JP7607002B2 - Alkaline silicate aqueous solution and method for producing same - Google Patents
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Description
本発明は、植物灰を使用して製造した(植物由来の)ケイ酸アルカリ水溶液およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an aqueous alkali silicate solution (derived from plants) produced using plant ash and a method for producing the same.
ケイ酸ナトリウムは別名「水ガラス」とも呼ばれ、湿式法シリカや合成ゼオライトの原料として、土建用地盤硬化剤、洗浄剤、繊維およびパルプなどに関する分野において幅広く使用されている。一般的なケイ酸ナトリウムの製造方法としては、シリカ(SiO2)成分の多い天然の砂(珪砂や珪石、ケイ酸白土など)を水酸化ナトリウム水溶液に溶解して製造する湿式法(化学式A)、または砂とソーダ灰を混合して溶融炉に入れ、加熱融解し、透明体となったときに取り出して冷却固化する乾式法(化学式B)が広く知られている。
・化学式A
2NaOH+nSiO2 → Na2O・nSiO2+H2O n:モル比
(ケイ酸ナトリウム水溶液)
・化学式B
Na2CO3+nSiO2 → Na2O・nSiO2+CO2 n:モル比
(ケイ酸ナトリウムカレット)
Sodium silicate, also known as "water glass," is widely used as a raw material for wet-process silica and synthetic zeolite in fields related to civil engineering ground hardening agents, detergents, fibers, pulp, etc. Commonly known methods for producing sodium silicate include the wet method (chemical formula A), in which natural sand (silica sand, silica stone, silicic clay, etc.) that is rich in silica ( SiO2 ) is dissolved in an aqueous sodium hydroxide solution, and the dry method (chemical formula B), in which sand and soda ash are mixed and placed in a melting furnace, heated and melted, and when a transparent body is obtained, it is removed and cooled to solidify.
Chemical formula A
2NaOH+nSiO 2 → Na 2 O・nSiO 2 +H 2 O n: molar ratio
(Sodium silicate aqueous solution)
Chemical formula B
Na 2 CO 3 +nSiO 2 → Na 2 O・nSiO 2 +CO 2 n: molar ratio
(Sodium silicate cullet)
従来の砂由来のケイ酸ナトリウムから製造される湿式法シリカは、BET比表面積が高く、ミクロ細孔~メソ細孔を有しているため、工業用ゴム、タイヤおよびシリコーンゴムなどの補強用の充填剤、紙用充填剤、塗料用の艶消し剤、歯磨き粉用などの研磨剤、ならびにフィルム用のアンチブロッキング剤など多岐にわたり広く利用されている。 Wet-process silica, which is made from conventional sand-derived sodium silicate, has a high BET specific surface area and micropores to mesopores, and is therefore widely used in a wide range of applications, including reinforcing fillers for industrial rubber, tires, and silicone rubber, paper fillers, matting agents for paints, abrasives for toothpaste, and antiblocking agents for films.
近年、地球環境を守るための持続的に再生が可能な社会の実現が求められるようになった。そのための具体策の一つとして、バイオマスボイラーやバイオマス発電など、化石燃料を使用しないバイオマス技術の普及が各地で進んでいる。そのような技術を使用する設備では、シリカ成分の多い植物(もみ殻や稲わら、麦わら、バガス、竹などイネ科の植物)が燃料として使用されることが多い。しかしながら、これらの設備では、シリカ成分の多い燃焼灰(植物灰)の廃棄処理が問題となっている。 In recent years, there has been a growing demand to create a sustainable and regenerative society in order to protect the global environment. As one concrete measure to achieve this, biomass technologies that do not use fossil fuels, such as biomass boilers and biomass power generation, are becoming more widespread in various regions. Facilities that use such technologies often use plants that are high in silica (rice husks, rice straw, wheat straw, bagasse, bamboo, and other grass family plants) as fuel. However, disposal of combustion ash (plant ash), which is high in silica, is an issue for these facilities.
そこで、この問題を解決する一つの方法として、シリカ成分を多く含む植物灰(特にもみ殻灰)を水酸化ナトリウム水溶液に溶解し、アルカリ成分を含有するケイ酸水溶液を製造し、これを湿式法シリカの原料として再利用する試みが以前から行われている(例えば、特許文献1および特許文献2)。 As a method to solve this problem, attempts have been made to dissolve plant ash (particularly rice husk ash) that contains a lot of silica in an aqueous solution of sodium hydroxide to produce an aqueous solution of silicic acid that contains an alkaline component, and to reuse this as a raw material for wet-process silica (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
なお、原料として植物灰を使用したケイ酸水溶液は、通常、アルカリ成分としてナトリウムに加えてカリウムを含有する。したがって、これ以降の説明では、アルカリ成分が特にナトリウムに限定されている場合を除き、一般に用いられる「ケイ酸ナトリウム」(Na2O・nSiO2)の呼称に替えて、アルカリ成分を含むケイ酸を「ケイ酸アルカリ」と称する。本件発明および本件明細書においてケイ酸アルカリはケイ酸ナトリウムを含む意味である。 In addition, aqueous silicic acid solutions using plant ash as a raw material usually contain potassium as an alkaline component in addition to sodium. Therefore, in the following description, except when the alkaline component is specifically limited to sodium, silicic acid containing an alkaline component will be referred to as "alkali silicate" instead of the commonly used term "sodium silicate" ( Na2O.nSiO2 ) . In the present invention and this specification, alkali silicate is intended to include sodium silicate.
特許文献1および特許文献2などの公知技術に基づいて、もみ殻灰や他の植物灰からケイ酸アルカリ水溶液を製造し、湿式法シリカを製造することは不可能ではない。 Based on known techniques such as those disclosed in Patent Documents 1 and 2, it is not impossible to produce an aqueous alkali silicate solution from rice husk ash or other plant ashes and produce wet-process silica.
しかしながら、植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液は、砂から作られるものよりも多くの着色を引き起こす不純物や異物を含んでおり、これら着色したケイ酸アルカリ水溶液から作られる湿式法シリカもまた、不純物や異物が多く、かつ着色した(白色度の低い)低品質な湿式法シリカにしかならない。そのため、植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液から製造された従来の湿式法シリカは、安価で汎用的な用途に使用する、または、植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液を砂由来のケイ酸アルカリ水溶液に少量だけ混合して使用するなど、限られた用途および用法でしか利用できなかった。 However, the aqueous alkali silicate solution derived from plant ash contains more impurities and foreign matter that cause coloring than that produced from sand, and wet-process silica produced from these colored aqueous alkali silicate solutions also contains many impurities and foreign matter, and is colored (low whiteness) and low-quality wet-process silica. Therefore, conventional wet-process silica produced from aqueous alkali silicate solutions derived from plant ash could only be used for limited purposes and usage, such as being used for cheap and general-purpose purposes, or being used by mixing a small amount of aqueous alkali silicate solution derived from plant ash with an aqueous alkali silicate solution derived from sand.
天然の砂は産地ごとに品質が一定であるため、従来の砂由来のケイ酸アルカリであれば、用途目的に応じて砂の原産地を変える等により、不純物等の品質に対処することが可能である。しかしながら、植物灰を使用する場合、植物灰自体が不純物と異物を多く含みかつ品質が不安定であるため、不純物や異物、着色の問題を解決するための対処方法を見出すことは困難である。 Since the quality of natural sand is consistent depending on the place of origin, with conventional sand-derived alkali silicate it is possible to address the quality of impurities by, for example, changing the place of origin of the sand depending on the intended use. However, when using plant ash, the plant ash itself contains a lot of impurities and foreign matter and is of unstable quality, making it difficult to find a way to solve the problems of impurities, foreign matter, and discoloration.
これらの理由により、植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液から製造された湿式法シリカは、期待されている程には普及していない。 For these reasons, wet-process silica produced from an aqueous solution of alkaline silicate derived from plant ash has not become as widespread as expected.
また、従来技術の手法は、長時間酸素と接触させる(特許文献1)、高温で燃焼を行う(特許文献2)など、二酸化炭素の発生量が多くかつエネルギー消費量も多い手法であり、近年の環境問題に対する配慮という観点から適切なものとは言えない。 In addition, conventional techniques, such as contacting the material with oxygen for a long period of time (Patent Document 1) or burning the material at high temperatures (Patent Document 2), generate large amounts of carbon dioxide and consume a lot of energy, and cannot be considered appropriate in light of recent considerations regarding environmental issues.
加えて、湿式法シリカを使用している需要者からは、環境に配慮した原料(ケイ酸アルカリ)を使用しつつ、高機能かつ高品質な湿式法シリカの供給が求められている。 In addition, users of wet-process silica are calling for the supply of high-performance, high-quality wet-process silica that uses environmentally friendly raw materials (alkali silicate).
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、従来の砂由来のケイ酸アルカリ水溶液を使用した場合と同程度に白色度が高い湿式法シリカの製造を可能にする植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to provide an aqueous solution of alkaline silicate derived from plant ash that enables the production of wet-process silica with a high degree of whiteness equivalent to that achieved by using a conventional aqueous solution of alkaline silicate derived from sand.
また、本発明の第2の目的は、そのように充分な品質のケイ酸アルカリ水溶液の製造を可能とするケイ酸アルカリ水溶液の製造方法を提供することである。 The second object of the present invention is to provide a method for producing an aqueous alkali silicate solution that enables the production of such an aqueous alkali silicate solution of sufficient quality.
本発明者らは、透過率が高い植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液を原料として湿式法シリカを製造することにより、従来の砂由来のケイ酸アルカリ水溶液を使用した場合と同程度に白色度が高い湿式法シリカを製造できることを見出し、本発明を完成させた。 The inventors discovered that by producing wet-process silica using an aqueous alkali silicate solution derived from plant ash, which has high transmittance, as a raw material, it is possible to produce wet-process silica with a high degree of whiteness equivalent to that produced by using an aqueous alkali silicate solution derived from conventional sand, and thus completed the present invention.
本発明の構成は、以下の通りである。
[1]
質量%表示でSiO2濃度に対するP2O5濃度の比P2O5/SiO2が1.0×10-3以上であり、SiO2濃度が8.9質量%~16.7質量%であり、光路長1cm、波長500nmにおける透過率(%T)が65%以上である、ケイ酸アルカリ水溶液。
[2]
モル%表示で(Na2O+K2O)濃度に対するSiO2濃度の比SiO2/(Na2O+K2O)が2.8~3.5である、[1]に記載のケイ酸アルカリ水溶液。
[3]
モル%表示でNa2O濃度に対するK2O濃度の比K2O/Na2Oが0.03~0.30である、[1]又は[2]に記載のケイ酸アルカリ水溶液。
[4]
目開き1μmのフィルタでケイ酸アルカリ水溶液をろ過した際に、フィルタ上に捕捉される固形分量が、ろ過前のケイ酸アルカリ水溶液の質量に対して100質量ppm未満である、[1]~[3]のいずれか1つに記載のケイ酸アルカリ水溶液。
[5]
湿式法シリカの原料として利用される、[1]~[4]のいずれか1つに記載のケイ酸アルカリ水溶液。
[6]
シリカ成分を含む植物灰、水酸化ナトリウムおよび水を混合して得られた原料ケイ酸アルカリ水溶液を、目開き50μm未満のフィルタによるろ過処理および吸着材を用いた吸着処理の一方または両方に供してケイ酸アルカリ水溶液を得ることを含む、ケイ酸アルカリ水溶液の製造方法。
[7]
植物灰がもみ殻灰である、[6]に記載のケイ酸アルカリ水溶液の製造方法。
The present invention is configured as follows.
[1]
An aqueous solution of alkali silicate in which the ratio of the P2O5 concentration to the SiO2 concentration, P2O5 / SiO2, expressed in mass%, is 1.0 x 10-3 or more, the SiO2 concentration is 8.9 mass% to 16.7 mass%, and the transmittance (%T) at an optical path length of 1 cm and a wavelength of 500 nm is 65% or more.
[2]
The aqueous alkali silicate solution according to [1], wherein the ratio of the SiO2 concentration to the ( Na2O + K2O ) concentration, SiO2 /( Na2O + K2O ), expressed in mol%, is 2.8 to 3.5.
[3]
The aqueous alkali silicate solution according to [1] or [2], wherein the ratio of the K 2 O concentration to the Na 2 O concentration, K 2 O/Na 2 O, expressed in mol %, is 0.03 to 0.30.
[4]
[1] to [3], wherein when the aqueous alkali silicate solution is filtered through a filter having an opening of 1 μm, the amount of solid matter captured on the filter is less than 100 ppm by mass relative to the mass of the aqueous alkali silicate solution before filtration.
[5]
The aqueous alkali silicate solution according to any one of [1] to [4], which is used as a raw material for wet-process silica.
[6]
A method for producing an aqueous alkali silicate solution includes subjecting a raw material aqueous alkali silicate solution obtained by mixing plant ash containing a silica component, sodium hydroxide and water to one or both of a filtration process using a filter having an opening size of less than 50 μm and an adsorption process using an adsorbent to obtain an aqueous alkali silicate solution.
[7]
The method for producing an alkali silicate aqueous solution according to [6], wherein the plant ash is rice husk ash.
本発明の植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液を原料として使用することにより、従来の砂由来のケイ酸ナトリウム水溶液を使用した場合と同程度に白色度が高く高品質な湿式法シリカの製造が可能となる。 By using the aqueous alkali silicate solution derived from plant ash of the present invention as a raw material, it is possible to produce high-quality wet-process silica with a high degree of whiteness equivalent to that produced by using a conventional aqueous sodium silicate solution derived from sand.
また、本発明の製造方法により、従来の砂由来のケイ酸アルカリ水溶液を使用した場合と同程度の白色度が高い湿式法シリカの製造を可能にする植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液を提供できる。 The manufacturing method of the present invention also provides an aqueous alkali silicate solution derived from plant ash that enables the production of wet-process silica with a high degree of whiteness equivalent to that achieved when a conventional aqueous alkali silicate solution derived from sand is used.
加えて、本発明では、通常であれば廃棄される植物灰を再利用できるため、環境に配慮したケイ酸アルカリ水溶液の供給が可能である。 In addition, the present invention allows the reuse of plant ash that would normally be discarded, making it possible to provide an environmentally friendly aqueous alkali silicate solution.
<ケイ酸アルカリ水溶液>
本発明のケイ酸アルカリ水溶液は、質量%表示でSiO2濃度に対するP2O5濃度の比P2O5/SiO2が1.0×10-3以上であり、SiO2濃度が8.9質量%~16.7質量%であり、光路長1cm、波長500nmにおける透過率(%T)が65%以上である、ケイ酸アルカリ水溶液である。
<Alkaline silicate aqueous solution>
The aqueous alkali silicate solution of the present invention is an aqueous alkali silicate solution in which the ratio of the P2O5 concentration to the SiO2 concentration , P2O5 / SiO2, expressed in mass%, is 1.0 x 10-3 or more, the SiO2 concentration is 8.9 mass% to 16.7 mass%, and the transmittance (%T) at a wavelength of 500 nm and an optical path length of 1 cm is 65% or more.
本発明のケイ酸アルカリ水溶液は、シリカ成分を含む植物の燃焼灰である植物灰を使用して製造される。植物灰には、リン成分が含まれており、酸化物換算したときのリン酸(P2O5)は植物灰固有に含まれる成分である。主なシリカ源として植物灰を使用した本発明のケイ酸アルカリ水溶液では、質量%表示でSiO2濃度に対するP2O5濃度の比が、砂由来のケイ酸アルカリ水溶液に比べて高くなり、比P2O5/SiO2が1.0×10-3以上となる。一般的に、シリカ源として砂のみを使用したケイ酸アルカリ水溶液中の比P2O5/SiO2が1.0×10-3以上となることはない。したがって、比P2O5/SiO2に基づくP2O5の存在によって、ケイ酸アルカリ水溶液が植物灰由来であること(つまり、シリカ源の少なくとも一部に植物灰が使用されていること)を判別することができる。本発明のケイ酸アルカリ水溶液において、比P2O5/SiO2は、1.5×10-3以上、1.8×10-3以上、または2.0×10-3以上であってもよい。比P2O5/SiO2の上限は、特に制限されず、植物灰の種類に依存するが、例えば20×10-3以下である。不純物を低減する観点から、比P2O5/SiO2は、15×10-3以下であることが好ましく、13×10-3以下であることがより好ましく、10×10-3以下であることがさらに好ましい。 The aqueous alkali silicate solution of the present invention is produced using plant ash, which is the combustion ash of a plant containing a silica component. The plant ash contains a phosphorus component, and phosphoric acid (P 2 O 5 ) in terms of oxide is a component inherent to the plant ash. In the aqueous alkali silicate solution of the present invention using plant ash as the main silica source, the ratio of the P 2 O 5 concentration to the SiO 2 concentration expressed in mass % is higher than that of an aqueous alkali silicate solution derived from sand, and the ratio P 2 O 5 /SiO 2 is 1.0×10 −3 or more. In general, the ratio P 2 O 5 /SiO 2 in an aqueous alkali silicate solution using only sand as a silica source is not 1.0×10 −3 or more. Therefore, the presence of P 2 O 5 based on the ratio P 2 O 5 /SiO 2 makes it possible to determine that the aqueous alkali silicate solution is derived from plant ash (i.e., plant ash is used as at least a part of the silica source). In the alkali silicate aqueous solution of the present invention, the ratio P2O5 / SiO2 may be 1.5x10-3 or more, 1.8x10-3 or more, or 2.0x10-3 or more. The upper limit of the ratio P2O5 / SiO2 is not particularly limited and depends on the type of plant ash, but is, for example, 20x10-3 or less. From the viewpoint of reducing impurities, the ratio P2O5 / SiO2 is preferably 15x10-3 or less, more preferably 13x10-3 or less , and even more preferably 10x10-3 or less.
本発明のケイ酸アルカリ水溶液において、光路長1cm、波長500nmにおける透過率(%T)は65%以上である。 In the alkali silicate aqueous solution of the present invention, the transmittance (%T) at an optical path length of 1 cm and a wavelength of 500 nm is 65% or more.
通常、植物灰には不純物や異物が多く含まれている。従来の方法により、不純物や異物の多い植物灰を使用してケイ酸アルカリ水溶液を製造すると、ケイ酸アルカリ水溶液中に不純物や異物が混入して上記透過率(%T)が低下してしまう。本発明のケイ酸アルカリ水溶液では、不純物や異物の量を低減することで、上記透過率を65%以上にしている。上記透過率が65%以上であることにより、白色度の高い湿式法シリカを製造しやすくなる。本発明のケイ酸アルカリ水溶液において、上記透過率は、好ましくは70%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上である。特に、透過率が80%以上であれば、白色度90以上の湿式法シリカを製造しやすくなる。 Usually, plant ash contains a lot of impurities and foreign matter. When an alkali silicate aqueous solution is produced by a conventional method using plant ash containing a lot of impurities and foreign matter, the impurities and foreign matter are mixed into the alkali silicate aqueous solution, resulting in a decrease in the transmittance (%T). In the alkali silicate aqueous solution of the present invention, the transmittance is set to 65% or more by reducing the amount of impurities and foreign matter. With the transmittance of 65% or more, it becomes easier to produce wet-process silica with a high degree of whiteness. In the alkali silicate aqueous solution of the present invention, the transmittance is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and even more preferably 90% or more. In particular, if the transmittance is 80% or more, it becomes easier to produce wet-process silica with a degree of whiteness of 90 or more.
透過率(%T)は、ホウケイ酸ガラス製の10mm角セル(標準型、光路長1cm)を使用し、純水を比較基準として分光光度計によって測定される、波長500nmでの測定値をいう。波長500nmは、可視光線波長(380nm~780nm)の中で青と緑の境界付近の波長であり、シリカの白色度と相関が取り易い波長である。 Transmittance (%T) is the measured value at a wavelength of 500 nm, measured by a spectrophotometer using a 10 mm square borosilicate glass cell (standard type, optical path length 1 cm) and pure water as a comparison standard. The wavelength of 500 nm is near the boundary between blue and green in the visible light wavelengths (380 nm to 780 nm), and is a wavelength that is easily correlated with the whiteness of silica.
本発明のケイ酸アルカリ水溶液中のSiO2濃度は8.9質量%~16.7質量%である。一般的に、湿式法シリカの原料として用いられるケイ酸アルカリ水溶液のSiO2濃度が上記範囲内である。そのため、SiO2濃度が上記範囲にあることにより、既存のケイ酸アルカリ水溶液と同様の用途で本発明のケイ酸アルカリ水溶液を使用しやすくなる。 The SiO2 concentration in the aqueous alkali silicate solution of the present invention is 8.9% by mass to 16.7% by mass. In general, the SiO2 concentration of an aqueous alkali silicate solution used as a raw material for wet-process silica is within the above range. Therefore, by having the SiO2 concentration within the above range, the aqueous alkali silicate solution of the present invention can be easily used in the same applications as existing aqueous alkali silicate solutions.
本発明のケイ酸アルカリ水溶液は、植物灰由来のナトリウム成分およびカリウム成分を含む。本発明のケイ酸アルカリ水溶液において、モル%表示で(Na2O+K2O)濃度に対するSiO2濃度の比SiO2/(Na2O+K2O)は2.8~3.5であることが好ましい。一般的に湿式法シリカの原料として用いられるケイ酸アルカリ水溶液において、モル比SiO2/(Na2O+K2O)(通常、K2O量は非常に少ない)は2.8~3.5の範囲である。そのため、モル比SiO2/(Na2O+K2O)が上記範囲であることにより、既存のケイ酸アルカリ水溶液と同様の用途で本発明のケイ酸アルカリ水溶液を使用しやすくなる。 The aqueous alkali silicate solution of the present invention contains sodium and potassium components derived from plant ash. In the aqueous alkali silicate solution of the present invention, the ratio of the SiO2 concentration to the ( Na2O + K2O ) concentration, SiO2 /( Na2O + K2O ), expressed in mole percent, is preferably 2.8-3.5. In aqueous alkali silicate solutions generally used as raw materials for wet-process silica, the molar ratio SiO2 /( Na2O + K2O ) (usually the amount of K2O is very small) is in the range of 2.8-3.5. Therefore, when the molar ratio SiO2 /( Na2O + K2O ) is in the above range, the aqueous alkali silicate solution of the present invention can be easily used in the same applications as existing aqueous alkali silicate solutions.
本発明のケイ酸アルカリ水溶液において、モル%表示でNa2O濃度に対するK2O濃度の比K2O/Na2Oは0.03~0.30であることが好ましい。モル比K2O/Na2Oが0.30以下であることにより、湿式法シリカを中和合成する際に中和反応のバラつきが生じにくくなるなど、湿式法シリカの品質安定性の問題が生じにくくなる。また、モル比K2O/Na2Oが0.03以上であれば、砂由来のケイ酸アルカリなど別の種類のケイ酸アルカリと混合するなどしてモル比K2O/Na2Oを調整しやすい。モル比K2O/Na2Oは、好ましくは0.04~0.20の範囲であり、より好ましくは0.05~0.15の範囲である。 In the aqueous alkali silicate solution of the present invention, the ratio of the K 2 O concentration to the Na 2 O concentration, K 2 O/Na 2 O, expressed in mole percent, is preferably 0.03 to 0.30. When the molar ratio K 2 O/Na 2 O is 0.30 or less, the neutralization reaction is less likely to vary when neutralizing and synthesizing wet-process silica, and problems with the quality stability of the wet-process silica are less likely to occur. In addition, when the molar ratio K 2 O/Na 2 O is 0.03 or more, the molar ratio K 2 O/Na 2 O can be easily adjusted by mixing with another type of alkali silicate, such as an alkali silicate derived from sand. The molar ratio K 2 O/Na 2 O is preferably in the range of 0.04 to 0.20, more preferably in the range of 0.05 to 0.15.
ケイ酸アルカリ中のモル比K2O/Na2Oは、ケイ酸アルカリが植物灰由来であるか否かの判断基準の1つとなり得る。通常、砂由来のケイ酸アルカリでは、モル比K2O/Na2Oは0.01未満である。したがって、モル比K2O/Na2Oが0.01以上である場合、後処理でK2O濃度を増加させる調整を行っていることが明らかな場合を除き、ケイ酸アルカリ水溶液が植物灰を含むといえる場合が多い。 The molar ratio K2O / Na2O in the alkali silicate can be one of the criteria for judging whether the alkali silicate is derived from plant ash or not. In alkali silicate derived from sand, the molar ratio K2O / Na2O is usually less than 0.01. Therefore, when the molar ratio K2O / Na2O is 0.01 or more, it is often said that the aqueous alkali silicate solution contains plant ash, except in cases where it is clear that the K2O concentration has been increased in a post-treatment.
Na2O濃度およびK2O濃度の合計(Na2O+K2O)は、例えば3.5質量%~5.0質量%であることができる。一般的に湿式法シリカの原料として用いられるケイ酸アルカリ水溶液において、Na2O+K2Oの合計濃度(通常、K2O量は非常に少ない)は3.5質量%~5.0質量%の範囲である。そのため、Na2O+K2Oの合計濃度が上記範囲であることにより、既存のケイ酸アルカリ水溶液と同様の用途で本発明のケイ酸アルカリ水溶液を使用しやすくなる。 The total of the Na 2 O concentration and the K 2 O concentration (Na 2 O + K 2 O) can be, for example, 3.5 mass % to 5.0 mass %. In an aqueous alkali silicate solution generally used as a raw material for wet-process silica, the total concentration of Na 2 O + K 2 O (usually the amount of K 2 O is very small) is in the range of 3.5 mass % to 5.0 mass %. Therefore, when the total concentration of Na 2 O + K 2 O is in the above range, the aqueous alkali silicate solution of the present invention can be easily used in the same applications as existing aqueous alkali silicate solutions.
本発明のケイ酸アルカリ水溶液において、目開き(粒子保持能)1μmのフィルタでケイ酸アルカリ水溶液をろ過した際に、フィルタ上に捕捉される固形分量は、ろ過前のケイ酸アルカリ水溶液の質量に対して100質量ppm未満であることが好ましい。上記固形分量は、ろ過前のケイ酸アルカリ水溶液の質量に対して90質量ppm未満であることが好ましく、80質量ppm未満であることがより好ましい。特に、後述する吸着処理およびろ過を実施した場合には、上記固形分量を50質量ppm未満、好ましくは40質量ppm未満、より好ましくは30質量ppm未満にすることも可能である。 In the aqueous alkali silicate solution of the present invention, when the aqueous alkali silicate solution is filtered through a filter with a mesh size (particle retention capacity) of 1 μm, the amount of solids captured on the filter is preferably less than 100 ppm by mass relative to the mass of the aqueous alkali silicate solution before filtration. The amount of solids is preferably less than 90 ppm by mass, and more preferably less than 80 ppm by mass, relative to the mass of the aqueous alkali silicate solution before filtration. In particular, when the adsorption treatment and filtration described below are performed, the amount of solids can be reduced to less than 50 ppm by mass, preferably less than 40 ppm by mass, and more preferably less than 30 ppm by mass.
使用するフィルタの材質は、目開き1μmであれば、特に限定されない。例えば、試験用ろ紙(例えば、規格5C、ADVANTEC社製)でろ過し、ろ紙を充分に純水で洗浄し、105℃で2時間乾燥させる。ろ紙上に残った固形分質量(未溶解残渣の質量)と、ろ過に供したケイ酸アルカリ水溶液の質量とに基づいて、未溶解残渣の質量%濃度は次式によって求めることができる。
本発明者らが行った実験によれば、従来の植物灰由来の湿式法シリカにおける着色の問題は、植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液中の不純物や異物が原因であると判明した。すなわち、従来の植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液中には多くの不純物や異物が存在し、その不純物や異物がケイ酸アルカリ水溶液を濁らせ着色する。そして、そのようなケイ酸アルカリ水溶液を用いて湿式法シリカを製造した結果、湿式法シリカに不純物や異物が混入し、湿式法シリカの白色度が低下するという問題が生じる。 According to experiments conducted by the present inventors, it was found that the coloration problem in conventional wet-process silica derived from plant ash is caused by impurities and foreign matter in the aqueous alkali silicate solution derived from plant ash. In other words, many impurities and foreign matter are present in conventional aqueous alkali silicate solutions derived from plant ash, and these impurities and foreign matter cloud and color the aqueous alkali silicate solution. When wet-process silica is produced using such an aqueous alkali silicate solution, impurities and foreign matter are mixed into the wet-process silica, resulting in a problem of reduced whiteness of the wet-process silica.
後述するように、植物灰には、未燃焼により残留した炭素成分、ならびに黒鉛系異物およびガラス化したシリカ成分などの不溶性異物が含まれており、植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液では未溶解残渣が生じやすい。未溶解残渣が多いケイ酸アルカリ水溶液をそのまま原料として湿式法シリカを製造した場合、湿式法シリカに多くの不純物や異物が混入してしまう。例えば、艶消し用途では、このような異物が、塗装後の表面上に点在して突起部となり、艶消し性能を低下させかつ外観上の美観を損ねる原因となる。また、製品の品質を低下させるために、工業用ゴム、タイヤおよび歯磨きなどの用途でも、湿式法シリカへの不純物や異物の混入は好ましくない。そこで、白色度の高い湿式法シリカを得るために、ケイ酸アルカリ水溶液中の未溶解残渣の質量%濃度を上記範囲に調整することにより、湿式法シリカへの不純物や異物の混入を抑制している。 As described later, plant ash contains carbon components remaining from unburned combustion, as well as insoluble foreign matter such as graphite-based foreign matter and vitrified silica components, and an aqueous solution of alkali silicate derived from plant ash is prone to producing undissolved residues. If an aqueous solution of alkali silicate containing a large amount of undissolved residues is used as the raw material to produce wet-process silica, many impurities and foreign matter will be mixed into the wet-process silica. For example, in matte applications, such foreign matter will be scattered on the surface after painting and become protrusions, which will reduce the matte performance and impair the aesthetic appearance. In addition, in applications such as industrial rubber, tires, and toothpaste, the inclusion of impurities and foreign matter in wet-process silica is undesirable because it will reduce the quality of the product. Therefore, in order to obtain wet-process silica with a high whiteness, the mass % concentration of undissolved residues in the aqueous solution of alkali silicate is adjusted to the above range to suppress the inclusion of impurities and foreign matter in wet-process silica.
本発明のケイ酸アルカリ水溶液は、所定のろ過処理および吸着処理の一方または両方を実施する本発明のケイ酸アルカリ水溶液の製造方法(後述のケイ酸アルカリ水溶液の製造方法)によって、得ることができる。また、実施例で示すように、本明細書で説明する所定の燃焼方法によって白色度が高い植物灰を得、この植物灰、水酸化ナトリウムおよび水を混合する、ケイ酸アルカリ水溶液の製造方法によって、得ることもできる。 The aqueous alkali silicate solution of the present invention can be obtained by the method for producing an aqueous alkali silicate solution of the present invention (the method for producing an aqueous alkali silicate solution described below) which involves carrying out one or both of a specified filtration process and an adsorption process. As shown in the examples, the aqueous alkali silicate solution can also be obtained by the method for producing an aqueous alkali silicate solution in which plant ash with a high whiteness is obtained by a specified combustion method described in this specification, and the plant ash is mixed with sodium hydroxide and water.
比較として、例えば、特許文献1および2の方法では、得られたケイ酸アルカリ水溶液に対し、ろ過処理などの精製処理がされていない。そのため、植物灰中の不純物や異物の存在によって、上記のような従来のケイ酸アルカリ水溶液は透明とはならず、白色度の高い湿式法シリカをつくることは出来なかった。このことは、実施例に記載の比較例3の結果によって実証されている。 For comparison, in the methods of Patent Documents 1 and 2, for example, the obtained aqueous alkali silicate solution is not subjected to purification treatment such as filtration. Therefore, due to the presence of impurities and foreign matter in the plant ash, the conventional aqueous alkali silicate solution as described above is not transparent, and wet-process silica with high whiteness cannot be produced. This is demonstrated by the results of Comparative Example 3 described in the Examples.
<ケイ酸アルカリ水溶液の製造方法>
本発明のケイ酸アルカリ水溶液の製造方法は、シリカ成分を含む植物灰、水酸化ナトリウムおよび水を混合して得られた原料ケイ酸アルカリ水溶液を、目開き50μm未満のフィルタによるろ過処理および吸着材を用いた吸着処理の一方または両方に供してケイ酸アルカリ水溶液を得ることを含む。この製造方法により、上述した本発明のケイ酸アルカリ水溶液を得ることができる。
<Method of producing an aqueous alkali silicate solution>
The method for producing an aqueous alkali silicate solution of the present invention includes subjecting a raw aqueous alkali silicate solution obtained by mixing plant ash containing a silica component, sodium hydroxide and water to one or both of a filtration process using a filter having an opening size of less than 50 μm and an adsorption process using an adsorbent to obtain an aqueous alkali silicate solution. By this production method, the aqueous alkali silicate solution of the present invention described above can be obtained.
<シリカ成分を含む植物灰>
本発明のケイ酸アルカリ水溶液を製造する際に使用する植物灰は、シリカ成分を含む植物材料の燃焼灰である。植物材料の種類および部位は、シリカ成分を含む植物および部位であれば、特に制限されない。シリカ成分を含む植物としては、例えば稲(稲わら、もみ殻)、麦、サトウキビ、竹などイネ科の植物が挙げられる。汚泥付着等の汚染が少なく、集積所に集まり、入手が容易である等の理由から、脱穀後のもみ殻(米殻)が最も好ましい。
<Plant ash containing silica components>
The plant ash used in producing the aqueous alkali silicate solution of the present invention is the combustion ash of a plant material containing a silica component. The type and part of the plant material are not particularly limited as long as it is a plant and part containing a silica component. Examples of plants containing silica components include plants of the Gramineae family, such as rice (rice straw and rice husk), wheat, sugarcane, and bamboo. Rice husks after threshing are most preferred because they are less contaminated by sludge, are collected at collection sites, and are easily available.
本発明で使用する植物灰の品質は特に制限されないが、不純物や異物の少ないケイ酸アルカリ水溶液を工業的に効率良く生産する観点から、炭素成分の含有量が少なく白色度の高い植物灰を使用することが好ましい。植物灰中の炭素量は、2質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることが好ましい。植物灰中の炭素量の下限は、特に限定されず、実際的には0.05質量%以上であり、0.1質量%以上でもよい。植物灰の白色度は、30以上であることが好ましく、40以上であることがより好ましく、50以上であることがさらに好ましい。植物灰の白色度の上限は、特に限定されず、実際的には90以下であり、70以下でもよい。 The quality of the plant ash used in the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint of industrially efficiently producing an aqueous alkali silicate solution with few impurities and foreign matter, it is preferable to use plant ash with a low carbon content and high whiteness. The amount of carbon in the plant ash is preferably 2 mass% or less, and preferably 1 mass% or less. The lower limit of the amount of carbon in the plant ash is not particularly limited, and in practice it is 0.05 mass% or more, and may be 0.1 mass% or more. The whiteness of the plant ash is preferably 30 or more, more preferably 40 or more, and even more preferably 50 or more. The upper limit of the whiteness of the plant ash is not particularly limited, and in practice it is 90 or less, and may be 70 or less.
上述のような白色度が高くかつ不純物や異物が少ない植物灰を得るためには、植物材料を流動させながら550℃~900℃で燃焼させることが可能な燃焼炉を使用することが好ましい。燃焼温度は、600℃~800℃であることがより好ましく、650℃~750℃であることが更に好ましい。 To obtain plant ash with high whiteness and few impurities and foreign matter as described above, it is preferable to use a combustion furnace that can burn the plant material at 550°C to 900°C while flowing it. The combustion temperature is more preferably 600°C to 800°C, and even more preferably 650°C to 750°C.
ここで、シリカ成分を含む植物材料を流動させながら550℃~900℃で燃焼させる上記燃焼方法と植物灰中の不純物や異物との関係について説明する。白色度の高い植物灰を作るために、本発明者らは、植物灰中の不純物と異物の種類およびその発生原因を詳細に調べた。その結果、550℃より低い温度で燃焼した場合および不充分な材料流動等により燃焼が不均一である場合に、植物材料が未燃焼となりやすく、水溶性炭化水素成分が植物灰中に残留しやすいことが分かった。水溶性炭化水素成分は、ケイ酸アルカリ水溶液に溶解してろ過で除去することが難しく、水溶液の着色原因となる。また、燃焼の際に充分な酸素が供給されない場合に、植物材料中の炭化水素成分が炭化して不溶性の黒鉛系異物が植物灰中に生成されることが分かった。加えて、700℃以上の燃焼温度で植物材料を一挙に燃焼した場合には、ガラス化したシリカ成分が不溶性異物として植物灰中に生成されやすいことが分かった。この場合、材料表面のシリカ成分がガラス化したことにより材料内部で未燃焼および酸素不足の状態になりやすく、水溶性炭化水素成分および不溶性の黒鉛系異物も生成されやすいことが分かった。高温下で一挙に燃焼して得た植物灰を使用してケイ酸アルカリ水溶液を製造すると、ガラス化したシリカ成分に加えて、水溶性炭化水素成分および不溶性の黒鉛系異物も、ケイ酸アルカリ水溶液に混入してしまい、ケイ酸アルカリ水溶液の品質低下が顕著となる。また、一見して白色の灰に見えても、水溶性炭化水素成分、不溶性の黒鉛系異物、およびガラス化したシリカ成分などの不純物や異物は植物灰中に一定量存在することが確認された。植物灰中の不純物や異物の上記発生過程を考慮すると、白色度の高い植物灰を得るためには、上述した燃焼方法により、シリカ成分のガラス化を抑制しながら充分な酸素下で植物材料を均一に燃焼することが有効である。 Here, the relationship between the above-mentioned combustion method in which plant material containing silica components is burned at 550°C to 900°C while flowing, and impurities and foreign matter in plant ash will be explained. In order to produce plant ash with high whiteness, the inventors have investigated in detail the types of impurities and foreign matter in plant ash and the causes of their generation. As a result, it was found that when burning at a temperature lower than 550°C or when the burning is uneven due to insufficient material flow, the plant material is likely to be unburned and water-soluble hydrocarbon components are likely to remain in the plant ash. Water-soluble hydrocarbon components are difficult to dissolve in an alkali silicate solution and remove by filtration, and cause the solution to become discolored. It was also found that when sufficient oxygen is not supplied during burning, the hydrocarbon components in the plant material are carbonized and insoluble graphite-based foreign matter is generated in the plant ash. In addition, it was found that when plant material is burned all at once at a combustion temperature of 700°C or higher, vitrified silica components are likely to be generated in the plant ash as insoluble foreign matter. In this case, it was found that the silica components on the surface of the material were vitrified, which made it easy for the inside of the material to become unburned and oxygen-deficient, and that water-soluble hydrocarbon components and insoluble graphite-based foreign matter were also easily generated. If an alkali silicate solution is produced using plant ash obtained by burning at high temperatures all at once, in addition to the vitrified silica components, water-soluble hydrocarbon components and insoluble graphite-based foreign matter are also mixed into the alkali silicate solution, resulting in a significant decrease in the quality of the alkali silicate solution. In addition, even if the ash appears white at first glance, it was confirmed that a certain amount of impurities and foreign matter such as water-soluble hydrocarbon components, insoluble graphite-based foreign matter, and vitrified silica components are present in the plant ash. Considering the above-mentioned generation process of impurities and foreign matter in plant ash, in order to obtain plant ash with a high degree of whiteness, it is effective to burn the plant material uniformly under sufficient oxygen while suppressing the vitrification of silica components using the above-mentioned combustion method.
上記燃焼方法において、植物材料の燃焼には、燃焼炉を使用することが好ましい。燃焼炉の型式は、特に制限されない。上述したように、白色度が高くかつ不純物や異物が少ない植物灰を得るためには、燃焼中に植物材料を流動させる流動装置を備える燃焼炉であって、植物材料を流動させながら550℃~900℃で燃焼させることが可能な燃焼炉を使用することが好ましい。例えば、燃焼炉は、植物材料を酸素で燃焼させる直接燃焼炉でもよく、植物材料を無酸素または低酸素の状態で加熱して有機ガスを発生させた後、材料を燃焼させるガス化燃焼炉でもよい。また、植物灰が黒鉛系の異物を多く含む場合には、例えば同一の燃焼炉における二次燃焼によって、一次燃焼の熱を再利用しながら炭素成分を除去してもよい。
このような方法によれば、植物灰の品質が安定しやすいため、本発明のケイ酸アルカリ水溶液のシリカ源としてより良好な植物灰となる。
In the above-mentioned combustion method, it is preferable to use a combustion furnace for burning the plant material. The type of the combustion furnace is not particularly limited. As described above, in order to obtain plant ash with high whiteness and few impurities and foreign matter, it is preferable to use a combustion furnace equipped with a fluidizing device that fluidizes the plant material during combustion and capable of burning the plant material at 550°C to 900°C while fluidizing it. For example, the combustion furnace may be a direct combustion furnace in which the plant material is burned with oxygen, or a gasification combustion furnace in which the plant material is heated in an oxygen-free or low-oxygen state to generate organic gas and then burn the material. In addition, when the plant ash contains a large amount of graphite-based foreign matter, the carbon components may be removed by, for example, secondary combustion in the same combustion furnace while reusing the heat of the primary combustion.
According to such a method, the quality of the plant ash tends to be stable, so that the plant ash becomes more suitable as a silica source for the aqueous alkali silicate solution of the present invention.
<水酸化ナトリウム水溶液>
本発明の製造方法において使用する水酸化ナトリウムおよび水は公知のものを使用できる。水酸化ナトリウム水溶液と植物灰を混合する態様において、水酸化ナトリウム水溶液の濃度は、特に制限されず、公知のものを使用することができる。一般的には、ケイ酸アルカリ水溶液の生産性の観点から、可能な限り高濃度の水酸化ナトリウム水溶液と植物灰を混合し、その後、所望のSiO2濃度になるように水で希釈することが好ましい。一方、植物灰は見かけ密度が非常に小さいため、水酸化ナトリウム水溶液の濃度が高すぎると、植物灰を水酸化ナトリウム水溶液へ投入しにくい場合がある。植物灰および水酸化ナトリウム水溶液を混合しやすくする観点から、水酸化ナトリウム水溶液の濃度は20質量%以下であることが実際的であり、15質量%以下または10質量%以下であっても良い。
<Sodium hydroxide solution>
The sodium hydroxide and water used in the production method of the present invention can be known. In the embodiment in which the aqueous sodium hydroxide solution and the plant ash are mixed, the concentration of the aqueous sodium hydroxide solution is not particularly limited, and known solutions can be used. In general, from the viewpoint of productivity of the aqueous alkali silicate solution, it is preferable to mix the aqueous sodium hydroxide solution and the plant ash at as high a concentration as possible, and then dilute with water to a desired SiO2 concentration. On the other hand, since the apparent density of the plant ash is very small, if the concentration of the aqueous sodium hydroxide solution is too high, it may be difficult to put the plant ash into the aqueous sodium hydroxide solution. From the viewpoint of making it easy to mix the plant ash and the aqueous sodium hydroxide solution, the concentration of the aqueous sodium hydroxide solution is practically 20% by mass or less, and may be 15% by mass or less or 10% by mass or less.
<ケイ酸アルカリ水溶液の詳細な製造条件>
本発明のケイ酸アルカリ水溶液は、シリカ成分を含む植物灰、水酸化ナトリウムおよび水を混合して得られる。植物灰、水酸化ナトリウムおよび水の混合の順序は特に制限されない。植物灰と水酸化ナトリウムを同時にまたは個別に水に入れてもよく、植物灰と水酸化ナトリウムの混合物を水に入れてもよく、水酸化ナトリウムを水に溶かした水酸化ナトリウム水溶液に植物灰を入れてもよく、植物灰を水に溶かした水溶液に水酸化ナトリウムを入れてもよい。
<Detailed manufacturing conditions of the alkaline silicate aqueous solution>
The aqueous alkali silicate solution of the present invention is obtained by mixing plant ash containing silica components, sodium hydroxide and water. The order of mixing plant ash, sodium hydroxide and water is not particularly limited. Plant ash and sodium hydroxide may be added to water simultaneously or separately, a mixture of plant ash and sodium hydroxide may be added to water, plant ash may be added to an aqueous sodium hydroxide solution obtained by dissolving sodium hydroxide in water, or sodium hydroxide may be added to an aqueous solution obtained by dissolving plant ash in water.
使用する水、水酸化ナトリウム、植物灰の量と混合比率は、植物灰の種類ならびにケイ酸アルカリ水溶液の目標とするSiO2濃度および用途などの条件に応じて適宜調整することができる。ガラス化したシリカ成分は溶解しにくいため、植物灰中のシリカ成分の全てを水溶液に溶解させる必要はない。植物灰中のシリカ成分の概ね90質量%~95質量%を溶解させるような方法であれば、エネルギー使用量や時間的に生産性よくケイ酸アルカリ水溶液を製造できる。 The amounts and mixing ratios of water, sodium hydroxide, and plant ash used can be appropriately adjusted depending on the type of plant ash, the target SiO2 concentration of the alkali silicate aqueous solution, the intended use, and other conditions. Since vitrified silica components are difficult to dissolve, it is not necessary to dissolve all of the silica components in the plant ash in the aqueous solution. If a method is used that dissolves approximately 90% by mass to 95% by mass of the silica components in the plant ash, the aqueous alkali silicate solution can be produced with good productivity in terms of energy consumption and time.
例えば、植物灰に含まれるシリカ成分のうち90%が水溶液に溶解すると仮定した場合、植物灰の投入量は、水溶液中の水酸化ナトリウム質量に対して3倍の質量を目安に投入し溶解すると、モル%表示で(Na2O+K2O)濃度に対するSiO2濃度の比SiO2/(Na2O+K2O)を2.8~3.5に調整し易い。 For example, if it is assumed that 90% of the silica component contained in the plant ash dissolves in the aqueous solution, then the amount of plant ash added and dissolved should be approximately three times the mass of sodium hydroxide in the aqueous solution, and it will be easy to adjust the ratio of the SiO2 concentration to the ( Na2O + K2O ) concentration, SiO2 /( Na2O + K2O ), expressed as molar percentage, to 2.8 to 3.5.
本発明の製造方法において、植物灰、水酸化ナトリウムおよび水を混合溶解するその他の条件は特に制限されない。 In the manufacturing method of the present invention, other conditions for mixing and dissolving the plant ash, sodium hydroxide, and water are not particularly limited.
混合溶解は、例えば、撹拌付きの溶解槽(容器)で、常圧(大気圧)下または加圧下で60℃~100℃および1時間~5時間の範囲で適宜選択して行われる。 Mixing and dissolving is carried out, for example, in a dissolving tank (container) with stirring, at normal pressure (atmospheric pressure) or under pressure, at a temperature between 60°C and 100°C for 1 hour to 5 hours as appropriate.
本発明の製造方法は、上記のようにして得られた原料ケイ酸アルカリ水溶液を、目開き50μm未満のフィルタによるろ過処理および吸着材を用いた吸着処理の一方または両方に供してケイ酸アルカリ水溶液を得ることを含む。従前の植物灰には、前述したとおり、黒鉛系の異物、シリカ成分がガラス化した異物、および水溶性の炭化水素化合物などの不純物が混在している。これらの不純物や異物が、ケイ酸アルカリ水溶液および湿式法シリカに混入すると、それらの着色原因となる。したがって、例えば従前の植物灰を水酸化ナトリウム水溶液に溶解させただけでは、本発明が目的とする品質の湿式法シリカを得ることはできない。本発明では、原料ケイ酸アルカリ水溶液に上記ろ過処理および吸着処理の一方または両方を実施することで、ケイ酸アルカリ水溶液中の不純物や異物を除去する。 The manufacturing method of the present invention includes subjecting the raw alkali silicate aqueous solution obtained as described above to one or both of a filtration process using a filter with an opening of less than 50 μm and an adsorption process using an adsorbent to obtain an alkali silicate aqueous solution. As described above, conventional plant ash contains impurities such as graphite-based foreign matter, foreign matter in which silica components have been vitrified, and water-soluble hydrocarbon compounds. If these impurities or foreign matter are mixed into the alkali silicate aqueous solution and the wet-process silica, they will cause coloring. Therefore, for example, by simply dissolving conventional plant ash in a sodium hydroxide aqueous solution, it is not possible to obtain wet-process silica of the quality desired by the present invention. In the present invention, impurities and foreign matter in the alkali silicate aqueous solution are removed by subjecting the raw alkali silicate aqueous solution to one or both of the filtration process and the adsorption process.
ろ過処理で使用するフィルタの目開きは、不溶性の異物を除去するため、50μm未満である。異物をより充分に除去する観点から、フィルタの目開きは、40μm以下であることが好ましく、30μm以下であることがより好ましく、20μm以下であることがさらに好ましい。フィルタの目開きが10μm以下の場合はろ過性(生産性)が著しく悪化するため、生産性と品質を考慮しながら適宜選択すれば良い。フィルタの材質は、特に制限されず、ろ紙、ろ布およびメンブレンフィルタなど各種のフィルタを使用できる。異物をより充分に除去する観点から、目開き50μm未満のフィルタによるろ過処理は、複数回実施してもよい。当該ろ過処理を複数回実施する場合には、見開きが大きい順に実施するのが一般的である。 The mesh size of the filter used in the filtration process is less than 50 μm in order to remove insoluble foreign matter. From the viewpoint of more thoroughly removing foreign matter, the mesh size of the filter is preferably 40 μm or less, more preferably 30 μm or less, and even more preferably 20 μm or less. If the mesh size of the filter is 10 μm or less, the filtering property (productivity) is significantly deteriorated, so it is sufficient to select an appropriate mesh size while considering productivity and quality. There are no particular restrictions on the material of the filter, and various filters such as filter paper, filter cloth, and membrane filters can be used. From the viewpoint of more thoroughly removing foreign matter, the filtration process using a filter with a mesh size of less than 50 μm may be performed multiple times. When the filtration process is performed multiple times, it is generally performed in order of increasing mesh size.
また、本発明の製造方法において、目開き50μm未満のフィルタによるろ過処理を実施する前に、目開き50μm以上のフィルタによるろ過処理を行っても良い。目開き50μm以上のフィルタによるろ過処理は、未溶解の粗粒子が多い場合等に必要に応じて適宜実施することができる。 In addition, in the manufacturing method of the present invention, filtration using a filter with a mesh size of 50 μm or more may be performed before filtration using a filter with a mesh size of less than 50 μm. Filtration using a filter with a mesh size of 50 μm or more can be performed as necessary when there is a large amount of undissolved coarse particles, etc.
吸着処理は、ろ過処理によって除去しにくい水溶性不純物を除去することができる。 Adsorption processing can remove water-soluble impurities that are difficult to remove by filtration processing.
吸着処理実施の有無は、ケイ酸アルカリ水溶液中の不純物の量および種類に応じて適宜決定される。例えば、波長500nmにおける前述の透過率(%T)が10%未満であるケイ酸アルカリ水溶液に対してはろ過および吸着処理の両方を実施することが好ましい。 Whether or not to perform the adsorption treatment is determined appropriately depending on the amount and type of impurities in the aqueous alkali silicate solution. For example, it is preferable to perform both filtration and adsorption treatment for an aqueous alkali silicate solution whose transmittance (% T) at a wavelength of 500 nm is less than 10%.
これに対し、いずれか一方の処理後に65%以上の上記透過率(%T)を達成できる場合(例えば植物灰中の不純物や異物が少なかった場合)であれば、ろ過および吸着処理はそのいずれか一方のみでもよい。具体的には、不溶性異物を除去できれば充分である場合にはろ過のみを実施すればよく、水溶性不純物を除去できれば充分である場合には、吸着処理のみを実施すればよい。また、上記透過率(%T)が65%以上であるケイ酸アルカリ水溶液に対し、透過率をさらに向上させるためにろ過および吸着処理の一方またはその両方を実施してもよく、ろ過後に吸着処理を実施し、残存する吸着剤を除去するために再度ろ過を行ってもよい。 On the other hand, if the transmittance (%T) of 65% or more can be achieved after either one of the treatments (for example, if there are few impurities or foreign matter in the plant ash), then only one of the filtration and adsorption treatments may be performed. Specifically, if it is sufficient to remove insoluble foreign matter, then only filtration may be performed, and if it is sufficient to remove water-soluble impurities, then only adsorption treatment may be performed. In addition, for an aqueous alkali silicate solution with the transmittance (%T) of 65% or more, one or both of the filtration and adsorption treatments may be performed to further improve the transmittance, or an adsorption treatment may be performed after filtration, and filtration may be performed again to remove remaining adsorbent.
吸着処理で使用する吸着材は、特に制限されず、公知の吸着材を使用できる。吸着材としては、例えば珪藻土、粘土鉱物、活性炭、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナが挙げられる。吸着材は活性炭であることが好ましい。吸着処理の時間は、ケイ酸アルカリ水溶液中の不純物や異物量に応じて適宜調整でき、例えば12時間~40時間であり、15時間~30時間であることが好ましい。吸着処理で使用する吸着材の量は、ケイ酸アルカリ水溶液中の不純物量に応じて適宜調整でき、例えばケイ酸アルカリ水溶液1,000gに対し5g~20gであり、8g~15gでもよい。 The adsorbent used in the adsorption treatment is not particularly limited, and any known adsorbent can be used. Examples of adsorbents include diatomaceous earth, clay minerals, activated carbon, zeolite, silica gel, and activated alumina. The adsorbent is preferably activated carbon. The time of the adsorption treatment can be adjusted appropriately depending on the amount of impurities and foreign matter in the aqueous alkali silicate solution, and is, for example, 12 to 40 hours, and preferably 15 to 30 hours. The amount of the adsorbent used in the adsorption treatment can be adjusted appropriately depending on the amount of impurities in the aqueous alkali silicate solution, and is, for example, 5 g to 20 g, or may be 8 g to 15 g per 1,000 g of the aqueous alkali silicate solution.
植物灰中のシリカ成分およびアルカリ成分は一定でないため、ケイ酸アルカリ水溶液中のK2O、SiO2濃度にはバラつきが生じやすい。そのため、必要に応じて、上記ろ過処理および吸着処理の一方または両方を行った後に、最終的な濃度調整や各モル比の調整を行う。SiO2質量%の調整は、水希釈またはシリカ材料(例えば、市販のシリカ粉末)の追加添加によって行うことができる。モル%表示で(Na2O+K2O)濃度に対するSiO2濃度の比SiO2/(Na2O+K2O)の調整は、水酸化ナトリウムの添加によって行うことができる。 Since the silica and alkali components in plant ash are not constant, the K2O and SiO2 concentrations in the alkali silicate solution are likely to vary. Therefore, if necessary, the final concentration adjustment and each molar ratio adjustment are performed after performing one or both of the above filtration and adsorption treatments. The SiO2 mass% can be adjusted by diluting with water or adding additional silica material (e.g., commercially available silica powder). The ratio of the SiO2 concentration to the ( Na2O + K2O ) concentration in mol% ( SiO2 /( Na2O + K2O )) can be adjusted by adding sodium hydroxide.
<ケイ酸アルカリ水溶液のその他の条件>
本発明のケイ酸アルカリ水溶液は、シリカ源の一部に、砂由来(珪砂や珪石、ケイ酸白土など)のシリカ材料を使用しても良い。湿式法シリカの品質を重視する場合には、砂由来のシリカ材料の割合を増やすことができ、環境への配慮(植物灰の再利用)を重視する場合には、植物灰の割合を増やすことができる。環境への配慮の観点から、植物灰を可能な限り多く使用することが好ましい。シリカ源中の植物灰の割合は、60質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましい。原料ケイ酸アルカリ水溶液の調製において、シリカ源として砂由来のシリカ材料を使用せず、植物灰の量を100質量%とすることもできる。
<Other conditions for the alkaline silicate aqueous solution>
The aqueous alkali silicate solution of the present invention may use a silica material derived from sand (such as silica sand, silica stone, or silicic clay) as a part of the silica source. When the quality of the wet-process silica is important, the proportion of the silica material derived from sand can be increased, and when environmental consideration (reuse of plant ash) is important, the proportion of plant ash can be increased. From the viewpoint of environmental consideration, it is preferable to use as much plant ash as possible. The proportion of plant ash in the silica source is preferably 60% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and even more preferably 90% by mass or more. In the preparation of the raw alkali silicate aqueous solution, it is also possible to use 100% by mass of plant ash without using a silica material derived from sand as the silica source.
砂由来のシリカ材料は、上記ケイ酸アルカリ水溶液を調製する際に、シリカ源の一部として添加されても良い。また、砂由来のシリカ材料は、植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液と砂由来のケイ酸ナトリウム水溶液を別々に作りそれらの水溶液を使用する前に混ぜる形態で、使用されても良い。 The sand-derived silica material may be added as part of the silica source when preparing the above-mentioned aqueous alkali silicate solution. The sand-derived silica material may also be used in such a form that an aqueous alkali silicate solution derived from plant ash and an aqueous sodium silicate solution derived from sand are prepared separately and then mixed before use.
本発明のケイ酸アルカリ水溶液は、必要に応じて、添加剤を含むことができる。添加剤としては特に制限されず、公知の添加剤を使用できる。例えば、アルミン酸ナトリウムなどの酸化アルミニウム(Al2O3)源を添加することができる。このような添加剤を含むケイ酸アルカリ水溶液から製造する湿式法シリカは、シリコーンゴム、工業用ゴムおよびタイヤの補強剤として、補強性能を向上させる効果がある。 The aqueous alkali silicate solution of the present invention may contain additives as necessary. The additives are not particularly limited, and known additives may be used. For example, an aluminum oxide ( Al2O3 ) source such as sodium aluminate may be added. The wet process silica produced from the aqueous alkali silicate solution containing such additives has the effect of improving reinforcing performance as a reinforcing agent for silicone rubber, industrial rubber, and tires.
以上、本発明の製造方法によれば、植物灰中の黒鉛系の異物、シリカ成分がガラス化した異物、および水溶性の炭化水素化合物などの不純物や異物をケイ酸アルカリ水溶液から充分に除去することができる。その結果、砂由来のケイ酸アルカリ水溶液を使用した場合と同程度に白色度が高い湿式法シリカの製造が可能な植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液を提供できる。 As described above, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to sufficiently remove impurities and foreign matter such as graphite-based foreign matter in plant ash, foreign matter resulting from vitrification of silica components, and water-soluble hydrocarbon compounds from the aqueous alkali silicate solution. As a result, it is possible to provide an aqueous alkali silicate solution derived from plant ash that can produce wet-process silica with a high degree of whiteness equivalent to that obtained when an aqueous alkali silicate solution derived from sand is used.
加えて、本発明では、通常であれば廃棄される植物灰を再利用できるため、環境に配慮したケイ酸アルカリ水溶液の供給が可能である。また、本発明の製造方法によって得られるケイ酸アルカリ水溶液では、不純物や異物の含有量が少ないため、高品質な湿式法シリカの製造が可能となる。 In addition, the present invention allows the reuse of plant ash that would normally be discarded, making it possible to supply an environmentally friendly aqueous solution of alkaline silicate. Furthermore, the aqueous solution of alkaline silicate obtained by the manufacturing method of the present invention contains a small amount of impurities and foreign matter, making it possible to manufacture high-quality wet-process silica.
<ケイ酸アルカリ水溶液の使用用途>
本発明のケイ酸アルカリ水溶液は、湿式法シリカ製造用の原料として使用することができる。本発明のケイ酸アルカリ水溶液は植物灰由来であるにもかかわらず、上記透過率(%T)が65%以上であり、着色原因となる不純物や異物の含有量が少ない。本発明のケイ酸アルカリ水溶液を原料として使用することにより、植物灰を使用して製造されたにも関わらず、従来の砂由来のケイ酸アルカリ水溶液を使用した場合と同程度に白色度が高い湿式法シリカの製造が可能である。また、本発明のケイ酸アルカリ水溶液は、不純物や異物の含有量が少ないため、不純物や異物の少ない高品質な湿式法シリカの製造が可能となる。
<Uses of alkaline silicate aqueous solution>
The aqueous alkali silicate solution of the present invention can be used as a raw material for producing wet-process silica. Although the aqueous alkali silicate solution of the present invention is derived from plant ash, the transmittance (%T) is 65% or more, and the content of impurities and foreign matter that cause coloring is low. By using the aqueous alkali silicate solution of the present invention as a raw material, it is possible to produce wet-process silica with a high degree of whiteness equivalent to that of the conventional aqueous alkali silicate solution derived from sand, even though it is produced using plant ash. In addition, since the aqueous alkali silicate solution of the present invention has a low content of impurities and foreign matter, it is possible to produce high-quality wet-process silica with few impurities and foreign matter.
本発明のケイ酸アルカリ水溶液を原料として製造される湿式法シリカの種類は、特に制限されず、例えば沈澱法シリカ(ホワイトカーボン)でもよく、ゲル法シリカでもよい。この理由は、湿式法シリカであれば、ケイ酸アルカリ水溶液からシリカを析出するプロセスは基本的に全て同じ傾向を示すためである。湿式法シリカの合成プロセスの一例を下記に示す(化学式C)。
・化学式C(湿式法シリカの合成プロセスの例)
M2O・nSiO2+H2SO4 → nSiO2+M2SO4+H2O
ここで、Mはナトリウムおよびカリウムを含むアルカリを表し、nはモル比を表す。
The type of wet-process silica produced from the aqueous alkali silicate solution of the present invention is not particularly limited, and may be, for example, precipitated silica (white carbon) or gel silica.The reason for this is that the process of precipitating silica from an aqueous alkali silicate solution for wet-process silica basically all show the same tendency.An example of the synthesis process of wet-process silica is shown below (chemical formula C).
Chemical formula C (Example of wet silica synthesis process)
M 2 O・nSiO 2 +H 2 SO 4 → nSiO 2 +M 2 SO 4 +H 2 O
Here, M represents an alkali including sodium and potassium, and n represents a molar ratio.
本発明のケイ酸アルカリ水溶液を原料として製造した湿式法シリカは、白色度が高くかつ異物が少ないため、工業用ゴムやタイヤ用の補強充填剤として充分な補強性を有する。さらには、シリコーンゴム用の補強充填剤、紙用充填剤(裏抜け防止剤)、塗料の艶消し剤、歯磨き用などの研磨剤、およびフィルムのアンチブロッキング剤など、透明性や白色度を重視する用途においても、公知の砂由来のケイ酸アルカリ水溶液と同様に使用することが可能である。 The wet-process silica produced using the aqueous alkali silicate solution of the present invention as a raw material has high whiteness and little foreign matter, and therefore has sufficient reinforcing properties to be used as a reinforcing filler for industrial rubber and tires. Furthermore, it can be used in applications where transparency and whiteness are important, such as reinforcing fillers for silicone rubber, paper fillers (anti-strike-through agents), matting agents for paints, abrasives for toothpaste, and anti-blocking agents for films, in the same way as known aqueous alkali silicate solutions derived from sand.
また、本発明のケイ酸アルカリ水溶液中の不純物や異物が少ないため、本発明のケイ酸アルカリ水溶液は、湿式法シリカ以外の公知の用途、例えば、合成ゼオライトの原料、土建用地盤硬化剤ならびに洗浄剤、繊維およびパルプ用の添加剤などにも使用できる。本発明のケイ酸アルカリ水溶液を使用することにより、従来の植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液に比べて、上記のような材料および製品に異物が混入する問題が生じにくくなる。 In addition, since the aqueous alkali silicate solution of the present invention contains few impurities and foreign matter, the aqueous alkali silicate solution of the present invention can be used for known applications other than wet-process silica, such as raw materials for synthetic zeolites, ground hardening agents and cleaning agents for civil engineering, and additives for fibers and pulp. By using the aqueous alkali silicate solution of the present invention, problems such as the above-mentioned contamination of materials and products with foreign matter are less likely to occur compared to conventional aqueous alkali silicate solutions derived from plant ash.
以下具体的に実施例を挙げて説明する。但し、これに限定する意図はない。 Specific examples are given below for explanation. However, there is no intention to limit the scope of the invention to these examples.
<植物灰の燃焼条件>
植物灰を作製するための植物材料は、もみ殻と稲わらを用いた。もみ殻と稲わらは、125℃、2時間かけて充分乾燥させた。空気穴および蓋を備えた2mm厚のステンレス製匣鉢(300mm×300mm×115mm(高さ))に、500gのもみ殻(見掛け密度:約110g/L)または10cm程度にカットした250gの稲わらを入れ、これを2段重ねて卓上マッフル炉(型式:KDF S100G、(株)デンケン社製)にて空気雰囲気下で燃焼した。植物灰は、最大でも1回に200g前後しか得られないため、燃焼処理は必要な量の植物灰が得られるまで同一条件で複数回実施し、最後に混合した。また、900℃燃焼の際には、ステンレス製匣鉢に替えて、空気穴および蓋を備えたムライト製匣鉢(外寸210mm×210mm×70mm(高さ)、内寸194mm×194mm×56mm(高さ))を使用した。
<Combustion conditions for plant ash>
Rice husks and rice straw were used as plant materials for producing plant ash. The rice husks and rice straw were thoroughly dried at 125°C for 2 hours. 500g of rice husks (apparent density: about 110g/L) or 250g of rice straw cut to about 10cm were placed in a 2mm thick stainless steel sagger (300mm x 300mm x 115mm (height)) equipped with an air hole and a lid, and these were stacked in two layers and burned in an air atmosphere in a tabletop muffle furnace (model: KDF S100G, manufactured by Denken Co., Ltd.). Since only about 200g of plant ash could be obtained at most at one time, the combustion process was carried out multiple times under the same conditions until the required amount of plant ash was obtained, and then mixed at the end. In addition, when burning at 900°C, a mullite sagger (outer dimensions 210 mm x 210 mm x 70 mm (height), inner dimensions 194 mm x 194 mm x 56 mm (height)) equipped with an air hole and a lid was used instead of the stainless steel sagger.
上記方法で灰a~灰fの6種類の植物灰を得た。各試料の燃焼条件は、下記表1のとおりである。表1において、複数回の燃焼処理が示された燃焼条件は、500℃で予備燃焼(1回以上)を行い、取り出した灰を撹拌し、その後、次の燃焼処理を実施したことを表す。例えば、表1において、灰bの燃焼条件「500℃×2hr、600℃×2hr」は、500℃で2時間の予備燃焼を1回行った後、600℃で2時間の燃焼処理を実施したことを表す。植物灰fは、特許文献1に記載の方法に従い、空気過剰の状態において材料の流動なしに700℃で2時間、もみ殻を燃焼した灰である。 Six types of plant ashes, ash a to ash f, were obtained using the above method. The combustion conditions for each sample are shown in Table 1 below. In Table 1, combustion conditions showing multiple combustion treatments indicate that preliminary combustion (one or more times) was performed at 500°C, the removed ash was stirred, and then the next combustion treatment was performed. For example, in Table 1, the combustion conditions for ash b, "500°C x 2 hr, 600°C x 2 hr," indicate that preliminary combustion was performed once for two hours at 500°C, followed by combustion treatment for two hours at 600°C. Plant ash f is ash obtained by burning rice husks at 700°C for two hours in an air excess state without material flow, according to the method described in Patent Document 1.
<植物灰の分析>
●植物灰の白色度
白色度計(型式:NW-12 日本電色工業(株)社製)を用いて測定した。
<Analysis of plant ash>
● Whiteness of plant ash This was measured using a whiteness meter (model: NW-12, manufactured by Nippon Denshoku Industries Co., Ltd.).
●植物灰中の炭素量(質量%)
炭素量は、酸素気流中燃焼-非分散赤外線吸収法による炭素分析装置(型式:CS744、LECOジャパン合同会社製)を用いて、温度1,350℃、酸素流入圧0.24MPa、測定時間50秒の条件で試料に加熱処理を行い、装置内の赤外線検出器(NDIR)でCOガスおよびCO2ガスを定量することにより測定した。植物灰は、前処理として105℃で2時間乾燥させた。
Carbon content in plant ash (mass%)
The carbon content was measured by a carbon analyzer (model: CS744, manufactured by LECO Japan LLC) using the oxygen flow combustion-non-dispersive infrared absorption method, by subjecting the sample to heat treatment under conditions of a temperature of 1,350°C, an oxygen inflow pressure of 0.24 MPa, and a measurement time of 50 seconds, and quantifying CO gas and CO2 gas with an infrared detector (NDIR) in the device. The plant ash was pre-dried at 105°C for 2 hours.
●植物灰中の炭素以外の無機成分組成(質量%)
走査型蛍光エックス線分析装置(型式:ZSX PrimusII、リガク社製)を用いて、まず炭素を除く元素について定性分析を行い、検出された無機不純物の種類を確認し、その後、検出された無機不純物の定量分析を行った。測定試料は、植物灰をリング状の型に入れ加圧成型を行って作製したものである。定量した無機成分組成(炭素を除く)について、装置付属の解析ソフトで酸化物換算して濃度(質量%)を求めた。
Composition of inorganic components other than carbon in plant ash (mass%)
Using a scanning X-ray fluorescence analyzer (model: ZSX Primus II, manufactured by Rigaku Corporation), first, a qualitative analysis was performed on elements other than carbon to confirm the type of inorganic impurities detected, and then a quantitative analysis of the detected inorganic impurities was performed. The measurement sample was prepared by putting plant ash into a ring-shaped mold and pressurizing it to form it. The quantitatively determined inorganic component composition (excluding carbon) was converted into oxides using the analysis software attached to the device to determine the concentration (mass%).
●灰化率(質量%)
125℃、2時間かけて十分に乾燥した後のもみ殻等の植物の質量に対する燃焼後の燃焼灰の質量%を測定した。
After thorough drying at 125° C. for 2 hours, the mass percentage of the combustion ash after combustion relative to the mass of the plants such as rice husks was measured.
●植物灰の見掛け密度(かさ比重)(g/L)
植物灰の見掛け密度は、JIS K5101-12-1:2004(顔料試験法-見掛け密度又は見掛け比容-静置法)に基づき、専用測定器(目開き0.5mmのふるい、漏斗、容量30mLのシリンダ受器、受器台及び漏斗台)を用いて求める。篩の上から刷毛で試料(植物灰)を漏斗に落とし、へらを用いて受器に山盛りに溜まった試料の山の部分を削り取り、その後、試料の質量を測定した。単位をg/Lとする植物灰の見掛け密度(かさ比重)を、その質量に基づいて次式によって算出した。
The apparent density of the plant ash is determined using a dedicated measuring device (a sieve with 0.5 mm openings, a funnel, a 30 mL cylindrical receiver, a receiver stand, and a funnel stand) based on JIS K5101-12-1:2004 (Pigment testing method - apparent density or apparent specific volume - static method). The sample (plant ash) was dropped from the sieve into the funnel with a brush, and the heaped portion of the sample in the receiver was scraped off with a spatula, after which the mass of the sample was measured. The apparent density (bulk specific gravity) of the plant ash in g/L was calculated based on its mass using the following formula:
●植物灰のかさ密度(見掛比重)(g/mL)
植物灰のかさ密度は、JIS K6220-1:2015(ゴム用配合剤-有機薬品-試験方法-第1部:全般)の「7.8 かさ密度」の項に基づき、専用測定器具(一般鋼材を用いて作製した内径22.00±0.05mm、内部深さ100mmのシリンダ、および外径21.80±0.05mm、長さ115mm、質量190gで内部に空洞のあるピストン)を用いて測定した。試料(植物灰)を入れる前のシリンダにピストンを自然に落下させて入れ、シリンダの上部に突出したピストンの高さを測定した。次いで、秤量した約1gの試料をシリンダに入れ、ピストンを5秒間かけて緩やかに落とし、木片でシリンダ側壁を軽くたたいてピストンをよくなじませ、シリンダの上部に突出したピストンの高さを測定した。シリンダ上部に突出したピストンの高さの変化とシリンダ内の底面積を用いて、単位をg/mLとするかさ密度(見掛比重)を次式によって算出した。
The bulk density of the plant ash was measured based on the section "7.8 Bulk Density" of JIS K6220-1:2015 (Rubber Compounding Agents - Organic Chemicals - Test Methods - Part 1: General) using a dedicated measuring device (a cylinder with an inner diameter of 22.00 ± 0.05 mm and an inner depth of 100 mm made of general steel, and a piston with an outer diameter of 21.80 ± 0.05 mm, a length of 115 mm, a mass of 190 g, and a cavity inside). The piston was allowed to fall naturally into the cylinder before the sample (plant ash) was placed, and the height of the piston protruding from the top of the cylinder was measured. Next, about 1 g of the weighed sample was placed in the cylinder, the piston was slowly dropped over 5 seconds, the side wall of the cylinder was lightly tapped with a piece of wood to make the piston well blended, and the height of the piston protruding from the top of the cylinder was measured. The bulk density (apparent specific gravity) in g/mL was calculated using the change in the height of the piston protruding from the top of the cylinder and the bottom area of the cylinder according to the following formula.
各試料における植物灰中の炭素量および炭素以外の無機成分組成は、表1に記載のとおりである。 The carbon content and inorganic composition other than carbon in the plant ash of each sample are shown in Table 1.
灰a~灰fの燃焼条件と含有成分:
<ケイ酸アルカリ水溶液の調製方法>
●一次処理(材料の混合とろ過)
撹拌装置を備えた3Lのステンレス容器に5.8質量%に調整した水酸化ナトリウム水溶液1,740gを投入し、85℃に加温した。続いて、撹拌を続けながら植物灰300gを試料液に投入し、85℃を維持したまま2時間かけて溶解し、試料液を室温まで冷却した。ここでは、植物灰に含まれるSiO2のうち90%が水酸化ナトリウム水溶液に溶解すると仮定し、目標SiO2濃度を12.0質量%と設定した。容量3Lの吸引ろ過瓶に150mmΦの磁性ブフナー漏斗(ヌッチェ)を取り付け、ポリエステル製平織ろ布(目開き約50μm×400μm)を使用し、試料液を吸引しながら粗ろ過を行って未溶解残渣を取り除いた。これにより、一次処理後のケイ酸アルカリ水溶液を得た。
<Method for preparing an aqueous alkali silicate solution>
● Primary processing (mixing and filtering materials)
1,740 g of sodium hydroxide solution adjusted to 5.8% by mass was added to a 3 L stainless steel container equipped with a stirrer and heated to 85 ° C. Then, 300 g of plant ash was added to the sample solution while continuing stirring, and dissolved over 2 hours while maintaining 85 ° C., and the sample solution was cooled to room temperature. Here, it was assumed that 90% of the SiO 2 contained in the plant ash was dissolved in the sodium hydroxide aqueous solution, and the target SiO 2 concentration was set to 12.0 mass%. A 150 mmΦ magnetic Buchner funnel (Nutsche) was attached to a 3 L suction filtration bottle, and a polyester plain woven filter cloth (mesh size about 50 μm × 400 μm) was used to perform coarse filtration while sucking the sample solution to remove undissolved residue. As a result, an alkali silicate aqueous solution after primary treatment was obtained.
未溶解残渣は、すべての植物灰で確認され、その量は湿潤ベースで10~20質量%であった。この量は、乾燥後の固形分に換算すると約1~4質量%に相当する。図1は、植物灰a~植物灰dおよび植物灰fの未溶解残渣の写真である。未溶解残渣量は水分を含むため定量的な評価は難しいが、未溶解残渣の総量と最終燃焼温度との相関性を確認することはできなかった。これに対し、未溶解残渣の色は、最終燃焼温度によって違いがあった。具体的には、900℃で燃焼した植物灰dの残渣は、未溶解ガラスが主成分の淡黄色~白色系の残渣であり、その他は灰色~黒色系の残渣であり、このように最終燃焼温度が低い程、未溶解残渣は濃い黒色であった。なお、上記のろ過後に必要な量のケイ酸アルカリ水溶液が得られなかった場合には、同一条件で複数回処理を繰り返し、最後に混合して試料を得た。 Undissolved residue was found in all plant ashes, and the amount was 10-20% by mass on a wet basis. This amount corresponds to approximately 1-4% by mass in terms of solid content after drying. Figure 1 shows photographs of the undissolved residues of plant ash a-d and plant ash f. Although quantitative evaluation of the amount of undissolved residue is difficult because it contains moisture, no correlation was found between the total amount of undissolved residue and the final combustion temperature. In contrast, the color of the undissolved residue differed depending on the final combustion temperature. Specifically, the residue of plant ash d burned at 900°C was a pale yellow to white residue mainly composed of undissolved glass, while the others were gray to black in color. Thus, the lower the final combustion temperature, the darker the undissolved residue was. If the required amount of alkali silicate solution was not obtained after the above filtration, the treatment was repeated several times under the same conditions and finally mixed to obtain a sample.
●アルカリ濃度とSiO2濃度の測定(濃度調整用の簡易測定)
一次処理後のケイ酸アルカリ水溶液について、以下に示す滴定法によりアルカリ濃度(Na2O+K2Oの質量%濃度)とSiO2濃度(質量%濃度)を測定した。
● Measurement of alkali concentration and SiO2 concentration (simple measurement for concentration adjustment)
For the aqueous alkali silicate solution after the primary treatment, the alkali concentration (mass % concentration of Na 2 O + K 2 O) and the SiO 2 concentration (mass % concentration) were measured by the titration method shown below.
アルカリ濃度:
容量300mLのコニカルビーカーに1mgの単位まで正確に秤量した約2gの試料と約100mLの蒸留水を入れ、指示薬としてメチルオレンジ(0.1質量%水溶液)を2~3滴、試料液に加え、50mLビューレットを用いて1N-HClで滴定した。一滴で橙色を呈した点を終点とし、そのときの1N-HClの消費量から次式によってアルカリ濃度を求めた。
About 2 g of sample, accurately weighed to the nearest 1 mg, and about 100 mL of distilled water were placed in a 300 mL conical beaker, and 2 to 3 drops of methyl orange (0.1% by mass aqueous solution) were added as an indicator to the sample solution, which was then titrated with 1N-HCl using a 50 mL burette. The point at which one drop turned orange was set as the endpoint, and the alkali concentration was calculated from the amount of 1N-HCl consumed at that point using the following formula:
SiO2濃度:
上記アルカリ濃度滴定終点液に、フッ化ナトリウム試薬5.0gを加え、よく振り混ぜた。その後、メチルレッドキシレンアノールFF指示薬約0.5mLを試料液に加え、1N-HClで滴定した。液が赤色を呈したときに更に1N-HClを2.0mL追加し、その滴定量a(mL)を記録した。ここで、メチルレッドキシレンアノールFF指示薬は、メチルレッド0.8gとキシレンシアノールFF0.2gをエタノール1,000mL中に溶解させたものである。
SiO2 concentration:
5.0 g of sodium fluoride reagent was added to the alkali concentration titration end point solution and thoroughly mixed. Then, about 0.5 mL of methyl red xylene cyanol FF indicator was added to the sample solution and titrated with 1N-HCl. When the solution turned red, 2.0 mL of 1N-HCl was added and the titration amount a (mL) was recorded. Here, the methyl red xylene cyanol FF indicator was prepared by dissolving 0.8 g of methyl red and 0.2 g of xylene cyanol FF in 1,000 mL of ethanol.
次に、10mLビューレットを用いて1N-NaOHで逆滴定を行い、試料液の色が茶橙色となったとき、pHが5.8~6.0の範囲に入っていることを確認して終点とし、その滴定量b(mL)を記録し、次式によってSiO2濃度を求めた。
●ケイ酸アルカリ水溶液の二次処理(必要に応じて)
上記滴定法による測定結果に基づき、酸化物換算したときのSiO2濃度が目標SiO2濃度12.0質量%に近付くように、湿式法シリカおよび水の一方または両方を添加して成分の微調整を行った(追加溶解または追加加熱溶解)。本実施例および比較例においては、植物灰d、植物灰eおよび植物灰fをそれぞれ使用して得られたケイ酸アルカリ水溶液に二次処理を実施した。植物灰d由来のケイ酸アルカリ水溶液に対しては、湿式法シリカ(シリカ純度約93質量%、Nipsil LP、東ソー・シリカ社製)のみを添加し、加熱溶解を行ってSiO2濃度を調整した。植物灰e由来のケイ酸アルカリ水溶液に対しては、水および上記湿式法シリカを添加し、加熱溶解を行ってSiO2濃度を調整した。植物灰f由来のケイ酸アルカリ水溶液に対しては、上記湿式法シリカのみを添加し、加熱溶解を行ってSiO2濃度を調整した。植物灰fは、特許文献1に記載の方法に従って、空気過剰の状態において材料の流動なしに700℃で2時間もみ殻灰を燃焼した灰である。植物灰fの場合には、もみ殻の表面部分が先にガラス化し、ガラス化成分の多くは一次処理時の粗ろ過の残渣として除去される。したがって、植物灰dおよび植物灰eに比べて、SiO2濃度の調整に際し、より多くの湿式法シリカ量が必要であった。
- Secondary treatment of alkaline silicate solution (if necessary)
Based on the measurement results by the titration method, the components were finely adjusted by adding either wet-process silica or water or both so that the SiO 2 concentration in terms of oxide approached the target SiO 2 concentration of 12.0 mass% (additional dissolution or additional heat dissolution). In this example and comparative example, secondary treatment was performed on the aqueous alkali silicate solutions obtained using plant ash d, plant ash e, and plant ash f, respectively. For the aqueous alkali silicate solution derived from plant ash d, only wet-process silica (silica purity about 93 mass%, Nipsil LP, manufactured by Tosoh Silica Co., Ltd.) was added, and the SiO 2 concentration was adjusted by heat dissolution. For the aqueous alkali silicate solution derived from plant ash e, water and the above wet-process silica were added, and the SiO 2 concentration was adjusted by heat dissolution. For the aqueous alkali silicate solution derived from plant ash f, only the above wet-process silica was added, and the SiO 2 concentration was adjusted by heat dissolution. Plant ash f was ash obtained by burning rice husk ash for 2 hours at 700 ° C. in an air excess state without flowing the material, according to the method described in Patent Document 1. In the case of plant ash f, the surface portion of the rice husk is vitrified first, and most of the vitrified components are removed as residues in the crude filtration during primary treatment. Therefore, compared with plant ash d and plant ash e, a larger amount of wet-process silica was required to adjust the SiO2 concentration.
一次処理および必要に応じて二次処理を実施した試料液を、実施例および比較例で使用するケイ酸アルカリ水溶液の原液とした。以降の説明において、植物灰aを使用して得られた原液を「ケイ酸アルカリa」と称し、同様に植物灰b~植物灰fをそれぞれ使用して得られた原液を「ケイ酸アルカリb」~「ケイ酸アルカリf」と称する。 The sample solution that had undergone primary treatment and, if necessary, secondary treatment was used as the stock solution of the aqueous alkali silicate solution to be used in the examples and comparative examples. In the following explanation, the stock solution obtained using plant ash a will be referred to as "alkali silicate a," and similarly, the stock solutions obtained using plant ash b to plant ash f will be referred to as "alkali silicate b" to "alkali silicate f," respectively.
加えて、参考例1として、次の方法により、市販の珪砂を原料とするケイ酸アルカリ水溶液を製造した。
珪砂由来のケイ酸ナトリウム水溶液:
容量5Lの圧力容器(オートクレーブ)に3,000gの水を仕込み、市販の珪砂を原料として製造された1,500gのケイ酸ナトリウムカレット(中モルグレード、Na2O:24.51%、SiO2:75.44%、純度99.9%以上、トクヤマ社製)を、圧力0.7MPaおよび温度160℃の条件下で60分間かけて溶解した。容器から2,000gのケイ酸ナトリウム水溶液を取り、これを水で2倍に希釈し、室温まで冷却した。その後、容量5Lの吸引ろ過瓶に150mmΦの磁性ブフナー漏斗(ヌッチェ)を取り付け、ポリエステル製平織ろ布(目開き約50μm×400μm)を使用して吸引しながら粗ろ過を行った。粗ろ過により未溶解残渣成分を取り除いて、珪砂由来のケイ酸ソーダ(ケイ酸アルカリ)水溶液を得た。
In addition, as Reference Example 1, an aqueous solution of alkali silicate was produced using commercially available silica sand as a raw material by the following method.
Aqueous sodium silicate solution derived from silica sand:
A 5L pressure vessel (autoclave) was charged with 3,000g of water, and 1,500g of sodium silicate cullet (medium molar grade, Na2O : 24.51%, SiO2 : 75.44%, purity 99.9% or more, manufactured by Tokuyama Corporation) produced using commercially available silica sand as a raw material was dissolved for 60 minutes under conditions of a pressure of 0.7MPa and a temperature of 160°C. 2,000g of sodium silicate aqueous solution was taken from the vessel, diluted twice with water, and cooled to room temperature. Then, a 150mmΦ magnetic Buchner funnel (Nutsche) was attached to a 5L suction filtration bottle, and crude filtration was performed while suctioning using a polyester plain woven filter cloth (mesh opening approximately 50μm×400μm). Undissolved residual components were removed by crude filtration to obtain an aqueous solution of sodium silicate (alkali silicate) derived from silica sand.
<ケイ酸アルカリ水溶液の実施例および比較例>
植物灰a~植物灰fをそれぞれ用いてケイ酸アルカリa~ケイ酸アルカリfを調製して、実施例1~実施例3ならびに比較例1~比較例3のケイ酸アルカリ水溶液を得た。参考例1のケイ酸アルカリ水溶液も含め、各水溶液について、下記の測定を行った。
<Examples and Comparative Examples of Alkaline Silicate Aqueous Solution>
Plant ash a to plant ash f were used to prepare alkali silicate a to alkali silicate f, respectively, to obtain aqueous solutions of alkali silicate in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. Each aqueous solution, including the aqueous solution of alkali silicate in Reference Example 1, was subjected to the following measurements.
●組成分析および不純物測定
目開き1μmのメンブレンフィルタ付きシリンジで抽出したケイ酸アルカリ水溶液試料を純水で希釈した。高分解能ICP発光分光分析装置(型式:PS3520DDII、(株)日立ハイテクサイエンス社製)を用い、各元素の検量線用標準液に基づいて試料の定量分析(単位:質量%)を行った。希釈倍率は、SiO2、Na2OおよびK2Oの定量分析のときは10,000倍(検量線用標準液:20質量ppm)、P2O5、CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3、MnOの定量分析のときは1,000倍(検量線用標準液:10質量ppm)とした。
Composition analysis and impurity measurement The alkali silicate aqueous solution sample extracted with a syringe equipped with a membrane filter with a mesh size of 1 μm was diluted with pure water. A high-resolution ICP emission spectrometer (model: PS3520DDII, manufactured by Hitachi High-Tech Science Corporation) was used to quantitatively analyze the sample (unit: mass%) based on the calibration standard solution for each element. The dilution ratio was 10,000 times (calibration standard solution: 20 ppm by mass) for the quantitative analysis of SiO 2 , Na 2 O, and K 2 O, and 1,000 times (calibration standard solution: 10 ppm by mass) for the quantitative analysis of P 2 O 5 , CaO, MgO, Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , and MnO.
●モル比
上記で測定したSiO2、Na2OおよびK2O質量濃度を、モル量に換算してSiO2/(Na2O+K2O)モル比とK2O/Na2Oモル比を求めた。具体的には、各成分のモル質量を60.08(SiO2)、61.98(Na2O)および94.19(K2O)とし、各モル比を次式により計算した。
●ケイ酸アルカリ水溶液の透過率(%T)の測定
市販の紫外可視分光光度計(型式:V-730、日本分光社製)を用いて波長200nm~800nmの透過率を測定した。測定では、ホウケイ酸ガラス製、光路長10mmの分光光度用標準セル(型式:S10-G-10、ジーエルサイエンス社製)を用い、純水での測定値を比較基準として行った。可視光波長(波長380nm~780nm)の中で着色の視認が容易な波長500nm(青と緑の境界付近)での透過率(%T)を、ケイ酸アルカリ水溶液の透過率(%T)とした。
Measurement of transmittance (%T) of alkali silicate aqueous solution The transmittance was measured at wavelengths of 200 nm to 800 nm using a commercially available UV-visible spectrophotometer (model: V-730, manufactured by JASCO Corporation). The measurement was performed using a standard spectrophotometric cell (model: S10-G-10, manufactured by GL Sciences) made of borosilicate glass with an optical path length of 10 mm, with the measured value for pure water used as the comparison standard. The transmittance (%T) at a wavelength of 500 nm (near the boundary between blue and green), where coloring is easily visible among visible light wavelengths (wavelengths of 380 nm to 780 nm), was taken as the transmittance (%T) of the alkali silicate aqueous solution.
●ケイ酸アルカリ水溶液の未溶解残渣(質量ppm)の測定
湿式法シリカの原料とされるケイ酸アルカリ水溶液の未溶解残渣(目開き1μmのフィルタでろ過した際に、フィルタ上に捕捉される固形分量)を測定した。容量2Lの吸引ろ過瓶に110mmΦの磁性ブフナー漏斗(ヌッチェ)を取り付け、目開き1μmのろ紙(規格5C、ADVANTEC社製)を使用して1,000gのケイ酸アルカリ水溶液に対し吸引ろ過を行った。ろ過終了後、さらに1,000gの純水で洗浄し、箱型乾燥機により105℃で2時間乾燥した。その後、ろ紙上に捕捉された固形分の質量を求め、次式によって未溶解残渣の質量ppm濃度を求めた。
●ケイ酸アルカリ水溶液の比重(参考値)
250mLのメスシリンダーに20±0.5℃に調整したケイ酸アルカリ水溶液を入れ、比重計(浮きばかり)を入れ静止した時点での目盛りを読み取った。
●Specific gravity of alkaline silicate solution (reference value)
An aqueous solution of alkaline silicate adjusted to 20±0.5° C. was placed in a 250 mL measuring cylinder, and a hydrometer (float scale) was placed in the cylinder and the scale was read when the cylinder came to rest.
<湿式法シリカの製造と物性評価>
湿式法シリカであれば、ケイ酸アルカリ水溶液からシリカを析出するプロセスは基本的に全て同じ傾向を示すので、ケイ酸アルカリa~ケイ酸アルカリfをそれぞれ使用して、湿式法シリカのうち沈澱法シリカを下記方法により製造し、その物性を確認した(実施例1~実施例3、比較例1~比較例3)。加えて、珪砂由来のケイ酸ナトリウム水溶液を使用して沈澱法シリカを製造し、参考例1として品質を確認した。参考例1におけるケイ酸ナトリウムカレットおよびその水溶液は不純物を殆ど含まず、白色度の高い湿式法シリカの原料として広く一般に使用されている。物性は、下記表2に示す。
<Production of wet-process silica and evaluation of its physical properties>
For wet-process silica, the process of precipitating silica from an aqueous solution of alkali silicate basically shows the same tendency, so alkali silicate a to alkali silicate f were used to produce precipitated silica from among the wet-process silicas by the following method, and their physical properties were confirmed (Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 to 3). In addition, precipitated silica was produced using an aqueous solution of sodium silicate derived from silica sand, and its quality was confirmed as Reference Example 1. The sodium silicate cullet and its aqueous solution in Reference Example 1 contain almost no impurities and are widely and generally used as raw materials for wet-process silica with high whiteness. The physical properties are shown in Table 2 below.
●湿式法シリカの製造
撹拌装置を備えた2Lのステンレス容器に、pHが11.8±0.2になるように温水495mLと試験に供するケイ酸アルカリ水溶液36mLを仕込み、75℃まで昇温した。温度とpHを維持するように撹拌を続けながらケイ酸アルカリ水溶液366mLと20質量%希硫酸約108mLを一定の流量で60分間かけて滴下した。その後、ケイ酸アルカリ水溶液の滴下を止め、pHが3になったら希硫酸の滴下も止めて中和反応を終了させた。容量2Lの吸引ろ過瓶に150mmΦの磁性ブフナー漏斗(ヌッチェ)を取り付け、目開き8μmのろ紙(規格5A、ADVANTEC社製)を使用して試料液に対し吸引ろ過を行い、更に600mLの純水で水洗し、125℃で8時間かけて静置乾燥を行い、これにより湿式法シリカ(沈澱法シリカ)を得た。
●Production of wet-process silica In a 2L stainless steel container equipped with a stirrer, 495mL of hot water and 36mL of the alkali silicate aqueous solution to be tested were charged so that the pH was 11.8±0.2, and the temperature was raised to 75°C. While continuing stirring to maintain the temperature and pH, 366mL of the alkali silicate aqueous solution and about 108mL of 20% by mass diluted sulfuric acid were dropped at a constant flow rate over 60 minutes. Thereafter, the dropping of the alkali silicate aqueous solution was stopped, and when the pH reached 3, the dropping of the diluted sulfuric acid was also stopped to terminate the neutralization reaction. A 150mmΦ magnetic Buchner funnel (Nutsche) was attached to a 2L suction filtration bottle, and the sample solution was subjected to suction filtration using a filter paper (standard 5A, manufactured by ADVANTEC) with an opening of 8μm, further washed with 600mL of pure water, and left to dry at 125°C for 8 hours, thereby obtaining wet-process silica (precipitated silica).
●湿式法シリカの白色度
得られた湿式法シリカ粉末を乳鉢にて3分程度軽く再粉砕したのち、植物灰の白色度測定の場合と同一の方法で湿式法シリカの白色度を測定した。湿式法シリカの白色度が85以上である場合、高機能湿式法シリカとしての品質を満足するため、その原料であるケイ酸アルカリ水溶液をGOOD評価とし、湿式法シリカの白色度が85未満である場合、湿式法シリカは着色品(変色品)と判断し、その原料であるケイ酸アルカリ水溶液をNG評価とした。
●Whiteness of wet-process silica The obtained wet-process silica powder was lightly re-ground in a mortar for about 3 minutes, and then the whiteness of the wet-process silica was measured using the same method as for measuring the whiteness of plant ash. If the whiteness of the wet-process silica is 85 or more, the aqueous alkali silicate solution, which is the raw material, was rated GOOD in order to satisfy the quality as high-performance wet-process silica, and if the whiteness of the wet-process silica is less than 85, the wet-process silica was judged to be a colored product (discolored product), and the aqueous alkali silicate solution, which is the raw material, was rated NG.
●湿式法シリカのBET比表面積(参考値)
全自動比表面積測定装置(型式:Macsorb HMmodel-1210、マウンテック社製)を用いて1点法で、湿式法シリカ粉末のBET比表面積を測定した。
● BET specific surface area of wet-process silica (reference value)
The BET specific surface area of the wet process silica powder was measured by the single point method using a fully automatic specific surface area measuring device (Macsorb HM model-1210, manufactured by Mountec Co., Ltd.).
●湿式法シリカ中の炭素量(参考値)
植物灰の炭素量測定の場合と同一の方法で湿式法シリカ中の炭素量を測定した。
Carbon content in wet-process silica (reference value)
The carbon content in the wet process silica was measured in the same manner as in the case of measuring the carbon content in the plant ash.
実施例1~実施例3、比較例1~比較例3および参考例1の分析結果を下記表2に示す。
<ろ過、吸着処理を行ったケイ酸アルカリ水溶液、砂由来のケイ酸アルカリ水溶液を混合した場合の実施例および比較例>
以下で説明するように、ケイ酸アルカリaおよびケイ酸アルカリbに対しろ過および吸着処理の一方または両方を実施して、湿式法シリカの品質に与える影響を評価した(ケイ酸アルカリ水溶液の実施例4および実施例5ならびに比較例4)。さらに、植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液と砂由来のケイ酸アルカリ水溶液とを混合した場合の品質確認を行った(ケイ酸アルカリ水溶液の実施例6~実施例8)。
<Examples and Comparative Examples in the Case of Mixing an Alkaline Silica Solution that has been Filtered and Adsorbed and an Alkaline Silica Solution Derived from Sand>
As described below, the alkali silicate a and the alkali silicate b were subjected to either or both of filtration and adsorption treatment to evaluate the effect on the quality of the wet-process silica (Examples 4 and 5 of the aqueous alkali silicate solution and Comparative Example 4). Furthermore, the quality of a mixture of an aqueous alkali silicate solution derived from plant ash and an aqueous alkali silicate solution derived from sand was examined (Examples 6 to 8 of the aqueous alkali silicate solution).
<比較例4>
容量3Lの吸引ろ過瓶に110mmΦの磁性ブフナー漏斗(ヌッチェ)を取り付け、ろ紙(目開き1μm、規格5C、ADVANTEC社製)を使用してケイ酸アルカリa(約2,000g)に対し吸引しながらろ過のみを行った。以下、上記ろ紙によるろ過を「5Cろ過」と称する。つまり、比較例4では、比較例1のケイ酸アルカリaに5Cろ過を実施して、ケイ酸アルカリ水溶液中に存在する固形異物を除去した。さらに、5Cろ過後のケイ酸アルカリaを原料として湿式法シリカを製造し、その品質を分析した。
<Comparative Example 4>
A 110 mmφ magnetic Buchner funnel (Nuchsche) was attached to a 3 L suction filtration bottle, and filtration alone was performed while suctioning alkali silicate a (about 2,000 g) using filter paper (1 μm mesh, 5C standard, manufactured by ADVANTEC). Hereinafter, filtration using the filter paper is referred to as "5C filtration". That is, in Comparative Example 4, 5C filtration was performed on the alkali silicate a of Comparative Example 1 to remove solid foreign matter present in the aqueous alkali silicate solution. Furthermore, wet-process silica was produced using the alkali silicate a after 5C filtration as a raw material, and its quality was analyzed.
<実施例4>
ケイ酸アルカリa(約2,000g)に対し市販の粉末活性炭を20g投入し、24時間静して試料中の成分の吸着処理を実施した。その後、容量3Lの吸引ろ過瓶に150mmΦの磁性ブフナー漏斗(ヌッチェ)を取り付け、試料に対し5Cろ過を行った。つまり、実施例4では、比較例1のケイ酸アルカリaに吸着処理を実施して水溶液中の不純物を吸着除去し、かつ5Cろ過を実施してケイ酸アルカリ水溶液中に存在する固形異物を除去した。さらに、5Cろ過後のケイ酸アルカリaを原料として湿式法シリカを製造し、その品質を分析した。
Example 4
20 g of commercially available powdered activated carbon was added to the alkali silicate a (about 2,000 g) and allowed to stand for 24 hours to perform adsorption treatment of the components in the sample. After that, a 150 mmΦ magnetic Buchner funnel (Nutsche) was attached to a 3 L suction filtration bottle, and 5C filtration was performed on the sample. That is, in Example 4, the alkali silicate a of Comparative Example 1 was subjected to adsorption treatment to adsorb and remove impurities in the aqueous solution, and 5C filtration was performed to remove solid foreign matter present in the aqueous solution of the alkali silicate. Furthermore, wet-process silica was produced using the alkali silicate a after 5C filtration as a raw material, and its quality was analyzed.
<実施例5>
容量3Lの吸引ろ過瓶に110mmΦの磁性ブフナー漏斗(ヌッチェ)を取り付け、ケイ酸アルカリb(約2,000g)に対し5Cろ過を行った。さらに、5Cろ過後のケイ酸アルカリbを原料として湿式法シリカを製造し、その品質を分析した。
Example 5
A 110 mmφ magnetic Buchner funnel (Nuchsche) was attached to a 3 L suction filtration bottle, and 5C filtration was performed on alkali silicate b (about 2,000 g). Furthermore, wet process silica was produced using alkali silicate b after 5C filtration as a raw material, and its quality was analyzed.
<実施例6~実施例8>
実施例5で得た5Cろ過後のケイ酸アルカリ水溶液と、参考例1のケイ酸アルカリ水溶液とを4:6(実施例6:植物灰由来の水溶液が40質量%。以下同様)、6:4(実施例7)および8:2(実施例8)でそれぞれ混合したケイ酸アルカリ水溶液を製造した。さらに、それらのケイ酸アルカリ水溶液を原料として湿式法シリカを製造し、その品質を分析した。
<Examples 6 to 8>
The aqueous alkali silicate solution obtained in Example 5 after 5C filtration and the aqueous alkali silicate solution obtained in Reference Example 1 were mixed at a ratio of 4:6 (Example 6: the aqueous solution derived from plant ash was 40% by mass, the same applies below), 6:4 (Example 7) and 8:2 (Example 8) to produce aqueous alkali silicate solutions. Furthermore, wet-process silica was produced using these aqueous alkali silicate solutions as raw materials, and the quality of the resulting product was analyzed.
比較例4および実施例4~実施例8の分析結果を下記表3に示す。
<結果の説明>
表1に示す植物灰b~植物灰dの結果から、予備燃焼を行い、植物材料を充分に燃焼させることにより、植物灰中の不燃焼による炭素含有不純物が減少することが分かる。これに対し、植物灰aおよび植物灰eの結果から、燃焼温度が不充分であることにより、炭素含有不純物が多く残留することが分かる。また、植物灰fの結果から、予備燃焼なしに高温で燃焼する場合にも、炭素含有不純物が多く残留することが分かる。これは、高温燃焼により植物材料の表面がガラス化してしまい、酸素が充分に供給されない等の理由で材料内部では不燃焼状態になるためと考えられる。
Explanation of Results
From the results of plant ash b to plant ash d shown in Table 1, it can be seen that by performing preliminary combustion and thoroughly burning the plant material, the amount of carbon-containing impurities in the plant ash due to unburned combustion is reduced. In contrast, from the results of plant ash a and plant ash e, it can be seen that a large amount of carbon-containing impurities remains due to insufficient combustion temperature. Moreover, from the results of plant ash f, it can be seen that a large amount of carbon-containing impurities remains even when burning at high temperature without preliminary combustion. This is thought to be because the surface of the plant material is vitrified by high-temperature combustion, and the inside of the material becomes unburned due to reasons such as insufficient supply of oxygen.
表2に示す実施例1~実施例3の結果から、予備燃焼を行い、試料を充分に燃焼させ植物灰を使用してケイ酸アルカリ水溶液を製造した場合、ケイ酸アルカリ水溶液をろ過および吸着処理に供さずとも、ろ過残渣が少なくかつ透過率が高いことから、ケイ酸アルカリ水溶液中の不溶性異物や水溶性炭素化合物の量は少ないことが分かる。さらに、そのような植物灰を原料として湿式法シリカを製造した場合、湿式法シリカ中の不純物も減少し、充分な白色度の湿式法シリカが得られることが分かる。これに対し、比較例1、比較例2および比較例3の結果から、燃焼温度が不充分である植物灰および単に高温燃焼しただけの植物灰を使用してケイ酸アルカリ水溶液を製造した場合、炭素含有不純物が多く残留することが分かる。さらに、そのような植物灰を原料として湿式法シリカを製造した場合、湿式法シリカ中の不純物も増加し、充分な白色度の湿式法シリカが得られないことが分かる。 From the results of Examples 1 to 3 shown in Table 2, when preliminary combustion is performed and the sample is sufficiently burned to produce an alkali silicate solution using plant ash, the amount of insoluble foreign matter and water-soluble carbon compounds in the alkali silicate solution is small, since the filtration residue is small and the transmittance is high, even if the alkali silicate solution is not subjected to filtration and adsorption treatment. Furthermore, when wet-process silica is produced using such plant ash as a raw material, impurities in the wet-process silica are also reduced, and wet-process silica with a sufficient degree of whiteness is obtained. In contrast, from the results of Comparative Examples 1, 2, and 3, it is found that a large amount of carbon-containing impurities remains when an alkali silicate solution is produced using plant ash with an insufficient combustion temperature or plant ash that has simply been burned at a high temperature. Furthermore, it is found that when wet-process silica is produced using such plant ash as a raw material, impurities in the wet-process silica are also increased, and wet-process silica with a sufficient degree of whiteness is not obtained.
表3に示す比較例4、実施例4および実施例5の結果から、ケイ酸アルカリ水溶液に、ろ過および吸着処理の一方または両方を実施することにより、ケイ酸アルカリ水溶液の品質が飛躍的に向上することが分かる。 The results of Comparative Example 4, Example 4, and Example 5 shown in Table 3 show that the quality of the aqueous alkali silicate solution is dramatically improved by subjecting the aqueous alkali silicate solution to either or both of filtration and adsorption treatment.
特に、比較例1、比較例4、実施例4の比較から、品質が不充分なケイ酸アルカリ水溶液に吸着処理およびろ過を実施することにより、その品質を、白色度90超の湿式法シリカの製造を可能にする程度まで改善できることが分かる。 In particular, a comparison of Comparative Example 1, Comparative Example 4, and Example 4 shows that by subjecting an aqueous alkali silicate solution of insufficient quality to an adsorption treatment and filtration, the quality can be improved to a level that makes it possible to produce wet-process silica with a whiteness of more than 90.
図2に、比較例1、比較例4、実施例4におけるケイ酸アルカリ水溶液の透過率スペクトル(波長200nm~800nm)を示す。波長500nmにおける透過率(%T)が高いほど、透明性が高いことを示している。比較例1のケイ酸アルカリa(500℃で燃焼した植物灰a、一次処理を行ったのみ)の波長500nmにおける透過率は4.4%であり、ケイ酸アルカリaを原料として製造した沈澱法シリカの白色度は58であった。ケイ酸アルカリaに5Cろ過を実施した比較例4では、ケイ酸アルカリ水溶液中に溶解した着色成分が残留しているものの、波長500nmにおける透過率は32.8%まで改善した。比較例4のケイ酸アルカリ水溶液を原料とする湿式法シリカの白色度も75まで改善したが、湿式法シリカの品質としては不充分であった。これに対し、ケイ酸アルカリaに上記吸着処理と5Cろ過を実施した実施例4では、波長500nmにおける透過率は94.5%まで向上し、かつ湿式法シリカの白色度も94まで向上し、充分な品質を有する湿式法シリカが得られた。 Figure 2 shows the transmittance spectra (wavelengths 200 nm to 800 nm) of the aqueous alkali silicate solutions in Comparative Example 1, Comparative Example 4, and Example 4. The higher the transmittance (% T) at a wavelength of 500 nm, the higher the transparency. The transmittance at a wavelength of 500 nm of the alkaline silicate a in Comparative Example 1 (plant ash a burned at 500°C, only primary processing was performed) was 4.4%, and the whiteness of the precipitated silica produced using the alkaline silicate a as a raw material was 58. In Comparative Example 4, in which the alkaline silicate a was subjected to 5C filtration, the transmittance at a wavelength of 500 nm improved to 32.8%, although coloring components dissolved in the aqueous alkali silicate solution remained. The whiteness of the wet-process silica using the aqueous alkali silicate solution in Comparative Example 4 as a raw material was also improved to 75, but the quality of the wet-process silica was insufficient. In contrast, in Example 4, in which the above-mentioned adsorption treatment and 5C filtration were performed on alkali silicate a, the transmittance at a wavelength of 500 nm improved to 94.5%, and the whiteness of the wet-process silica also improved to 94, resulting in wet-process silica of sufficient quality.
図3に、実施例1、実施例5、参考例1におけるケイ酸アルカリ水溶液の透過率スペクトル(波長200nm~800nm)を示す。実施例1は、最終温度600℃で燃焼した植物灰bを使用してケイ酸アルカリbを製造し、その後、それを原料として湿式法シリカを製造した場合である。実施例5は、ケイ酸アルカリbに5Cろ過を実施し、その後、それを原料として湿式法シリカを製造した場合である。参考例1は、珪砂由来のケイ酸アルカリ水溶液を使用して湿式法シリカを製造した場合である。 Figure 3 shows the transmittance spectra (wavelengths 200 nm to 800 nm) of the aqueous alkali silicate solutions in Example 1, Example 5, and Reference Example 1. Example 1 is a case where alkali silicate b is produced using plant ash b burned at a final temperature of 600°C, and then wet-process silica is produced using this as a raw material. Example 5 is a case where alkali silicate b is subjected to 5C filtration, and then wet-process silica is produced using this as a raw material. Reference Example 1 is a case where wet-process silica is produced using an aqueous alkali silicate solution derived from silica sand.
ケイ酸アルカリbでは、固形異物であるろ過残渣が0.41質量%あるものの、ケイ酸アルカリ水溶液に溶解した着色成分は肉眼ではほとんど確認できない状態であり、波長500nmにおける透過率は65.7%であった。ケイ酸アルカリbを原料として製造した湿式法シリカの白色度は85であり、高機能性湿式法シリカとして充分な白色度であった。ケイ酸アルカリbに5Cろ過を実施した実施例5では、波長500nmにおける透過率は94.4%まで改善し、沈澱法シリカの白色度も91まで向上した。砂由来のケイ酸アルカリ水溶液を原料として製造した湿式法シリカの白色度に匹敵する品質であった。 Although alkali silicate b contained 0.41% by mass of filtration residue, which was a solid foreign matter, the colored components dissolved in the alkali silicate aqueous solution were barely visible to the naked eye, and the transmittance at a wavelength of 500 nm was 65.7%. The whiteness of the wet-process silica produced using alkali silicate b as a raw material was 85, which was a sufficient whiteness for a highly functional wet-process silica. In Example 5, in which 5C filtration was performed on alkali silicate b, the transmittance at a wavelength of 500 nm improved to 94.4%, and the whiteness of the precipitated silica also improved to 91. The quality was comparable to the whiteness of wet-process silica produced using an aqueous solution of alkali silicate derived from sand as a raw material.
植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液の品質は、参考例1のような砂由来のケイ酸アルカリ水溶液の品質に及ばない場合もある。このような場合には、必要に応じて、砂由来のケイ酸アルカリ水溶液と混合して使用することで、植物灰由来のケイ酸アルカリ水溶液の品質を更に向上させることも可能である(実施例6~実施例8)。 The quality of the aqueous alkali silicate solution derived from plant ash may not be as good as that of the aqueous alkali silicate solution derived from sand as in Reference Example 1. In such cases, the quality of the aqueous alkali silicate solution derived from plant ash can be further improved by mixing it with the aqueous alkali silicate solution derived from sand as necessary (Examples 6 to 8).
図4に、比較例3におけるケイ酸アルカリ水溶液の透過率スペクトル(波長200nm~800nm)を示す。特許文献1に記載の方法に従って製造した植物灰f由来のケイ酸アルカリ水溶液では、波長500nmにおける透過率は55.4%であり、それを原料として製造した湿式法シリカの白色度は73であり、充分な白色度の湿式法シリカは得られなかった。 Figure 4 shows the transmittance spectrum (wavelengths 200 nm to 800 nm) of the aqueous alkali silicate solution in Comparative Example 3. The aqueous alkali silicate solution derived from plant ash f produced according to the method described in Patent Document 1 had a transmittance of 55.4% at a wavelength of 500 nm, and the whiteness of the wet-process silica produced using this as a raw material was 73, meaning that wet-process silica with sufficient whiteness was not obtained.
本発明のケイ酸アルカリ水溶液を原料として合成した湿式法シリカは、工業用ゴムやタイヤ用では高い補強性を持つことが出来ることに加え、透明性や白色度を重視するシリコーンゴム用の補強充填剤、紙用充填剤(裏抜け防止剤)、塗料の艶消し剤や歯磨き用などの研磨剤、フィルムのアンチブロッキング剤などとして(従来の砂由来のケイ酸アルカリ水溶液と同様の)利用が可能であるため、環境に配慮したケイ酸アルカリ水溶液として有用である。 The wet-process silica synthesized using the aqueous alkali silicate solution of the present invention as a raw material is useful as an environmentally friendly aqueous alkali silicate solution, since it can have high reinforcing properties for industrial rubber and tires, and can also be used as a reinforcing filler for silicone rubber where transparency and whiteness are important, as a filler for paper (anti-bleed-through agent), as a matting agent for paint, as an abrasive for toothpaste, and as an anti-blocking agent for films (similar to conventional aqueous alkali silicate solutions derived from sand).
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