶液(其详情列于表1)，以1份体积的N溶液用1份体积高纯(＞18兆欧姆电阻率)的水进行稀释。使溶液流经200psi下的UF003 LA纳米过滤装置(具有1000的MWCO)。来自该纳米过滤装置的渗透液经用泵加压后流经400psi下的Nanomax95纳米过滤装置(具有150的MWCO)而被浓缩。由Nanomax95纳米过滤装置的滞留液作为浓缩的产品保留，并且测量其杂质含量。
实施例3N硅酸钠溶液以1份体积N硅酸钠用1份体积的高纯(＞18兆欧姆电阻率)的水进行稀释。使溶液流经95psi下的由Osmonics公司销售的、商标为BP02的纳米过滤装置(具有750的MWCO)。收集渗透液并测量其杂质含量。
实施例4
由PQ公司以商标RU出售的硅酸钠溶液(其详情列于表1，具有的比值为2.4wt.比)，以1份体积的RU硅酸钠用1份体积的高纯(＞18兆欧姆电阻率)的水进行稀释。使溶液流经95psi下的BP02纳米过滤装置(具有750的MWCO)。收集渗透液并测量其杂质含量。
实施例4ARU硅酸钠溶液以1份体积的RU硅酸钠用1份体积的高纯(＞18兆欧姆电阻率)的水进行稀释。使溶液流经在95psi下的、由Osmonics公司以商标BQ01销售的纳米过滤装置(具有600的MWCO)。收集渗透液并测量其杂质含量。
实施例5N硅酸钠溶液以1份体积的N硅酸钠用1份体积的高纯(＞18兆欧姆电阻率)的水进行稀释。使溶液流经400psi下的、由Millipore公司以商标Nanomax50销售的纳米过滤装置(具有400的MWCO)。来自该纳米过滤装置的渗透液，在通过流经400psi下的Nanomax95纳米过滤装置(具有150的MWCO)浓缩。由Nanomax95纳米过滤装置的滞留液被作为浓缩的产品保留，并且测量其杂质含量。
实施例6N硅酸钠溶液以1份体积的N硅酸钠用1份体积的高纯(＞18兆欧姆电阻率)的水进行稀释。使溶液在200psi下，流经加利福尼亚州，Oceanside,Hydranautics公司制造的纳米过滤装置(具有800的MWCO)，并通过由加利福尼亚州，Emeryville,New Logic公司买到的商标NTR-7410进行鉴定。收集渗透液，并测量其杂质含量。
实施例7N硅酸钠溶液以1份体积的N硅酸钠用1份体积的高纯(＞18兆欧姆电阻率)的水进行稀释。使溶液在200psi下，流经UF003 LB纳米过滤装置(具有3000的MWCO)。来自该纳米过滤装置的渗透液通过用泵，流经400psi下的Nanomax50纳米过滤装置(具有400的MWCO)浓缩。由Nanomax 50纳米过滤装置的滞留液被作为浓缩产品保留，并测量其杂质含量。
表2列出了所有7个实施例的杂质测量结果。正如所见，所有7个实施例都表明对前面5种杂质的含量都至少有些降低。实际上，实施例1-7的碱金属硅酸盐溶液中的总杂质含量分别降低如下93.2％、92.0％、71.3％、51.5％、76.3％、98.1％、61.9％和83.7％。有意思的是，显示降低百分比最高的四个实施例(实施例1、2、5和7)，是四个流经两个纳米过滤装置的溶液。尽管实施例3、4和6的溶液仅流经一个纳米过滤装置，但各例都还是表明杂质有明显降低。解释实施例4降低较少的原因，至少是部分，是因为使用的碱金属硅酸盐具有较低的SiO2∶Na2O重量比(即，RU硅酸钠溶液，这表示硅酸盐阴离子的分布不同)。更具体地说，当使用SiO2∶Na2O重量更低的碱金属硅酸盐溶液时，存在的硅酸盐阴离子的分子量不高。实施例4A表明较低MWCO膜能减少RU硅酸钠溶液更多的杂质。
尽管在此参照了某些具体的实施方案和实施例而进行举证和说明，但本发明依然不是用来限制所述的细节的。相反地，应当阅读权利要求书，以便在权利要求书等效方案的领域和范围内，概括各种改进方案，而不偏离本发明的精神。
表2纳米过滤的硅酸盐中的杂质，基于100％SiO2实施例123 44A567碱金属种类 钾钠 钠钠钠 钠 钠钠Al ppm 35.4 43.9 174 403 1836287 86Fe ppm 1.9 2.8155226 ＜34317Ca ppm 23.2 13.8 212729 ＜31311Mg ppm 0.6 1 0.4 0.6 0.30n.d. n.d.
Ti ppm 1.3 2.9207330 ＜36817总 ppm 62.5 64.3 231 555 269 ＜15 307 131Cu ppb 190 26.8 107 191 1608 n.a. n.a. n.a.
Ni ppb 709 n.a. 322 1370 257n.a. n.a. n.a.
Cr ppb 120 58 13113 51 n.a. n.a. n.a.
Zn ppb 160 88 291 436 193n.a. n.a. n.a.n.a.表示未分析
权利要求
1．一种提纯碱金属硅酸盐溶液的方法，该法包括的步骤有把进料碱金属硅酸盐溶液引入纳米过滤装置，其膜具有的分子量截止值范围在约400-约3000道耳顿；使所述进料碱金属硅酸盐溶液流经所述纳米过滤装置，以形成杂质浓度较所述进料碱金属硅酸盐溶液高的滞留液和杂质浓度较所述进料碱金属硅酸盐溶液低的渗透液；和排出所述渗透液作为纯化的碱金属硅酸盐溶液。
2．按权利要求1所述的方法，其中所述分子量截止值在约400-约1000道耳顿的范围内。
3．按权利要求2所述的方法，其中所述分子量截止值在约400-约800道耳顿的范围内。
4．按权利要求1所述的方法，进一步包括通过将所述滞留液与所述进料碱金属硅酸盐溶液混合而循环所述滞留液以形成混合物，并把所述混合物引入所述的纳米过滤装置。
5．按权利要求1所述的方法，其中使所述进料碱金属硅酸盐溶液流过所述纳米过滤装置的步骤包括向横跨所述纳米过滤装置施加压差，以驱动所述进料碱金属硅酸盐溶液流经所述纳米过滤装置。
6．按权利要求1所述的方法，进一步包括使所述渗透液流经分子量截止值低于所述第一纳米过滤装置所具有的分子量截止值的第二纳米过滤装置；和排出所述第二滞留液作为浓缩和纯化的碱金属硅酸盐溶液。
7．按权利要求6所述的方法，其中所述第二纳米过滤装置的分子量截止值在约100-约600道耳顿的范围内。
8．按权利要求7所述的方法，其中所述第二纳米过滤装置的分子量截止值在约150-约400道耳顿的范围内。
9．一种提纯碱金属硅酸盐溶液的方法，包括的步骤有把进料碱金属硅酸盐溶液引入纳米过滤装置，其膜具有许多孔，它的直径足以滞留至少分子量截止值在约400-约3000道耳顿范围内的分子量结构物，其中所述进料碱金属硅酸盐溶液具有的第一组杂质，它置换平均分子量约3000道耳顿以上的硅酸盐阴离子中的硅原子，而第二组杂质，倾向于桥接在硅酸盐阴离子之间，形成分子量至少在约3000道耳顿以上的一些结构物；向所述纳米过滤装置施加压差，以驱动所述进料碱金属硅酸盐溶液流经所述纳米过滤装置，以形成具有所述第一组和所述第二组杂质浓度都高于所述进料碱金属硅酸盐溶液杂质浓度的滞留液，和具有所述第一组和所述第二组杂质浓度都低于所述进料碱金属硅酸盐溶液的渗透液；和排出所述渗透液作为纯净的碱金属硅酸盐溶液。
10．按权利要求9所述的方法，其中所述第一组杂质选自铁、铝、钛、锆、和铬中的至少一种；和所述第二组杂质选自钙、镁、钡、铜、镍和锌中的至少一种。
11．按权利要求9所述的方法，其中施加压差的步骤包括施加约200-约400psi的压力。
12．一种提纯进料碱金属硅酸盐溶液的方法，其中，改进在于使所述进料碱金属硅酸盐溶液流经纳米过滤装置，其膜具有的分子量截止值在约400-约3000范围内。
13．按权利要求12所述的方法，其中所述分子量截止值在约400-约1000范围内。
14．按权利要求13所述的方法，其中所述分子量截止值在约400-约800范围内。
15．按权利要求12所述的方法，其中使所述进料碱金属硅酸盐溶液流经纳米过滤装置以形成渗透液的步骤；和所述方法进一步包括排出所述渗透液作为纯化的碱金属硅酸盐溶液。
16．一种提纯碱金属硅酸盐溶液的方法，包括的步骤有把进料碱金属硅酸盐溶液引入第一纳米过滤装置，其膜具有约400-约3000范围内的第一分子量截止值；使所述进料碱金属硅酸盐溶液流经所述纳米过滤装置，以形成杂质浓度高于所述进料碱金属硅酸盐溶液的第一滞留液和杂质浓度低于所述进料碱金属硅酸盐溶液的第一渗透液；使所述第一渗透液流经第二纳米过滤装置，其第二膜具有低于所述第一分子量截止值的第二分子量截止值，以形成第二渗透液和第二滞留液；和排出所述第二滞留液作为浓缩和纯化的碱金属硅酸盐溶液。
17．按权利要求16所述的方法，其中所述第一分子量截止值在约400-约1000的范围内，所述第二分子量截止值在约100-约600的范围内。
18．按权利要求17所述的方法，其中所述第一分子量截止值在约400-约800的范围内，所述第二分子量截止值在约150-约400的范围内。
19．一种按照权利要求1所述的方法生产的纯化碱金属硅酸盐溶液。
20．一种按照权利要求9所述的方法生产的纯化的碱金属硅酸盐溶液。
21．一种按照权利要求12所述的方法生产的纯化碱金属硅酸盐溶液。
22．一种按照权利要求16所述的方法生产的浓缩和纯化的碱金属硅酸盐溶液。
全文摘要
一种提纯工业碱金属硅酸盐溶液的方法,包括使该碱金属硅酸盐溶液流经有400—3000道耳顿的分子量截止值的纳米过滤装置。优选是,分子量截止值在400—1000道耳顿,更好的是在400—800道耳顿。这样,碱金属硅酸盐溶液中的大部分杂质,倾向于与较高分子量的硅酸盐缔合,而被除去。使用压差以驱动溶液穿过装置,渗透液作为纯化碱金属硅酸盐溶液从该装置排出。来自该装置的滞留液优选再循环至加料碱金属硅酸盐溶液以形成混合物,再将该混合物引入到纳米过滤装置。可以串联使用其分子量截止值是下降的两台或更多台装置,以便获得更浓形式的纯化硅酸盐溶液。当使用两台装置时,第二台装置的分子量截止值足以使水分子通过但滞留大多数的滞留分子。为了达到这一点,约100—600道耳顿,优选约150－约400道耳顿的分子量截止值是合适的。
文档编号C01B33/32GK1299335SQ99805876
公开日2001年6月13日 申请日期1999年4月14日 优先权日1998年4月16日
发明者乔纳森·L·巴斯, 坦亚·戴德－菲古罗 申请人:Pq控股公司