Кремний: характеристики, особенности и области применения. Об аморфном диоксиде кремния Пищевая добавка диоксид кремния аморфный

Изобретение относится к технологии химической переработки минерального сырья, в частности к способам получения высокодисперсного диоксида кремния - аналога белой сажи, применяемого в качестве минерального наполнителя в отраслях промышленности, использующих высокодисперсные наполнители. Способ включает стадии измельчения исходного кремнийсодержащего сырья, в качестве которого используют природную горную породу - диатомит с высоким, до 70-75%, содержанием связанного аморфного кремнезема, приготовления шихты при соотношении Ж:Т равном 4-6:1, переработки последней с получением раствора жидкого стекла, отделения образовавшегося осадка, осаждения диоксида кремния из полученной жидкой фазы минеральной кислотой постадийно под контролем pH среды, выделения образовавшегося целевого продукта фильтрацией с последующей его многократной промывкой водой и сушкой, при этом диатомит измельчают до получения фракции с тониной помола не более 0,01 мм и предварительно подвергают обжигу при температуре 600-900°C в течение 1-1,5 часа, а переработку шихты ведут в режиме кавитирующей среды, создаваемой электроимпульсным или гидродинамическим способом. Технический результат изобретения заключается в упрощении процесса за счет создания безавтоклавного, энергетически более выгодного процесса и получении продукта с высокой реакционной способностью и широким диапазоном промышленных свойств. 6 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 ил., 13 пр.

Рисунки к патенту РФ 2474535

Аморфный кремнезем является многоцелевым материалом и применяется в различных отраслях промышленности. Наиболее широко он используется для производства особого вида силиконовой резины, в качестве адсорбента, или как составная часть строительных сухих смесей и в лакокрасочной промышленности, более того является постоянным компонентом для многих продуктов и изделий парфюмерной промышленности. Для некоторых видов шинной резины, применяемой для производства высококачественных покрышек, в качестве наполнителя может использоваться аморфный кремнезем с довольно жесткими техническими характеристиками.

Кремнеземы - общее обозначение для соединений, имеющих химическую формулу SiO 2 . Аморфный кремнезем (высокодисперсный кремнезем - ВДК) - это высокодисперсное химическое соединение, которое представляет собой рыхлый порошок белого цвета, содержащий не менее 95-99,8% диоксида кремния. Его особенностями являются высокая удельная поверхность, рыхлая упаковка первичных частиц и агрегатов, что обусловливает большой объем пор и, соответственно, высокую влаго- и маслоемкость, хорошие загущающие и структурообразующие свойства.

Весь ВДК условно делится на два класса - пирогенный и осажденный.

Пирогенный ВДК получают путем сжигания четыреххлористого кремния в потоке кислорода и водорода, в итоге получается высокодисперсный аморфный диоксид кремния и хлористый водород в газообразном состоянии. Данное производство требует больших энергозатрат и серьезных мер по взрывобезопасности. В отличие от пирогенного, осажденный ВДК получают, например, из природного минерального сырья - горных пород, таких как перлит, обсидиан, диатомит, нефелин, трепелы, из силикатного сырья, кварцевого песка [патент RU № 2085488, кл. C01B 33/18, опубл. 27.07.97] и из "полуфабрикатов" - отходов высококремнистого ферросилиция [патент RU № 2036836, кл. C01B 33/12, опубл. 09.06.95], производства бора или боросиликатных материалов [патент RU № 2170211, кл. C01B 33/12, 10.07.2001], из отходов апатитового производства [авт. свид. SU № 856981 30.01.93] и ферросплавного производства [патент РФ № 2237015, кл. C01B 33/18, опубл. 27.09.2004], из колошниковой пыли процесса газоочистки электротермического производства кремния на предприятиях алюминиевой промышленности [патент RU № 2031838, 27.03.95] и др.

Известен способ выделение диоксида кремния из стекловатой вулканической породы, в качестве которой используют перлит, обсидиан, пемзу с содержанием кремнезема - 69-75% [Патент RU № 1791383, C01B 33/12, 30.01.93 г].

Способ включает измельчение кремнеземсодержащего сырья до получения фракции порядка 0,1 мм, обработку раствором щелочи при концентрации Na 2 O - 100-200 г/л и соотношении Ж:Т=2-4 в течение 1-5 ч с последующим удалением осадка из жидкой фазы. Последнюю подвергают магнитной обработке при напряженности электромагнитного поля 500-1100 кА/м и скорости прохождения жидкой фазы 2-4 м/с, обработанный таким образом раствор нагревают до кипения, добавляют оксид кальция и нитрат алюминия и кипятят. Массу фильтруют, а полученное жидкое стекло подвергают обработке минеральной кислотой. Осажденный диоксид кремния отфильтровывают, промывают и сушат.

Время осуществления всего процесса - 8-10 ч, выход целевого продукта - (к массе исходного сырья) - 30-60%, содержание SiO 2 в конечном продукте до 98%.

Недостатком известного способа является трудоемкость процесса, регламентируемая используемым исходным сырьем, невысокая степень извлечения диоксида кремния из минерального сырья и недостаточно высокая удельная поверхность получаемого продукта.

Известен способ получения аморфного диоксида кремния, включающий измельчение кремнийсодержащего сырья, обработку последнего щелочным реагентом при 150-170°C, отделение образовавшегося осадка и осаждение диоксида кремния из полученной жидкой фазы минеральной кислотой, выделение образовавшегося диоксида кремния фильтрацией, последующую его промывку и сушку [Патент № 2261840, кл. C01B 33/12, C01B 33/18, опубл. 2005.10.10].

В качестве исходного кремнеземсодержащего сырья используют природную горную породу - маршалит, измельчение осуществляют в центробежном аппарате с числом оборотов не менее 10000 об/мин и центробежным фактором не менее 20 g. до получения фракции с тониной помола 10-15 мкм, последнюю подвергают щелочной обработке при давлении 4,5-5,5 атм. 8-10%-ным раствором гидроксида натрия, взятым в соотношении Ж:Т=4,5-5,5:1, осаждение диоксида кремния ведут 45-50%-ной азотной кислотой при соотношении Ж:К=3-3,5:1 путем дозированной загрузки азотной кислоты в течение 0,5-1 ч до получения нейтрального значения pH, сначала промывку целевого продукта ведут 10-12%-ной азотной кислотой, а далее не менее чем пятикратным количеством горячей воды и сушат.

Недостатком известного способа является ограниченная сырьевая база для получения диоксида кремния.

Кроме того, известный способ не позволяет получать конечный продукт с заранее заданными свойствами, например с определенной удельной поверхностью диоксида кремния, а утверждение, что возможно получение продукта с широким диапазоном удельной поверхности, не подтверждено экспериментально.

Наиболее близким техническим решением является способ получения аморфного диоксида кремния, в котором в качестве исходного кремнийсодержащего сырья используют природные горные породы с высоким содержанием связанного аморфного кремнезема до 70-75%, например перлит, обсидиан, пемзу, витрокластический туф, диатомит, кизельгур, вулканический пепел с минимальным содержанием кристаллической фазы, не более 10-15% и др. [Пат. РФ № 2261840, C01B 33/12, 33/18, 18.06.2004].

Способ включает стадии измельчения кремнийсодержащего сырья, проводимой в вибромельнице с шарами из керамики или агата до получения фракции с тониной помола не более 10 мкм, обработки последнего щелочным агентом в автоклаве при повышенных давлении и температуре (180-200°C и 6,5 атм) с получением раствора жидкого стекла, а для получения аморфного диоксида с заданной удельной поверхностью обработку щелочным агентом ведут с концентрацией его, выбираемой согласно номограмме, отделение образовавшегося осадка, осаждение диоксида кремния из полученной жидкой фазы минеральной кислотой, при этом осаждение диоксида кремния из полученной жидкой фазы проводят минеральной кислотой путем первоначальной загрузки ее в количестве, обеспечивающем получение pH 12 смеси, выдержки смеси при постоянном перемешивании в течение 10-15 мин, и последующей загрузки кислоты в количестве, обеспечивающем pH 10 смеси, повторной выдержки смеси при постоянном перемешивании в течение 10-15 мин и окончательной загрузки кислоты до получения pH 7 смеси, при этом перед каждым введением кислоты в жидкую фазу дополнительно вводят воду в количестве 8-10%.

Образовавшийся целевой продукт отделяют фильтрацией с последующей его промывкой многократно горячей водой и сушкой.

Для определения концентрации щелочного агента предлагается использовать номограмму, состоящую из двух осей ординат, одна из которых обозначает удельную поверхность аморфного диоксида, а другая - значение концентрации щелочи, общей оси абсцисс, обозначающей модуль получаемого жидкого стекла, и двух экспериментально построенных кривых, первая из которых отображает зависимость удельной поверхности от условного модуля стекла, а вторая отображает зависимость модуля стекла от используемой концентрации щелочи.

Обработку щелочным агентом ведут при соотношении Ж:Т, равном 6-6,5:1 в течение 1-2,5 ч при температуре 170-200°C, давлении 6,5-7 атм.

Указанный способ позволяет получать продукт с заранее заданными физико-техническими характеристиками, однако, в целом, способ достаточно сложен в реализации, требует очень точного исполнения технологического регламента, создания высокой температуры и давления.

Задачей изобретения является упрощение процесса за счет создания безавтоклавного, энергетически более выгодного способа получения аморфного диоксида кремния

Задачей изобретения является также получение продукта с высокой реакционной способностью и широким диапазоном промышленных свойств.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе получения аморфного диоксида кремния, включающем стадии измельчения кремнийсодержащего сырья, до получения фракции с тониной помола не более 0,01 мм, приготовления шихты при соотношении Ж:Т, равном 4-6:1, переработки последней с получением раствора жидкого стекла, отделения образовавшегося осадка, осаждения диоксида кремния из полученной жидкой фазы минеральной кислотой постадийно под контролем pH среды, выделения образовавшегося целевого продукта фильтрацией с последующей его многократной промывкой водой и сушкой, измельченное кремнийсодержащее сырье предварительно подвергают обжигу при температуре 600-900°C, а переработку шихты ведут в режиме кавитирующей среды, создаваемой электроимпульсным или гидродинамическим способом.

Предпочтительно в качестве исходного кремнийсодержащего сырья использовать природные горные породы с высоким до 70-75%, содержанием связанного аморфного кремнезема, преимущественно диатомит.

Целесообразно обжиг измельченного кремнийсодержащего сырья вести в течение 1-1,5 часа.

Предпочтительно переработку шихты вести при температуре 80-90°C в электроимпульсном реакторе при напряжении и мощности 5-10 кВ и 1,2-1,5 кВт соответственно и частоте следования импульсов - 2-7 Гц или в кавитационном диспергаторе в течение 2,5-3,5 ч при 1500-3000 об/мин и температуре 80-90°C.

Целесообразно переработку в электроимпульсном реакторе вести в течение 1,0-2,0 ч при периодическом перемешивании шихты через каждые 0,5 ч, а в качестве минеральной кислоты использовать азотную, серную или соляную кислоты, преимущественно 40-50% азотную кислоту, а промывку целевого продукта дополнительно вести слабым 2-5% раствором азотной кислоты.

На фиг.1 представлены ИК спектры кремнезема, осажденного из жидкого стекла, синтезированного автоклавным способом.

На фиг.2 - ИК спектры кремнезема, осажденного из жидкого стекла, синтезированного электроимпульсным способом.

На фиг.3 - электронно микроспопические изображение кремнезема, синтезированного электроимпульсным способом.

а) электронно микроспопические изображение кремнезема, синтезированного электроимпульсным способом,

б) электронно микроспопические изображение кремнезема, полученного в автоклаве.

Используемый в данном процессе искровой разряд обладает не только огромной разрушающей способностью, но и сказывается на характере протекания возникающих при этом химических реакций и их конечных результатах.

Кратко перечислим факторы, действующие при электроимпульсном разряде:

(а) Возникают высокие и сверхвысокие импульсные гидравлические давления, с которыми связаны ударные волны, двигающиеся с звуковыми и сверхзвуковыми скоростями порядка сотен метров в секунду.

(б) Дополнительно начинают действовать мощные импульсно возникающие кавитационные процессы, способные охватить относительно большие объемы жидкости. Образование кавитационных полостей происходит следующим образом. В местах, куда проникают ультразвуковые волны, периодически происходит сжатие или растяжение. Ультразвуковые волны в местах разряжения вызывают разрыв жидкости с образованием микроскопической полости. В эту полость проникают из окружающей жидкости ее пары и растворенные в ней газы. Возникающие полости быстро захлопываются под влиянием последующего сжатия. Это явление называется кавитацией. Продолжительность жизни кавитационного пузырька почти соизмерима с периодом звукового колебания. В диапазоне высоких ультразвуковых частот она составляет миллионные доли секунды. Предполагается, что в кавитационной полости возникают большие электрические напряжения и высокие температуры. При этих условиях присутствующие в кавитационной полости молекулы и атомы газов подвергаются процессам ионизации и диссоциации. В кавитационной полости, например, диссоциируют молекулы H 2 O и OH. В связи с тем, что в кавитационной полости возникают богатые энергией вещества (ионизированные и активированные молекулы и свободные радикалы), был открыт ряд явлений, свидетельствующих о протекании принципиально новых реакций. До настоящего времени эта часть электроимпульсного эффекта изучена недостаточно полно.

(в) Искровой разряд сопровождается инфра- и электрозвуковым излучением.

(г) Электроимпульсный удар может вызвать расслаивание твердого тела на молекулярном уровне, например, сопряженном с деталями строения кристаллической решетки минерала, в том числе полимеризацию, обрыв сорбционных и химических связей и изменение других деталей синтеза.

Указанные процессы способствуют более тонкой дезинтеграции исходного вещества при переходе диатомита в жидкое стекло и придают жидкому стеклу дополнительные энергетические импульсы. Изучение электрохимических процессов, связанных с синтезом кремнезема, позволяют утверждать, что электроимпульсный эффект влияет на химические свойства структурных группировок SiO 4 , входящих в состав синтезированного при его воздействии жидкого стекла, возможно, это проявляется в усилении силонольных связей. При этом сохраняется особая «кристаллохимическая память», влияющая на структуру осажденного кремнезема. Электроимпульсный эффект создает в жидком стекле дополнительные связи Si-O-Si, которые проявляются затем в кремнеземе. Кроме того, кремнезем, синтезированный из высокореакционного жидкого стекла, имеет более высокий отрицательный заряд на поверхности частиц.

Процесс синтеза кремнезема из диатомита включает следующие стадии:

1 - измельчение диатомита до фракции 0-0,01 мм,

2 - обжиг молотого диатомита в электропечи,

3 - приготовление шихты,

4 - переработка шихты в ЭИ реакторе,

5 - охлаждение и фильтрация суспензии;

6 - осаждение кремнезема,

7 - фильтрация суспензии: кремнезем + сульфат Na,

8 - промывка кремнезема,

Для осуществления электрохимических процессов, связанных с синтезом кремнезема, при выборе горной породы необходимо иметь в виду две особенности: реакционную способность породы и ее химический состав. Под реакционной способностью имеется в виду способность породы вступать в реакцию с щелочными растворами.

Вторая особенность горной породы, которая пригодна для получения жидкого стекла, чтобы содержание SiO 2 кремнезема в породе было не менее 70-80%. Этим двум условиям удовлетворяет и диатомит.

Макроскопически диатомит представлен слабо сцементированной породой светло-серого цвета с неясно выраженной слоистой текстурой.

В таблице 1 представлен химический состав природных образцов диатомита Ахматовского месторождения (вес.%), где 1, 2 - природный диатомит Ахметовского месторождения, а - в естественном виде, б - в пересчете на сухое вещество.

Таблица 1
Оксиды	1	2
а	б	а	б
SiO 2	78,16	85,8	79,58	87,80
TiO 2	0,52	0,58	0,37	0,4
Al 2 O 3	5,6	6,16	5,6	6,1
Fe 2 O 3	3,07	3,38	3,11	3,43
CaO	0,42	0,47	0,27	0,29
MgO	0,80	0,89	0,79	0,87
Na 2 O	0,00	0,00	0,00	0,00
K 2 O	1,61	1,78	1,16	1,28
SO 3	0,84	0,93	0,12	0,13
П.п.п.	8,9	-	9,44	-
Сумма	100	100	100	100

В необожженной породе кремнезема содержится довольно значительное количество OHn-групп в виде гидроксила, молекулярной воды и органического вещества в виде групп CHn. Органическое вещество, реагируя с щелочным раствором в процессе эксперимента, придает жидкому стеклу черную окраску и затрудняет очистку синтезированного SiO 2 , значительно увеличивая процесс промывки. При температуре 600° и выше органическое вещество сгорает и тем самым обеспечивает высокую чистоту синтезированного аморфного кремнезема. При этом получается целевой продукт светло-кремового оттенка с минимальным содержанием органических примесей.

В том случае, если возникает необходимость понижения в диатомите оксидов железа, может быть рекомендован обжиг диатомитового порошка при температуре порядка 900°С. При этом оксиды железа, присутствующие в диатомите, переходят в минеральную форму гематита и легко извлекаются методом электромагнитной сепарации, не загрязняя целевой продукт.

Таким образом, приведенные выше данные со всей очевидностью показывают необходимость предварительного обжига при 600-900°C.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Сырой диатомит в комовом состоянии подсушивается при температуре 100-105°C, затем измельчается в мельнице до фракции - 0,2 мм.

2. Обжиг молотого диатомита производится в электропечи в специальных металлических каретках с низкими бортами, при температуре не менее 600°C в течение 1 ч.

4. Приготовление шихты.

Шихту можно готовить непосредственно в реакторе. В зависимости от параметров требуемого по рецептуре жидкого стекла (главным образом модуля) исходные компоненты вводят в реактор в следующих количествах:

- вода	- 4000 см 3 .
- диатомит	- 1000 г,
- твердый NaOH	- 500 г.
Соотношение	Ж:Т=8:3

Последовательность смешения компонентов следующая: вода твердый NaOH диатомит. Далее шихта перемешивают любым возможным способом при комнатной температуре 10-15 мин. Готовую суспензию герметизируют в электроимпульсном аппарате для синтеза жидкого стекла.

4. Переработка шихты в ЭИ реакторе.

Для создания электрогидравлических ударов необходим источник питания в виде конденсатора, который является накопителем электрической энергии. Напряжение на конденсаторе повышается до значения, при котором происходит самопроизвольный пробой воздушного формирующего промежутка, и вся энергия, запасенная в конденсаторе, мгновенно поступает на рабочий промежуток в жидкости, где выделяется в виде короткого электрического импульса большой мощности. Далее процесс при заданных емкости и напряжении повторяется с частотой, зависящей от мощности источника импульсов. Жидкость, получив ускорение от расширяющегося с большой скоростью канала разряда, перемещается от него во все стороны, образуя в том месте, где был разряд, значительную по объему полость, названную кавитационной, и вызывая активный (основной) гидравлический удар. Затем полость также с большой скоростью смыкается, создавая второй кавитационный гидравлический удар. На этом единичный цикл электрогидравлического эффекта заканчивается, и он может повторяться неограниченное число раз соответственно заданной частоте следования разрядов.

В качестве источника электромагнитных импульсов использована установка ЗЕВС-25, представляющая собой емкостный накопитель электрической энергии с запасаемой энергией в одном импульсе до 600 Дж. Напряжение на накопительных конденсаторах с суммарной электрической емкостью 8 мкФ можно регулировать от 5 до 12 кВ.

Частота следования импульсов - 2-7 Гц. При работе установки потребляемая из сети 220 B мощность составляет не более 1,5 кВт.

Температура в реакторе не превышает 80-90°C.

Время синтеза жидкого стекла составляет 1-2,0 ч. Для сокращения времени синтеза и уменьшения количества не прореагировшего исходного диатомита процесс ведут при периодической (через каждые 0,5 ч) после начала процесса остановке для перемешивания суспензии в течение 15-20 мин.

1-ый режим.

Напряжение - 10 кВ,

Расстояние между электродами - 10 мм.

Частота импульсов 7 Гц.

Мощность - 1,5 кВт.

Время синтеза - 1 ч.

2-ой режим.

Напряжение - 5 кВ.

Расстояние между электродами - 5 мм.

Частота импульсов 4 Гц.

Мощность, - 1,2 кВт.

Время синтеза - 1,5 ч.

В результате опытов при любом из названных режимов производится суспензия: жидкое стекло + непрореагироваший диатомит в виде твердых частиц.

При первом режиме все процессы, происходящие в реакторе, интенсифицируются, что позволяет сократить время проведения опыта и уменьшить количество не прореагировавшего диатомита.

Охлаждение в течение 15-20 мин необходимо для безопасного вскрытия реактора.

Отделение жидкого стекла от твердой фазы проводят с использованием вакуумного насоса и керамического фильтра или путем медленной декантации жидкости после выдержки в течение 10-12 ч.

В результате фильтрации или декантации получается осадок, представляющий смесь кварца, цеолита типа анальцима и гидроокислов железа, и относительно гомогенное жидкое стекло желтовато-кремового цвета.

6. Осаждение кремнезема.

В емкость с жидким стеклом медленно поэтапно добавляют серную кислоту двумя возможными способами: осаждение: быстрое и медленное. В результате из жидкого стекла выпадает осадок кремнезема. Для быстрого осаждения используют 35% серную кислоту, для медленного - 14% серную кислоту. От режима осаждения зависит не только агрегатное состояние кремнезема, но и такие свойства, как удельная поверхность и наличие посторонних минеральных примесей. Критерием полноты режима осаждения является величина pH.

При двухстадийной нейтрализации осаждение кремнезема осуществлялось в следующей последовательности.

1 стадия. К раствору жидкого стекла добавляется значительное количество сильно разбавленной серной кислоты. Количество кислоты регулируется pH раствора и зависит от объема жидкого стекла. pH раствора должно быть около 8-9. Затем следует выдержка в течение 20-30 мин и далее медленно добавляется остальное количество серной кислоты при постоянном перемешивании и частом измерении pH. Процесс прекращается при pH=7-7,5.

При многоступенчатой нейтрализации к полученному объему жидкого стекла, равному 3-3,5 л, постепенно добавляется 14% серная кислота.

1 стадия: добавляют 200 см 3 разбавленной серной кислоты, затем следует выдержка 20 мин.

2 стадия: добавляется 50 см 3 серной кислоты, выдержка 20 мин, наблюдается выпадение редких выделений кремнезема. Процесс нейтрализации завершается при pH, равном 7.

Общий принцип нейтрализации жидкого стекла и высаживания кремнезема заключается в следующем. Перед массовым осаждением кремнезема необходимо создать условия для равномерного и быстрого выпадения осадка. Поэтому необходима определенная стадийность процесса. Условно можно выделить 2 главные стадии осаждения. В первую стадию щелочность раствора жидкого стекла понижается от 12-13 примерно до 9-10 pH. Тем самым мы приближаемся к равновесию осадок - раствор.

В эту стадию происходит массовое образование зародышей кремнезема. Чтобы зародышеобразование произошло наиболее полно, необходима выдержка примерно в 3-0-40 мин. Во вторую стадию следует добавление кислоты и массовое выпадение осадка.

Разработаны несколько вариантов нейтрализации пульпы: при комнатной температуре и при температуре 60-80°C. Если модуль стекла высокий, выше 2,3, то осаждение кремнезема рекомендуется проводить при комнатной температуре, при относительно низком модуле (<2,3). Кремнезем более интенсивно осаждается при 60-80°C.

7. Фильтрование производят под пониженным давлением (разрежение составляет 0,01 атм). Фильтрование проводят в 2 стадии.

Первая стадия - фильтрование через керамический фильтр. После отделения фильтрата от относительно крупных частиц отфильтрованное жидкое стекло фильтруется через тряпично-бумажный фильтр.

8. Промывка.

Промывка осуществляется дистиллированной водой в 3 стадии.

9. Сушка производится при 600°C в течение 1 ч.

Старение кремнезема.

Экспериментально установлено, что свойства кремнезема могут меняться, если перед сушкой студнеобразный осадок кремнезема выдержать некоторое время (1-2 суток) в стационарных условиях.

Проведенные исследования также показали, что весьма стабильными для получения жидкого стекла являются следующие режимы проведения процесса синтеза жидкого стекла:

Для получения кремнезема с удельной поверхностью 150-200 м 2 /г

Диатомит 1000 г

Вода 4000 см 3

Напряжение V=5 кВ

Время 1,5 ч.

Режим: 0,5 ч (остановка, перемешивание) 0,5 ч (остановка, перемешивание) 0,5 ч (завершение опыта, вскрытие реактора) слив пульпы в другую емкость

Частота импульсов 5 Гц

Мощность - 1,5 Вт.

Время синтеза - 1,5 ч.

Осаждение в 2 стадии. При увеличении времени существенно повысился выход жидкого стекла требуемого модуля.

При возрастании концентрации щелочи в жидком стекле происходит возрастание удельной поверхности осажденного кремнезема. Минимальная удельная поверхность осажденного кремнезема была получена при концентрации щелочи 6%.

Максимально высокая удельная поверхность - 700 м 2 /г была получена при содержании NaOH 600-700 г на 1000 г диатомита, остальные параметры те же.

Сырой диатомит Ахматовского месторождения (состава SiO 2 - 78,16, TiO 2 - 0,52, Al 2 O 3 - 5,6, Fe 2 O 3 - 3,07, CaO - 0,42, MgO - 0,80, Na 2 O - 0,00, K 2 O - 1,61, SO 3 - 0,84, П.п.п. - 8,9) в комовом состоянии подсушивают при температуре 100°C, измельчают в мельнице до фракции - 0,2 мм, проводят обжиг молотого диатомита в электропечи при температуре 600°C в течение 1 ч.

Вода - 4000 см 3 ,

Диатомит - 1000 г,

Твердый NaOH - 500 г,

Cоотношение Ж:Т=8:3.

Перемешивают при комнатной температуре 10 мин. Готовую суспензию герметизируют в электроимпульсном аппарате для синтеза жидкого стекла.

В качестве источника электромагнитных импульсов используют установку ЗЕВС-25 с запасаемой энергией в одном импульсе до 600 Дж. Напряжение на накопительных конденсаторах с суммарной электрической емкостью 8 мкФ, расстояние между электродами - 5 мм, напряжение - 5 кВ.

Частота следования импульсов - 4 Гц. При работе установки потребляемая из сети 220 B мощность составляет не более 1,2 кВт.

Температура в реакторе - 85°C.

Время синтеза жидкого стекла составляет 1,5 часа, при периодической (через каждые 0,5 ч) после начала процесса остановке для перемешивания суспензии в течение 15 мин.

Отделение жидкого стекла от твердой фазы проводят путем медленной декантации жидкости после выдержки в течение 10 ч.

В емкость с жидким стеклом 3 л при температуре 75°C медленно поэтапно добавляют 14% серную кислоту. Сначала добавляют 200 см 3 разбавленной серной кислоты, затем следует выдержка 20 мин, затем добавляют 50 см 3 серной кислоты, выдержка 20 мин. Процесс нейтрализации завершают при pH, равном 7.

Фильтрование производят под пониженным давлением (разряжение составляет 0,01 атм). Фильтрование проводят сначала через керамический фильтр, а потом через тряпично-бумажный фильтр. Далее проводят промывку дистиллированной водой в 3 стадии.

Студнеобразный осадок кремнезема выдерживают в течение суток в стационарных условиях и сушат при 600°C в течение 1 ч.

В результате получен кремнезем следующих свойств:

порошок снежно-белого цвета, насыпная плотность 250 кг/м 3 , содержание SiO 2 - 99,93%; содержание примесей (Al, Fe) не превышает 0,07%. Удельная поверхность, по БЭТ - 670 м 2 /г, частицы имеют сферическую форму, размер - 8-10 нм в диаметре, 40% пор имеет диаметр <2 нм, остальные 60% >2 нм.

В таблице 2 с использованием электроимпульсной установки представлены результаты 11 экспериментов (примеры 2-12). Первые 2 из них были кратковременны 5 и 10 мин при 5 и 10 кВ и имели цель доказать, что данный метод принципиально возможно использовать для синтеза SiO 2 . В результате этого был получен трисиликат натрия очень низкой плотности и соответственно с низкими реологическими свойствами. При нейтрализации серной кислотой из раствора выпали редкие хлопья и игловидные кристаллы кремнезема.

Были получены ИК спектры кремнезема, осажденного из жидкого стекла, синтезированного электроимпульсным способом (фиг.2), из которых видно, что связь Si-O-Si ghb 1161-1211, характеризующая химическую активность кремнезема очень четкая.

Для сравнения были получены ИК спектры кремнезема, осажденного из жидкого стекла, синтезированного автоклавным способом (фиг.1). Наиболее четко проявлена связь Si-O-Si при 1084 см -1 , вторая связь при 1161 см -1 только намечается.

Кроме того, были проведены электронно-микроспопические исследования. На фиг.3 представлено изображение кремнезема, синтезированного электроимпульсным способом. Сферические частицы однородны. Средний размер 6-8 нм. Видны микропоры, способствующие увеличению удельной поверхности. Этот размер пор наиболее благоприятен при реакциях катализа. Содержание SiO 2 свыше 99,2%.

Кроме того, на фиг.4 представлены: а) - электронно-микроспопические изображение кремнезема, синтезированного электроимпульсным способом, б) электронно-микроспопические изображение кремнезема, полученного в автоклаве. На фиг.4а) видно, что полученные сферические частицы не превышают в поперечнике 6-8 нм, когда как на фиг.4б) видно, что размер частиц непостоянен порядка 100-200 нм.

Кавитационный эффект в жидкости может возникать не только под действием искрового разряда, но и при локальном понижении давления, вызванного прохождением жидкости из области высокого энергетического потенциала в область с низким энергетическим потенциалом. При образовании жидкого стекла кавитация используется для гомогенизации суспензии и переводу взвешенных частиц в коллоидное жидкостное состояние. Обработку шихты проводят в кавитационном диспергаторе, работающего в условиях замкнутого цикла.

Из рабочей камеры диспергатора раствор щелочи подается в блок с фильерами. Фильеры - это узкие цилиндрические отверстия в металлической болванке, которая вращается вокруг оси. Из блока с фильерами жидкость попадает в камеру, в которой за счет размера и эжекторной формы может обеспечиваться значительно более низкое давление, нежели в камере высокого давления. Между рабочей камерой и блоком с фильерами имеется заслонка, которая вращается автономно. Она контролирует диаметр входного отверстия. Эта особенность механизма позволяет регулировать процесс работы в различных средах.

При заполнении рабочей камеры включают насос, заслонка при этом на мгновение закрывается. Как только она открывается, раствор устремляется в камеру с низким давлением. Скорость прохождения жидкости через фильеры очень высокая, при этом поддерживается высокое давление.

В рабочую камеру предварительно помещается молотый диатомит с некоторым количеством воды. За счет разницы давления в камере высокого давления и в рабочей камере возникают кавитационные полости, вызывающие измельчение материала. При этом так же как и в электроимпульсе газы попадают в полости. Полости захлопываются и производят работу через доли секунд за счет гидравлической волны. Операция повторяется столько раз, сколько это требуется по регламенту.

Для эксперимента был взят комовый диатомит Ахматовского месторождения (состава SiO 2 - 79,58, TiO 2 - 0,37, Al 2 O 3 - 5,6, Fe 2 O 3 - 3,11, CaO - 0,27, MgO - 0,79, Na 2 O - 0,00, K 2 O - 1,16, SO 3 - 0,12, П.п.п. - 9,44).

В комовом состоянии диатомит подсушивают при температуре 200°C и измельчают в мельнице до фракции <0,2 мм.

Шихту готовят в реакторе в следующих количествах:

Вода - 180 л,

Диатомит - 50 кг,

Твердый NaOH - 20 кг,

Соотношение Ж:Т=3:1.

Шихту предварительно перемешивают в течение 15 мин при комнатной температуре и помещают в роторный кавитационный диспергатор (возможный объем загрузки 300 л, мощность - 100 кВт, питание - 3 фазы 380 В).

Перемешанную шихту обрабатывают посредством циклического прокачивания по замкнутому контуру в режиме кавитации при температуре 90°C в течение 3 ч 40 мин при вращении ротора 3000 об/мин.

Получают 100 л жидкого стекла ярко-красной окраски.

Осаждение кремнезема производят следующим образом.

Систему охлаждают в течение 1 ч до температуры 35°C.

Жидкое стекло отделяют от твердой фазы порциями (5 л в 1 порции) с использованием вакуумного насоса и керамического фильтра.

Осаждение из жидкого стекла кремнезема производят так же порциями, полученными после фильтрации. В общей сложности перерабатывают 20 порций.

Из каждой порции получено 1,5 кг кремнезема. Подобная стадийность была вызвана исключительно трудностями, возникающими при промывке больших количеств кремнезема.

Была принята следующая схема нейтрализации. В первую стадию добавляют 3000 см 3 разбавленной серной кислоты, затем следует выдержка 20 мин, затем добавляют 1000 см 3 серной кислоты, выдержка 20 мин. Процесс нейтрализации завершают при pH, равном 7.

Фильтрование производят под пониженным давлением (разряжение составляет 0,01 атм).

Студнеобразный осадок кремнезема выдерживают в течение суток в стационарных условиях и сушат при 500°C в течение часа.

В результате получено 30 кг кремнезема следующих свойств:

насыпная плотность кремнезема 250 кг/м 3 , содержание SiO 2 - 97,92%; содержание примесей (Al и главным образом Fe) не превышает 2,17%, удельная поверхность по БЭТ - 512 м 2 /г, частицы собственно кремнезема имеют сферическую форму.

Кремнезем так же как и стекло окрашен в красный цвет с буроватым оттенком.

Проведенное исследование на электронном микроскопе высокого разрешения показало, что главным пигментом, обуславливающим красный цвет продуктов синтеза, является примесь вновь образованного железистого минерала типа гетита. Гетит, пронизывающий кристаллы кремнезема, имеет вид иголочек длиной до 2-3 нм и толщиной до десятых долей нм. Содержание иголочек составляет 15-20% от общего количества полученного кремнезема.

В таблице 3 представлены примеры 14-16 осуществления способа с использованием роторного кавитационного диспергатора.

Таким образом, разработанные электроимпульсный и гидродинамический методы получения жидкого стекла позволяют исключить дорогостоящий процесс получения «силикат-глыбы», из которой производится жидкое стекло.

Разработанный способ значительно дешевле, и прогрессивнее, а использование высококремнистой горной породы - диатомита позволяет расширить номенклатуру используемых сырьевых ресурсов, запасы которых в регионе практически не ограничены.

Использование электроимпульсного и гидродинамического методов для производства жидкого стекла энергетически более выгодные процессы по сравнению с автоклавным за счет экономии времени, и позволяют придать конечному продукту, в частности, повышенную реакционную способность, которая проявляется на конкретных производствах, и высокую удельную поверхность (см. фиг.3-4).

Выбор сортов диктуется первоочередной потребностью производства: для шинной промышленности, для лакокрасочной промышленности, производства различных строительных композитов и особочистых продуктов, используемых в фармакологии и медицине.

Согласно предлагаемому способу, возможно получение кремнезема 3 сортов, отличающихся по величине удельной поверхности и содержанию SiO 2:

Первый вид продукции предназначен для использования в косметике и парфюмерии, в частности в производстве силиконовых паст.

Сорт Ат-2 наиболее эффективен в производстве особого типа лаков и красок.

Сорт Ат-3 с успехом может использоваться в производстве силиконовой резины, клеев и герметиков, силиконовых эластомеров и при переработке каучуков различного назначения.

Разработанный способ позволяет конечные свойства кремнезема закладывать на стадии получения жидкого стекла и последующих режимах осаждения и промывки и определяются конкретными требованиями производства.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения аморфного диоксида кремния, включающий стадии измельчения исходного кремнийсодержащего сырья, в качестве которого используют природную горную породу с высоким, до 70-75%, содержанием связанного аморфного кремнезема, приготовления шихты при соотношении Ж:Т, равном 4-6:1, переработки последней с получением раствора жидкого стекла, отделения образовавшегося осадка, осаждения диоксида кремния из полученной жидкой фазы минеральной кислотой постадийно под контролем pH среды, выделения образовавшегося целевого продукта фильтрацией с последующей его многократной промывкой водой и сушкой, отличающийся тем, что в качестве указанной горной породы используют диатомит, который измельчают до получения фракции с тониной помола не более 0,01 мм, измельченный диатомит предварительно подвергают обжигу при температуре 600-900°C, а переработку шихты ведут в режиме кавитирующей среды, создаваемой электроимпульсным или гидродинамическим способом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обжиг диатомита ведут в течение 1-1,5 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что переработку шихты ведут в электроимпульсном реакторе при 80-90°C, при напряжении и мощности 5-10 кВ и 1,2-1,5 кВт, соответственно, и частоте следования импульсов - 2-7 Гц.

4. Способ по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что переработку в электроимпульсном реакторе ведут в течение 1,0-2,0 ч при периодическом перемешивании шихты через каждые 0,5 ч.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что переработку шихты ведут в кавитационном диспергаторе в течение 2,5-3,5 ч при 1500-3000 об/мин и температуре 80-90°C.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве минеральной кислоты используют азотную, серную или соляную кислоты, преимущественно 40-50% азотную кислоту.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что промывку целевого продукта дополнительно ведут слабым 2-5%-ным раствором азотной кислоты.

Один из самых распространенных в природе элементов - это silicium, или кремний. Такое широкое расселение говорит о важности и значимости данного вещества. Это быстро поняли и усвоили люди, которые научились правильно использовать в своих целях кремний. Применение его основано на особых свойствах, о которых и поговорим дальше.

Кремний - химический элемент

Если давать характеристику данного элемента по положению в периодической системе, то можно обозначить следующие важные пункты:

Порядковый номер - 14.
Период - третий малый.
Группа - IV.
Подгруппа - главная.
Строение внешней электронной оболочки выражается формулой 3s 2 3p 2 .
Элемент кремний обозначается химическим символом Si, который произносится как "силициум".
Степени окисления, которые он проявляет: -4; +2; +4.
Валентность атома равна IV.
Атомная масса кремния равна 28,086.
В природе существует три устойчивых изотопа данного элемента с массовыми числами 28, 29 и 30.

Таким образом, атом кремния с химической точки зрения - достаточно изученный элемент, описано множество различных его свойств.

История открытия

Так как в природе очень популярны и массовы по содержанию именно различные соединения рассматриваемого элемента, издревле люди использовали и знали о свойствах именно многих из них. Чистый же кремний долгое время оставался за гранью познаний человека в химии.

Наиболее популярными соединениями, которыми пользовались в быту и промышленности народы древних культур (египтяне, римляне, китайцы, русичи, персы и прочие), были драгоценные и поделочные камни на основе оксида кремния. К ним относятся:

опал;
горный хрусталь;
топаз;
хризопраз;
оникс;
халцедон и другие.

Также издревле принято использовать кварц и в строительном деле. Однако сам элементарный кремний оставался нераскрытым вплоть до XIX века, хотя многие ученые тщетно пытались выделить его из разных соединений, используя для этого и катализаторы, и высокие температуры, и даже электрический ток. Это такие светлые умы, как:

Карл Шееле;
Гей-Люссак;
Тенар;
Гемфри Дэви;
Антуан Лавуазье.

Осуществить удачно получение кремния в чистом виде удалось Йенсу Якобсу Берцелиусу в 1823 году. Для этого он проводил опыт по сплавлению паров фтористого кремния и металлического калия. В результате получил аморфную модификацию рассматриваемого элемента. Этим же ученым было предложено латинское название открытому атому.

Еще несколько позже, в 1855 году, другой ученый - Сент Клер-Девилль - сумел синтезировать другую аллотропную разновидность - кристаллический кремний. С тех пор знания о данном элементе и его свойствах стали очень быстро пополняться. Люди поняли, что он обладает уникальными особенностями, которые можно очень грамотно использовать для удовлетворения собственных нужд. Поэтому сегодня один из самых востребованных элементов в электронике и технике - это кремний. Применение его лишь расширяет свои границы с каждым годом.

Русское название атому дал ученый Гесс в 1831 году. Именно оно и закрепилось до сегодняшнего дня.

По распространенности в природе кремний занимает второе место после кислорода. Его процентное соотношение в сравнении с другими атомами в составе земной коры - 29,5%. Кроме того, углерод и кремний - это два особых элемента, способных формировать цепи, соединяясь друг с другом. Именно поэтому для последнего известно более 400 различных природных минералов, в составе которых он и содержится в литосфере, гидросфере и биомассе.

Где конкретно содержится кремний?

В глубоких слоях почвы.
В горных породах, залежах и массивах.
На дне водоемов, особенно морей и океанов.
В растениях и морских обитателях царства животных.
В организме человека и наземных животных.

Можно обозначить несколько самых распространенных минералов и горных пород, в составе которых в большом количестве присутствует кремний. Химия их такова, что массовое содержание чистого элемента в них достигает 75%. Однако конкретная цифра зависит от разновидности материала. Итак, горные породы и минералы с содержанием кремния:

полевые шпаты;
слюды;
амфиболы;
опалы;
халцедоны;
силикаты;
песчаники;
алюмосиликаты;
глины и прочие.

Накапливаясь в панцирях и наружных скелетах морских животных, кремний со временем формирует мощные залежи кремнезема на дне водоемов. Это один из природных источников данного элемента.

Кроме того, было установлено, что силициум может существовать в чистом самородном виде - в виде кристаллов. Но подобные месторождения очень редки.

Физические свойства кремния

Если давать характеристику рассматриваемого элемента по набору физико-химических свойств, то в первую очередь следует обозначить именно физические параметры. Вот несколько основных:

Существует в виде двух аллотропных модификаций - аморфный и кристаллический, которые отличаются по всем свойствам.
Кристаллическая решетка очень схожа с таковой у алмаза, ведь углерод и кремний в этом отношении практически одинаковы. Однако расстояние между атомами разное (у кремния больше), поэтому алмаз гораздо тверже и прочнее. Тип решетки - кубическая гранецентрированная.
Вещество очень хрупкое, при высоких температурах становится пластичным.
Температура плавления равна 1415˚С.
Температура кипения - 3250˚С.
Плотность вещества - 2,33 г/см 3 .
Цвет соединения - серебристо-серый, выражен характерный металлический блеск.
Обладает хорошими полупроводниковыми свойствами, которые способны варьировать при добавлении тех или иных агентов.
Не растворяется в воде, органических растворителях и кислотах.
Специфически растворим в щелочах.

Обозначенные физические свойства кремния позволяют людям управлять им и применять для создания различных изделий. Так, например, на свойствах полупроводимости основано использование чистого кремния в электронике.

Химические свойства

Химические свойства кремния очень сильно зависят от условий проведения реакции. Если говорить о при стандартных параметрах, то нужно обозначить очень низкую активность. Как кристаллический, так и аморфный кремний очень инертны. Не взаимодействуют ни с сильными окислителями (кроме фтора), ни с сильными восстановителями.

Это связано с тем, что на поверхности вещества мгновенно формируется оксидная пленка SiO 2 , которая препятствует дальнейшим взаимодействиям. Она способна образоваться под влиянием воды, воздуха, паров.

Если же изменить стандартные условия и произвести нагревание кремния до температуры свыше 400˚С, то его химическая активность сильно возрастет. В этом случае он будет вступать в реакции с:

кислородом;
всеми видами галогенов;
водородом.

При дальнейшем повышении температуры возможно образование продуктов при взаимодействии с бором, азотом и углеродом. Особое значение имеет карборунд - SiC, так как он является хорошим абразивным материалом.

Также химические свойства кремния четко прослеживаются при реакциях с металлами. По отношению к ним он окислитель, поэтому продукты носят название силицидов. Известны подобные соединения для:

щелочных;
щелочноземельных;
переходных металлов.

Необычными свойствами обладает соединение, получаемое при сплавлении железа и кремния. Оно носит название ферросилициевой керамики и успешно применяется в промышленности.

Со сложными веществами кремний во взаимодействие не вступает, поэтому из всех их разновидностей способен растворяться лишь в:

царской водке (смесь азотной и соляной кислот);
едких щелочах.

При этом температура раствора должна быть не меньше 60˚С. Все это еще раз подтверждает физическую основу вещества - алмазоподобную устойчивую кристаллическую решетку, придающую ему прочность и инертность.

Способы получения

Получение кремния в чистом виде - процесс достаточно затратный экономически. Кроме того, в силу его свойств любой способ дает лишь на 90-99 % чистый продукт, в то время как примеси в виде металлов и углерода остаются все равно. Поэтому просто получить вещество недостаточно. Его следует еще и качественно очистить от посторонних элементов.

В целом же производство кремния осуществляется двумя основными путями:

Из белого песка, который представляет собой чистый оксид кремния SiO 2 . При прокаливании его с активными металлами (чаще всего с магнием) происходит образование свободного элемента в виде аморфной модификации. Чистота такого способа высока, продукт получается с 99,9-процентным выходом.
Более широко распространенный способ в промышленных масштабах - это спекание расплава песка с коксом в специализированных термических печах для обжига. Данный способ был разработан русским ученым Бекетовым Н. Н.

Дальнейшая обработка заключается в подвергании продуктов методам очистки. Для этого используются кислоты или галогены (хлор, фтор).

Аморфный кремний

Характеристика кремния будет неполной, если не рассмотреть отдельно каждую его аллотропную модификацию. Первая из них - это аморфная. В таком состоянии рассматриваемое нами вещество представляет собой порошок буро-коричневого цвета, мелкодисперсный. Обладает высокой степенью гигроскопичности, проявляет достаточно высокую химическую активность при нагревании. В стандартных условиях способен взаимодействовать только с сильнейшим окислителем - фтором.

Называть аморфный кремний именно разновидностью кристаллического не совсем правильно. Его решетка показывает, что данное вещество - это лишь форма мелкодисперсного кремния, существующего в виде кристаллов. Поэтому как таковые эти модификации - одно и то же соединение.

Однако свойства их различаются, поэтому и принято говорить об аллотропии. Сам по себе аморфный кремний обладает высокой светопоглотительной способностью. Кроме того, при определенных условиях данный показатель в разы превышает подобный у кристаллической формы. Поэтому его используют в технических целях. В рассматриваемом виде (порошок) соединение легко наносится на любую поверхность, будь то пластик или стекло. Поэтому так удобен для использования именно аморфный кремний. Применение основано на различных размеров.

Хотя износ батарей подобного типа довольно быстрый, что связано с истиранием тонкой пленки вещества, однако применение и востребованность только растет. Ведь даже за короткий срок службы солнечные батареи на основе аморфного кремния способны обеспечить энергией целые предприятия. К тому же производство подобного вещества безотходное, что делает его очень экономным.

Получают такую модификацию путем восстановления соединений активными металлами, например, натрием или магнием.

Кристаллический кремний

Серебристо-серая блестящая модификация рассматриваемого элемента. Именно такая форма является самой распространенной и наиболее востребованной. Это объясняется набором качественных свойств, которыми обладает данное вещество.

Характеристика кремния с кристаллической решеткой включает в себя классификацию его видов, так как их несколько:

Электронного качества - самый чистый и максимально высококачественный. Именно такой вид используется в электронике для создания особо чувствительных приборов.
Солнечного качества. Само название определяет область использования. Это также достаточно высокий по чистоте кремний, применение которого необходимо для создания качественных и долго работающих солнечных батарей. Фотоэлектрические преобразователи, созданные на основе именно кристаллической структуры, более качественны и износостойки, нежели те, что созданы с использованием аморфной модификации путем напыления на различного типа подложки.
Технический кремний. В данную разновидность включаются те образцы вещества, в которых содержится около 98 % чистого элемента. Все остальное уходит на различного рода примеси:

алюминий;
хлор;
углерод;
фосфор и прочие.

Последняя разновидность рассматриваемого вещества используется с целью получения поликристаллов кремния. Для этого проводятся процессы перекристаллизации. Вследствие этого по чистоте получаются такие продукты, которые можно относить к группам солнечного и электронного качества.

По своей природе поликремний - это промежуточный продукт между аморфной модификацией и кристаллической. С таким вариантом легче работать, он лучше подвергается переработке и очистке фтором и хлором.

Продукты, которые получаются в результате, можно классифицировать так:

мультикремний;
монокристаллический;
профилированные кристаллы;
кремниевый скрап;
технический кремний;
отходы производства в виде осколков и обрезков вещества.

Каждый из них находит применение в промышленности и используется человеком полностью. Поэтому касающиеся кремния, считаются безотходными. Это значительно снижает его экономическую стоимость, при этом не влияя на качество.

Использование чистого кремния

Производство кремния в промышленности налажено достаточно хорошо, а его масштабы довольно объемны. Это связано с тем, что данный элемент, как чистый, так и в виде различных соединений, широко распространен и востребован в разных отраслях науки и техники.

Где же используется кристаллический и аморфный кремний в чистом виде?

В металлургии как легирующая добавка, способная менять свойства металлов и их сплавов. Так, он используется при выплавке стали и чугуна.
Разные виды вещества уходят на изготовление более чистого варианта - поликремния.
Соединения кремния с - это целая химическая отрасль, которая получила особую популярность сегодня. Кремнийорганические материалы используются в медицине, при изготовлении посуды, инструментов и многого другого.
Изготовление различных солнечных батарей. Этот способ получения энергии является одним из самых перспективных в будущем. Экологически чисто, экономически выгодно и износостойко - основные достоинства такого получения электричества.
Кремний для зажигалок используется уже очень давно. Еще в древности люди использовали кремень для получения искры при розжиге огня. Этот принцип заложен в основу производства зажигалок различного рода. Сегодня встречаются виды, в которых кремень заменен на сплав определенного состава, дающий еще более быстрый результат (искрение).
Электроника и солнечная энергетика.
Изготовление зеркалец в газовых лазерных устройствах.

Таким образом, чистый кремний имеет массу преимущественных и особенных свойств, позволяющих использовать его для создания важных и нужных продуктов.

Применение соединений кремния

Помимо простого вещества, используются и различные соединения кремния, причем очень широко. Существует целая отрасль промышленности, которая называется силикатной. Именно она основана на использовании различных веществ, в состав которых входит этот удивительный элемент. Какие это соединения и что из них производят?

Кварц, или речной песок - SiO 2 . Используется для изготовления таких строительных и декоративных материалов, как цемент и стекло. Где используются эти материалы, всем известно. Ни одно строительство не обходится без данных компонентов, что подтверждает значимость соединений кремния.
Силикатная керамика, в которую входят такие материалы, как фаянс, фарфор, кирпич и продукты на их основе. Данные компоненты используются в медицине, при изготовлении посуды, декоративных украшений, предметов быта, в строительстве и прочих бытовых областях деятельности человека.
- силиконы, силикагели, силиконовые масла.
Силикатный клей - используется как канцелярский, в пиротехнике и строительстве.

Кремний, цена на который варьирует на мировом рынке, но не пересекает сверху вниз отметку в 100 рублей РФ за килограмм (за кристаллический), является востребованным и ценным веществом. Естественно, что и соединения этого элемента так же широко распространены и применимы.

Биологическая роль кремния

С точки зрения значимости для организма кремний немаловажен. Его содержание и распределение по тканям таково:

0,002 % - мышечная;
0,000017 % - костная;
кровь - 3,9 мг/л.

Каждый день внутрь должно попадать около одного грамма кремния, иначе начнут развиваться заболевания. Смертельно опасных среди них нет, однако длительное кремниевое голодание приводит к:

выпадению волос;
появлению угревой сыпи и прыщей;
хрупкости и ломкости костей;
легкой проницаемости капилляров;
усталости и головным болям;
появлению многочисленных синяков и кровоподтеков.

Для растений кремний - важный микроэлемент, необходимый для нормального роста и развития. Опыты на животных показали, что лучше растут те особи, которые ежедневно потребляют достаточное количество кремния.

Кремнезем, по латыни Silicondioxide, silica – это двуокись кремния. Что же представляет собой такое соединение? Это твердые кристаллы без цвета, не имеющие запаха, они достаточно твердые, прочные, пластичные и тугоплавкие. В природе это самый обычный кварц, мельчайшие прозрачные песчинки, которые образуются при окислении кремния (Si).

SiO₂ – молекулярная (химическая) формула диоксида кремния.

Свойства диоксида кремния

Это соединение – высший, четырехвалентный кислотный оксид кремния. Он обладает идеальной устойчивостью к действию кислорода, различных кислот (при температуре плавления, равной 1 600 ºС, растворяется плавиковой кислотой, щелочами). Диоксид кремния не растворяется , является диэлектриком (не проводит ток).

Siliconiumdioxide- идеальный нейтрализатор щелочи.

Производство кремнезема для пищевой промышленности

В пищевой промышленности SiO₂ используют как добавку в пищу, которая имеет собственный индекс в европейской системе кодов – Е551.

Диоксид кремния в чистом виде не применяется в пищевой промышленности. В ней используют порошковый SiliconDioxide, другими словами, «белую сажу», аморфный кремнезем. Производство Е551 осуществляется на специализированных заводах двумя методами искусственного синтезирования: нагреванием Si в кислородной среде при температуре, равной пятистам градусам по Цельсию, происходит окислительная реакция, в результате которой получается белая сажа, и в специальных стерилизаторах при tº 1 000 ºС происходит реакция паров SiliconаTetrachloridа в пламени водорода (второй метод).

Синтезированный Silicondioxide относится к группе эмульгаторов, которые обеспечивают однородность смесям несмешивающихся веществ в природе, таких, как масло (растительного и животного происхождения) и жир с водой.

Применение эмульгатора Е551 в пищевом производстве разрешено во всех странах без исключения (в том числе в РФ, Беларуси, Украине, европейских странах) при условии, что его содержание в готовом продукте не превышает лимита, т.е. 30 гр/кг. Он не наносит вред здоровью, безопасен в употреблении.

Особые требования предъявляются к упаковке и условиям хранения пищевой добавки.

Для упаковки применяют мешки, изготовленные из прочного полиэтилена или специальной оберточной бумаги (kraft), а также полипропилена (обязательное присутствие вставки из полиэтилена).

Хранить пищевую добавку Е551 следует в сухом, закрытом помещении при установленном режиме влажности и определенной вентиляции.

Использование диоксида кремния

Пока уникальные свойства вещества не были изучены, оно главным образом применялось для изготовления строительных материалов, таких как бетон и цемент.

Но по мере исследования Siliconаdioxide учеными, медиками, физиологами, химиками стали известны и другие его признаки. Вещество стали применять в радиотехнике, в производстве огнеупорных материалов и резины.

Благодаря своим свойствам вещество нашло широкое применение в различных отраслях промышленности, в том числе пищевой, фармацевтической, косметологической.

Кремний диоксид кристаллический	Аморфный (порошкообразный) кремний диоксид	Кремний диоксид коллоидный
Вещество широко распространено в природе. Оно содержится в горных породах – минералах, в агате, яшме, халцедоне, аметисте, горном хрустале. Широко применяется в строительстве, а также в производстве стекла, керамических и бетонных изделий. В этих индустриях не важна его чистота.	Это вещество встречается в природе в чистом виде достаточно редко. Это трепел (кизельгур), который образовывается на морском дне на протяжении длительного времени. В наши дни получают синтетическим способом в заводских условиях. Его используют главным образом в промышленных целях.	Вещество нашло широкое применение в медицине, как абсорбент (Siliciumdioxidecolloidal выводит токсичные вещества из организма) и загуститель (в изготовлении мазей, гелей, вазелина, суспензий). В косметологии (в составе зубных паст, как отбеливающее средство; в скрабах, пудрах, лосьонах). Его получение происходит в промышленных условиях из высокодисперсной двуокиси кремния.

В пищевой промышленности эмульгатор используют как антикоагулятор (стабилизатор) и нейтрализатор, а также как загуститель. Он помогает продуктам сохранять сыпучесть, предотвращает образование комков и слеживание:

диоксид кремния добавляют в готовые сыпучие продукты, такие как , мука, специи, а также и , яичный порошок, различные приправы и пряности, и другие;
в молочной продукции при изготовлении сыров (для сохранения их структуры) также применяют кремнезем;
незаменимым компонентом он является и в производстве , какао;
Е551 входит и в состав как абсорбент, способствует осветлению напитка, повышает его выдержку;
широко применяется он и при производстве , сухариков, всевозможных закусок, усиливает аромат продуктов потребления;
при изготовлении алкогольных напитков, для стабилизации кислотности и нейтрализации излишка щелочей тоже используют кремнезем;
производство кондитерских и кулинарных изделий не обходится без применения эмульгатора Е551, им обрабатывают сладкие поверхности, за исключением тех, которые покрыты . Он влияет на сроки реализации продукции, продлевает ее (обеспечивает свежесть, не дает слипаться изделиям), усиливает вкусовые качества и аромат.

Влияние на организм человека, польза и вред

До конца влияние на организм двуокиси кремния учеными не изучено, но из их исследований на сегодняшний день можно сделать вывод, что вещество не наносит вред здоровью при его правильном употреблении.

Диоксид кремния полностью выводится из организма, не всасывается в желудочно-кишечный тракт.

Помимо этого, Silicondioxide присутствует в организме, в крови и плазме.

Немецким физиологом на основе его практики было доказано, что кремнезем полезен для человека, он предупреждает и предотвращает атеросклероз, укрепляет и очищает сосуды. Вода кремния имеет не только абсорбирующие свойства, выводит шлаки и токсичные вещества из человеческого организма, но еще и антибактериальные.

Существует теория, что вещество оказывает положительное влияние на организм человека и сокращает риск дальнейшего развития такого заболевания, как болезнь Альцгеймера. Однако это лишь гипотеза, которую следует доказать ученым.

Ясно одно, что существенный вред здоровью может нанести пыль диоксида кремния при ее вдыхании (только на промышленных производствах). Она может послужить развитию таких заболеваний, как силикоз легких. Умеренное использование пищевой добавки Е551 безопасно для здоровья.

Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году. Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется. Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.

Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

Плюсы и минусы

Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.

Немалым достоинством вещества является его доступность . В природе он, правда, находится не в свободном виде, но все же, технология получения кремния не так уж и сложна, хотя и энергозатратна.
Второе важнейшее достоинство – образование множества соединений с необыкновенно полезными свойствами. Это и силаны, и силициды, и диоксид, и, конечно, разнообразнейшие силикаты. Способность кремния и его соединений образовывать сложные твердые растворы практически бесконечна, что позволяет бесконечно же получать самые разные вариации стекла, камня и керамики.
Полупроводниковые свойства неметалла обеспечивает ему место базового материала в электро- и радиотехнике.
Неметалл является нетоксичным , что допускает применение в любой отрасли промышленности, и при этом не превращает технологический процесс в потенциально опасный.

К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.

Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.

Свойства и характеристики

Поскольку в промышленности чаще всего эксплуатируется кристаллический кремний, то именно его свойства и являются более важными, и именно они и приводятся в технических характеристиках. Физические свойства вещества таковы:

температура плавления – 1417 С;
температура кипения – 2600 С;
плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости;
теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно;
прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике;
диэлектрическая проницаемость – 1,17;
твердость по шкале Мооса – 7.

Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.

Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре.

Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:

Состав и структура

Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.

Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника.
При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см. Однако эта фаза практического значения пока не нашла.
Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида.

Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.

Монокристаллический – образец представляет собой один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка.
Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле.
Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов.
Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10 -8 –10 -6 %.

Применение вещества

Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником. Свойства его определяются примесями, что позволяет получать кристаллы кремния с заданными свойствами. Так, добавка бора, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.

Кремний в буквальном смысле слова служит основой современной электротехники. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Причем функциональность прибора определяет практически всегда только приповерхностный слой кристалла, что обуславливает весьма специфические требования именно к обработке поверхности.
В металлургии технический кремний применяют и как модификатор сплавов – придает большую прочность, и как компонент – в , например, и как раскислитель – при производстве чугуна.
Сверхчистый и очищенный металлургический составляют основу солнечной энергетики.
Диоксид неметалла встречается в природе в очень разных формах. Его кристаллические разновидности – опал, агат, сердолик, аметист, горный хрусталь, нашли свое место в ювелирном деле. Не столь привлекательные внешне модификации – кремень, кварц, используются и в металлургии, и в строительстве, и в радиоэлектротехнике.
Соединение неметалла с углеродом – карбид, применяется и в металлургии, и в приборостроении, и в химической промышленности. Он является широкозональным полупроводником, отличается высокой твердостью – 7 по шкале Мооса, и прочностью, что и позволяет применять его в качестве абразивного материала.
Силикаты – то есть, соли кремниевой кислоты. Неустойчивы, легко разлагаются под действием температуры. Примечательность их в том, что они образуют многочисленные и разнообразные соли. А вот последние являются основой при производстве стекла, керамики, фаянса, хрусталя, и . Можно смело сказать, что современное строительство зиждется на разнообразных силикатах.
Стекло представляет здесь наиболее интересный случай. Основой его служат алюмосиликаты, но ничтожные примеси других веществ – обычно оксидов, придают материалу массу разных свойств, в том числе и цвет. – , фаянс, фарфор, по сути, имеет ту же формулу, хотя и с другим соотношением компонентов, и ее разнообразие тоже поразительно.
Неметалл обладает еще одной способностью: образует соединения по типу углеродных, в виде длинной цепочки из атомов кремния. Такие соединения носят название кремнийорганических. Сфера их применения не менее известна – это силиконы, герметики, смазки и так далее.

Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.

Данное видео расскажет о свойствах и применении кремния:

Аморфный кременезем может быть подразделен на три типа:

1. Кварцевое стекло, изготовленное плавлением кварца (а также высокотемпературным гидролизом тетрахлоида кремния или окислением его в низкотемпературной плазме).

2. Кремнезем М – аморфный кремнезем, получаемый при облучении быстрыми нейтронами аморфных или кристаллических разновидностей кремнезема. При этом плотность исходного аморфного кремнезема повышается, а кристаллического – понижается. Кремнезем М термически нестабилен и переходит в кварц при 930С в течение 16 часов. Его плотность – 2260 кг/м 3 (у кварцевого стекла – 2200).

3. Мироаморфный кремнезем, включающий золи, гели, порошки и пористые стекла, которые состоят в основном из первичных частиц размером менее одного микрометра или с величиной удельной поверхности более 3 м 2 /г.

Микроаморфный кремнезем, синтезированный в лабораторных условиях, можно подразделить на три класса:

I Микроскопические разновидности, получаемые в результате специальных процессов в форме листочков, ленточек и волокон.

II Обычные аморфные формы, состоящие из элементарных сферических частиц SiO 2 , по своему размеру меньших 100 нм, поверхность которых образована либо из безводного SiO 2 либо из групп SiOH. Такие частицы могут быть отдельными или связанными в трехмерную сетку: а) дискретные или обособленные (частицы, как это имеет место в золях; б) связанные в цепочки трехмерные агрегаты с силоксановой связью в точках контакта, как в гелях; в) объемные трехмерные агрегаты частиц, как это наблюдается в аэрогелях, кремнеземе трогенного происхождения и некоторых диспергированных порошках кремнезема (см. рис. 1.13).

III Гидратированный аморфный кремнезем, в структуре которого все или почти все атомы кремния удерживают по одной или более гидроксильной группе.

Рис. 1.13. Элементарные частицы обычных форм коллоидного кремнезема. Рисунок представлен плоским, но на самом деле агрегация частиц трехмерна: а – золь, б – гель, в – порошок кремнезема

Микроаморфный кремнезем слоистых, ленточных и волокнистых микроформ получают:

1. Образованием частиц на поверхности раздела газ – жидкость в результате гидролиза SiF 4 в газообразном состоянии при 100 или гидролизом паров SiCl 4 при 100С. Чешуйки представляют собой тонкие пленки геля кремнезема, образованные на поверхности контакта чрезвычайно реакционноспособных паров SiF 4 с капельками воды. “Распушенный” характер приготовленного из SiF 4 порошка проявляется в его очень низком значении кажущейся плотности, составляющей 25 кг/м 3 , а также в “текучести” порошка, сходной с текучестью воды. Чешуйки геля кремнезема неправильной формы диаметром около 1 мкм и толщиной 1/10 мкм содержат 92,86% SiO 2 и 7,14% Н 2 О.

2. Образованием золей кремнезема вымораживанием. Когда замораживается раствор коллоидального кремнезема или поликремниевой кислоты, растущие кристаллы льда будут вытеснять кремнезем до тех пор, пока последний не накопиться между кристаллами льда в виде концентрированного золя. Такой кремнезем затем полимеризуется и образует плотный гель. При последующем расплавлении льда получается кремнезем в виде чешуек неправильной формы, образовавшихся между гладкими поверхностями кристаллов льда. Высушенный в вакууме порошок кремнезема содержит приблизительно 10% Н 2 О.

К наиболее распространенному кремнезему в аморфной форме относятся силикагель и кварцевое стекло. Силикагель получают при нагревании гелей кремнезема до температур не выше 1000С. Готовый технический силикагель – это твердые полупрозрачные гранулы белого или желтоватого цвета. Широко используется в качестве поглотителя влаги.

Расплав кремнезема легко переохлаждается с образованием кварцевого стекла. Применяемое в технике кварцевое стекло представляет собой однокомпонентное силикатное стекло. Его получают плавлением природных или искусственных разновидностей кремнезема высокой степени чистоты.

При повышении давления установлены модификационные превращения и для некристаллического кремнезема – кварцевого стекла. При сжатии стекла в нем изгибаются связи Si-O-Si. С повышением давления до 3100-3300 МПа наблюдается переход, сопровождающийся резким изменением плотности (превращение второго рода). Стекло, полученное при таком давлении, носит название супрапьезостекло (сокращенно S-P-стекло).

При увеличении давления свыше 9000 МПа плотность стеклообразного кремнезема снова начинает повышаться и при 20000 МПа становится равной 2,61 . 10 3 кг/м 3 , что близко к плотности кварца, но материал остается аморфным. Такое стекло при снятии давления не возвращается упруго к своему первоначальному объему, и тонкие диски сверхплотного (конденсированного) кварцевого стекла удается сохранить. Это уплотненное кварцевое стекло называется конденсированным.

Характеристика полиморфных модификаций SiO 2 приведена в таблице 1.1.