Disoluciones de vidrio soluble que contienen aluminio.

Procedimiento para la obtención de disoluciones acuosas, estables al almacenaje a 20ºC al menos 6 meses,

de silicatos (vidrios solubles) constituidas por

* un 20 a un 40 % en peso de SiO2,

* un 10 a un 20 % en peso de M2O, siendo M un catión del grupo Li+, Na+, K+, NY4 +, y significando Y un resto

alquilo o alquenilo con 1 a 6 átomos de carbono,

* un 0,5 a un 6 % en peso de Al2O3, y

* agua,

disponiéndose

* una disolución acuosa de silicato (vidrio soluble) de la fórmula general M2O x nSiO2, donde M es un catión del grupo Li+, Na+, K+, NY4

+, y significando Y un resto alquilo o alquenilo con 1 a 6 átomos de carbono, y n un número en el intervalo de 1 a 5, y

* añadiéndose con dosificación un compuesto de aluminio con una velocidad tal que la viscosidad de la mezcla de reacción permanece por debajo de 10 000 mPas, y llevándose a cabo la reacción en un intervalo de temperatura de 20 a 140ºC,

* con la condición de que la mezcla de reacción se enfríe a temperatura ambiente tras adición con dosificación de la cantidad total de compuesto de aluminio, tan pronto la mezcla de reacción sean clara.

Disoluciones de vidrio soluble que contienen aluminio Campo de la invención La invención se refiere a disoluciones claras, estables al almacenaje a largo plazo, de silicatos alcalinos (vidrios solubles) , con un contenido en aluminio de al menos un 0, 5 %, así como a un procedimiento para la obtención de estas disoluciones.

Estado de la técnica

Como es sabido, el especialista entiende por vidrio soluble silicatos alcalinos solidificados a partir de la fusión, vítreos, solubles en agua (es decir, sales alcalinas de ácidos silícicos) , o sus disoluciones viscosas acuosas. En el caso de vidrio soluble entran en consideración típicamente 1 a 5 moles de SiO2 respecto a 1 mol de óxido alcalino (Alc2O - significando alc los metales alcalinos litio, sodio y potasio) , debido a lo cual los vidrios solubles sódicos y potásicos se caracterizan habitualmente también mediante los cocientes % de SiO2 respecto a % de óxido alcalino. Por lo tanto, los vidrios solubles son químicamente silicatos alcalinos con una proporción molar (MV) SiO2 respecto a Alc2) en el intervalo de 1 a 5, debiéndose entender por esta proporción molar la proporción molar de los componentes que constituyen el silicato alcalino SiO2 y Alc2. Estos contienen aniones silicato oligómeros con cationes metálicos alcalinos como contraiones.

Los vidrios solubles son vidrios incoloros en estado puro, que forman disoluciones coloidales claras, de reactividad alcalina, con agua a temperatura y presión elevadas. Habitualmente se obtiene vidrio soluble mediante fusión conjunta de arena de cuarzo con sosa o potasa a 1400 hasta 1500ºC, expulsando el ácido silícico el CO2. La fusión solidificada se comercializa en estado molturado, o se transforma en una disolución acuosa de concentración deseada. Las disoluciones acuosas tienen la ventaja de una mejor aplicabilidad en una serie de campos técnicos de aplicación diferentes.

Las disoluciones líquidas de vidrio soluble, es decir, las disoluciones acuosas de silicatos alcalinos, se obtienen a escala industrial a partir de vidrio en piezas sólido de silicato alcalino mediante su disolución a presión en autoclaves en agua. Alternativamente se puede disolver arena también por vía hidrotérmica en hidróxido alcalino concentrado, pudiéndose obtener, no obstante, sólo disoluciones con MV inferior.

Como es sabido por el especialista, en la obtención de vidrio soluble en el horno de fusión se produce en primer lugar una fusión de silicato alcalino, que solidifica en el enfriamiento a temperatura ambiente para dar piezas de vidrio (el denominado vidrio soluble) . Estas piezas de vidrio se disuelven en agua técnicamente en autoclaves de presión, habitualmente a temperatura elevada, aproximadamente a unos 120ºC (el denominado proceso de disolución) . Las disoluciones técnicas de vidrio soluble contienen habitualmente una fracción de producto sólido de aproximadamente un 30 a un 50 % en peso.

Para la obtención de vidrios solubles técnicos, a falta de una disponibilidad cuantitativa, por regla general no se emplea cuarzo ultrapuro como fuente de materia prima SiO2, sino arena, por lo cual las disoluciones de vidrio soluble de calidad técnica contienen determinados metales en el intervalo de trazas. Por lo tanto, las disoluciones de vidrio soluble habituales en el mercado, independientemente de la vía de obtención y debido a las materias primas, contienen impurezas metálicas, situándose éstas en el caso de disoluciones acuosas claras, estables al almacenaje, en suma por debajo de un 0, 3 %, y en el caso de aluminio por debajo de un 0, 2 % - en la mayor parte de los casos claramente por debajo -; como es habitual, estos datos de % se deben entender como % en peso del correspondiente óxido metálico, referido a la disolución acuosa total de silicato alcalino. El motivo por el cual el contenido en "impurezas metálicas" en vidrios solubles es apenas tan reducido se debe considerar que solo silicatos alcalinos "puros" son solubles en agua, pero ya fracciones muy reducidas de cationes metálicos di- o trivalentes forman compuestos insolubles en agua. Ya que las fracciones insolubles, debido a su tendencia a la separación, interfieren en casi todas las aplicaciones, en la técnica éstas se obtienen mediante sedimentación, centrifugado o filtración, para llegar a disoluciones de vidrio soluble claras, transparentes, estables al almacenaje.

Además, generalmente es sabido que las disoluciones de vidrio soluble son muy sensibles ya a la adición de cantidades reducidas de disoluciones que contienen aluminio, en la mayor parte de los casos mediante gelificado inmediato y precipitación retardada de productos sólidos. Por consiguiente, existe una dificultad principal si el contenido de las disoluciones de vidrio soluble en aluminio se desea ajustar a un valor por encima de aproximadamente un 0, 2-0, 3 % (% en peso de Al2O3, referido a la disolución acuosa total de silicato alcalino) . Esto se confirmó en algunas investigaciones del solicitante. En este caso, el solicitante ha determinado que también el intento de una síntesis directa de disoluciones de silicato alcalino claras acuosas con contenido en aluminio más elevado a partir de las baratas materias primas arena, NaOH y una fuente de aluminio, fracasa a través de la vía hidrotérmica.

Las mezclas de disoluciones de vidrio soluble con disoluciones de aluminato se emplean a escala industrial para obtener silicatos de aluminio como tamices moleculares amorfos o zeolitas cristalinas. Desde otra perspectiva, esto aclara la citada dificultad de obtener disoluciones de vidrio solubles claras con contenido en aluminio más elevado. Ya que, como han confirmado las investigaciones del solicitante, la reunión de disoluciones de vidrio soluble con disoluciones de aluminato conduce a precipitación, o bien cristalización, empobreciéndose la fase líquida en aluminio, de modo que una vez concluida la precipitación permanece como aguas madre una disolución de silicato alcalino casi sin contenido en Al.

Mitra, Transaction Ind. Ceram. Soc, Vol XXXI 1972, páginas 31 y siguientes, describe variaciones de Alc/Si/Al en amplios intervalos, diluciones y temperaturas en el intervalo de 0 a 95ºC, pero con el resultado de que todas las mezclas gelifican o se enturbian a más tardar después de 24 horas.

Ueda indica en American Mineralogist, V64, 1979, páginas 172 y siguientes, que también puede haber disoluciones claras de aluminatos en disoluciones de vidrio soluble, pero con la limitación de que esto es posible sólo en el caso de proporciones de Al2O3/SiO2 en el intervalo de 1 : 70 a 1 : 320, lo que significa desde el punto de vista matemático que Al2O3 puede estar contenido sólo con un 0, 4 % en peso como máximo para una disolución de vidrio soluble de uso común, con un contenido en producto sólido de silicato alcalino de un 40 % en peso. Este estado de la técnica confirma al especialista en el hecho, ya conocido por el mismo, de que es extremadamente difícil obtener disoluciones acuosas de silicatos alcalinos (vidrios solubles) claras, estables al almacenaje a largo plazo y que no gelifican, con un contenido en aluminio notable, y en todo caso apunta a que podría ser posible obtener tales disoluciones con un contenido en aluminio máximo de un 0, 4 % en peso.

La WO 2004/014813 A2 describe disoluciones claras acuosas para vitrificaciones ignífugas que contienen un silicato de metal alcalino (vidrio soluble) , un aluminato hidrosoluble y un ácido hidroxicarboxílico.

La US 2004/018146 A1 describe partículas de zeolita finas de tipo A, con un diámetro medio de 0, 1 micrómetros o menor, y un coeficiente de variación de un 90 % o menor, ascendiendo la proporción de un pico por encima del nivel base respecto a la superficie de pico total en el intervalo de 2-theta = 20º a 40º, en un espectro de difracción de polvo de rayos X de la citada partícula de zeolita fina de tipo A, a un 30 % o más.

Descripción de la invención Era tarea de la presente invención poner a disposición disoluciones de silicatos (vidrios solubles) claras acuosas, con un contenido en aluminio de al menos un 0, 5 % en peso (% en peso de Al2O3, referido a la disolución acuosa de silicato total) . Las disoluciones serán estables al almacenaje durante un intervalo de tiempo de al menos 6 meses a 20ºC, es decir, permanecerán claras dentro de este intervalo de tiempo, y no gelificarán, o bien conducirán a precipitaciones.

El solicitante ha conseguido ahora solucionar el citado planteamiento del problema, a pesar de que el estado de la técnica da a entender que esto es extraordinariamente difícil, cuando no prácticamente imposible.

En primer lugar es objeto de la invención un procedimiento para la obtención de disoluciones... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la obtención de disoluciones acuosas, estables al almacenaje a 20ºC al menos 6 meses, de silicatos (vidrios solubles) constituidas por

* un 20 a un 40 % en peso de SiO2,

* un 10 a un 20 % en peso de M2O, siendo M un catión del grupo Li+, Na+, K+, NY4+, y significando Y un resto alquilo o alquenilo con 1 a 6 átomos de carbono,

* un 0, 5 a un 6 % en peso de Al2O3, y

* agua, disponiéndose

* una disolución acuosa de silicato (vidrio soluble) de la fórmula general M2O x nSiO2, donde M es un catión del grupo Li+, Na+, K+, NY4+, y significando Y un resto alquilo o alquenilo con 1 a 6 átomos de carbono, y n un número en el intervalo de 1 a 5, y

* añadiéndose con dosificación un compuesto de aluminio con una velocidad tal que la viscosidad de la mezcla de reacción permanece por debajo de 10 000 mPas, y llevándose a cabo la reacción en un intervalo de temperatura de 20 a 140ºC,

* con la condición de que la mezcla de reacción se enfríe a temperatura ambiente tras adición con dosificación de la cantidad total de compuesto de aluminio, tan pronto la mezcla de reacción sean clara.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, significando M un catión del grupo Li+, Na+, K+.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, significando M el catión Na+, y teniendo el silicato sódico empleado la fórmula Na2O x nSiO2, significando n un número en el intervalo de 1, 6 a 2, 8.

4. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, empleándose como compuesto de aluminio hidróxido de aluminio.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, empleándose hidróxido de aluminio en forma de polvo, situándose su tamaño de grano por debajo de 1 µm.

6. Procedimiento según la reivindicación 4, empleándose hidróxido de aluminio en forma de una disolución acuosa (disolución de aluminato) .

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, llevándose a cabo la reacción en un intervalo de temperaturas de 60 a 80ºC.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, añadiéndose el compuesto de aluminio con una velocidad tal que la viscosidad de la mezcla de reacción permanece por debajo de 1000 mPas.

9. Disoluciones acuosas claras, estables al almacenaje a 20ºC al menos 6 meses, de silicatos (vidrios solubles) constituidas por

* un 20 a un 40 % en peso de SiO2,

* un 10 a un 20 % en peso de M2O, siendo M un catión del grupo Li+, Na+, K+, NY4+, y significando Y un resto alquilo o alquenilo con 1 a 6 átomos de carbono,

* un 0, 5 a un 6 % en peso de Al2O3, y

* agua, siendo accesibles estas disoluciones

* disponiéndose una disolución acuosa de un silicato (vidrio soluble) de la fórmula general M2O x nSiO2, donde M representa un catión del grupo Li+, Na+, K+, NY4+, y significando Y un resto alquilo o alquenilo con 1 a 6 átomos de carbono, y n un número en el intervalo de 1 a 5, y

* añadiéndose con dosificación un compuesto de aluminio con una velocidad tal que la viscosidad de la mezcla de reacción permanece por debajo de 10 000 mPas, y llevándose a cabo la reacción en un intervalo de temperaturas de 20 a 140ºC,

* con la condición de que la mezcla de reacción, tras adición con dosificación de la cantidad total de compuesto de aluminio, se enfríe a temperatura ambiente en tanto la mezcla de reacción sea clara.