WO1992021612A1 - Process for the production of high-swelling layer silicates - Google Patents

Process for the production of high-swelling layer silicates Download PDF

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WO1992021612A1 PCT/EP1992/001091 EP9201091W WO9221612A1 WO 1992021612 A1 WO1992021612 A1 WO 1992021612A1 EP 9201091 W EP9201091 W EP 9201091W WO 9221612 A1 WO9221612 A1 WO 9221612A1
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Harald Liebs
Claus-Peter Herold
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Stephan Von Tapavicza
Britta Liesenfeld
Hans Dolhaine
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Abstract

The invention concerns a simplified process for the production of fluoride-containing, swellable magnesium layer silicates of the smectite type, in particular compounds of this type with the hectorite structure, the process including a hydrothermal reaction step between the layer-silicate-forming reactants at elevated pressures and temperatures. The new process is characterized in that a hydroxidic coprecipitate of magnesium and silicon, optionally virtually free of foreign salts, in alkaline aqueous suspension, and in the presence of dissolved MgSiF6 and/or other salts supplying fluoride ions, is subjected to a hydrothermal reaction and the solid formed is optionally separated, after cooling, from the aqueous phase and from any foreign salts dissolved in it. The moist product thus obtained does not swell significantly in water. The invention calls, as the last process step, for this moist product to be dried at moderately temperatures, thus forming in this step the crystalline, high-swelling layer silicate. The invention also concerns the use of layer silicates produced in this way in the thickening of liquid aqueous phases. When layer silicates produced by the process proposed are provided, using prior art methods, with oleophilic groups, these modified thickening agents are suitable for use in organic phases.

Description

Verfahren zur Herstellung von hoch-quellfähigen Sch1chtsil1katen Process for the production of swellable swelling silicates
Die Erfindung betrifft ein vereinfachtes Syntheseverfahren zur Her¬ stellung wasserquellbarer Smectit-Tone und beschreibt insbesondere eine Möglichkeit in einfacher Weise der Schwierigkeiten Herr zu werden, die bei der Herstellung hochquellfähiger Hectorite, Saponite und/oder Saponit-Hectorit-Hybride auftreten.The invention relates to a simplified synthesis process for the production of water-swellable smectite clays and describes in particular a possibility in a simple manner to master the difficulties which arise in the production of highly swellable hectorites, saponites and / or saponite-hectorite hybrids.
Die Synthese von Schichtsilikaten, insbesondere von Hectoriten, ist in der Literatur vielfach beschrieben worden (H. Strese und U. Hoffmann, Z. Anorg. Allg. Chem. 247 (1941) 65 - 95; W. I. Crandquist und S. S. Pollack in "Gays and Clay Minerals" Natl. Acad. Sei., Natl. Res. Coun¬ cil Publ. 8 (1960) 150 - 169; DE-AS 1 667 502). Eine jüngere Literatur¬ stelle beschäftigt sich ausführlich mit den heute vorliegenden Erkennt¬ nissen zur Struktur, Genese und Herstellung von Hectorit, vgl. hierzu Karl-Heinz Bergk et a . Chem. Techn. 41. Jg., Heft 6, 245 - 251.The synthesis of phyllosilicates, especially hectorites, has been widely described in the literature (H. Strese and U. Hoffmann, Z. Anorg. Allg. Chem. 247 (1941) 65-95; WI Crandquist and SS Pollack in "Gays and Clay Minerals "Natl. Acad. Sci., Natl. Res. Council Publ. 8 (1960) 150-169; DE-AS 1 667 502). A recent literature section deals extensively with the knowledge available today on the structure, genesis and production of hectorite, cf. Karl-Heinz Bergk et a. Chem. Techn. 41 vol., Issue 6, 245-251.
Hoch-quellfähige Schichtsilikate des Typs Smectit (insbesondere Hecto¬ rite, Saponite und/oder Saponit-Hectorit-Hybride) finden breite Anwen¬ dung z.B. in den Bereichen Kosmetik, Lacke, Farben, Abwasseraufberei- tung und Bohrspülflüssigkeiten. Bei fast allen Anwendungen nutzt man das ausgeprägte Quellvermögen der Vertreter dieser Verbindungsklasse in Wasser und/oder - nach geeigneter Zurichtung - in organischen Flüssigphasen aus. Dem Einsatz natürlich vorkommender Materialien der hier betroffenen Art steht oft deren eingeschränkte Reinheit entgegen, so daß der Synthese entsprechender Materialien mit vorbestimmbaren Stoffeigenschaften hohe Bedeutung zukommt. Für die Praxis ist in diesem Zusammenhang die Hydrothermal-Synthese bei hohen Temperaturen von überragender Bedeutung. Einzelheiten zur Synthese finden sich ins¬ besondere in der zuletzt genannten Literaturstelle Karl-Heinz Bergk et al. , vgl. hier insbesondere die Fließschemata aus den Bildern 3 und 4 auf der Seite 247 a.a. O . , sowie die Angaben auf Seite 250 zur oleophilen Ausrüstung.Highly swellable layered silicates of the Smectit type (in particular Hectorite, Saponite and / or Saponite-Hectorite hybrids) are widely used, for example, in the fields of cosmetics, lacquers, paints, waste water treatment and drilling fluids. The pronounced swelling capacity of the representatives of this class of compounds in water and / or - after suitable dressing - in organic liquid phases is used in almost all applications. The use of naturally occurring materials of the type concerned here often stands in the way of their limited purity, so that the synthesis of corresponding materials with predeterminable material properties is of great importance. In this context, hydrothermal synthesis at high temperatures is of paramount importance in practice. Details of the synthesis can be found in particular in the last-mentioned reference Karl-Heinz Bergk et al. , see. here in particular the flow diagrams from Figures 3 and 4 on page 247 op. , as well as the information on page 250 for oleophilic equipment.
Ein großtechnisch bedeutungsvolles Anwendungsgebiet hoch-quellfähiger synthetischer Schichtsilikate der hier betroffenen Art ist deren Ver¬ wendung als Mittel zum Viskositätsaufbau in wäßrigen und/oder organisch basierten Bohrspül- und Bohrlochbehandlungsmitteln bei der Exploration und Erschließung von Lagerstätten von beispielsweise Erdöl und Erdgas, aber auch beim Geothermiebohren , beim Wasserbohren , bei der Durch¬ führung geowissenschaftlicher Bohrungen und bei Bohrungen im Bergbau¬ bereich. Aus der einschlägigen Literatur ist hier insbesondere die EP-A 260 538 zu nennen. Geschildert wird hier die Verwendung von aus¬ gewählten synthetischen quellfähigen Schichtsilikaten des Hectorit- und/- oder Saponit-Typs für solche wasserbasierten Bohrspülsysteme. Die zu¬ letzt genannte Literaturstelle beschreibt in ihrem Beispiel 1 ein typisches Verfahren zur Herstellung der dort zu verwendenden synthetischen Schichtsilikate vom Hectorit-Typ . Aus Magnesiumsulfat, Natronlauge, Natriumsilikatlösung und Lithiumcarbonat wird eine wäßrige Suspension hergestellt, die dann etwa 4 Stunden bei 180°C im Rührautoklaven zur Umsetzung gebracht wird. Das entstandene Produkt muß dann von der Mutterlauge abfiltriert und der dabei gewonnene Filterkuchen mit entionisiertem Wasser gewaschen werden , bevor die Trocknung des Materials erfolgt. Diese entscheidenden Schritte des Filtrierens eines primär gebildeten Hectorit-Slurries mit nachfolgendem Waschen der ab¬ getrennten Feststoffphase sind auch integrale Bestandteile der in den Fließbildern 3 und 4 aus der zitierten Literaturstelle Karl-Heinz Bergk et al. (a.a. O. ) Seite 247 gezeigten Verfahren . Notwendig ist dieses Filtrieren und Waschen zur Abtrennung von Fremdbestandteilen , die über die eingesetzten Reaktanten und/oder Reaktionshilfsmittel in das Reaktionsgemisch eingebracht worden sind. In der Regel handelt es sich hierbei um wasserlösliche Salze wie Sulfate, Carbonate, Nitrate oder Cloride sowie um den im Rahmen der Hydrothermalsynthese eingesetzten Überschuß an freiem Alkali. Dieser scheinbar einfache Schritt der Abtrennung der gelöste Salze enthaltenden wäßrigen Phase und das nachfolgende Waschen des synthe¬ tischen Smectit-Tons bringen für das praktische Verfahren beträchtliche Schwierigkeiten . Sofort verständlich wird das aus folgendem : Das gebi l¬ dete hoch-quellfähige Schichtsilikat hält wenigstens Anteile der wäßrigen Reaktionsphase hartnäckig fest, und fordert besondere Intensität für die nachfolgende Reinigung durch eine Wasserwäsche. Die Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens wird durch die hier genannten Aufarbeitungs¬ schritte über Gebühr belastet. Ältere Vorschläge der Anmelderin setzen an dieser Schwierigkeit an und gehen dabei von der Aufgabe aus , das an sich bekannte Verfahren zur Herstellung synthetischer und insbe¬ sondere hoch-quellfähiger Smectit-Tone derart auszugestalten , daß eine Reinigung des Reaktionsrohproduktes durch Filtration und nachfolgende Wäsche nicht mehr die bisher bekannten Schwierigkeiten bereitet. Ver¬ wiesen wird in diesem Zusammenhang auf die älteren deutschen Patentan¬ meldungen P 40 10 878.3, P 40 15 857.8 und P 40 10 879.1 .An industrially significant application area of highly swellable synthetic layered silicates of the type concerned here is their use as a means of increasing viscosity in aqueous and / or organically based drilling fluid and borehole treatment agents in the exploration and development of deposits of, for example, petroleum and natural gas, but also in geothermal drilling , water drilling, geoscientific drilling and mining. From the relevant literature, EP-A 260 538 should be mentioned here in particular. The use of selected synthetic swellable sheet silicates of the hectorite and / or saponite type for such water-based drilling fluid systems is described here. The last-mentioned literature reference describes in its example 1 a typical process for the production of the synthetic sheet silicates of the hectorite type to be used there. An aqueous suspension is prepared from magnesium sulfate, sodium hydroxide solution, sodium silicate solution and lithium carbonate, which is then reacted for about 4 hours at 180 ° C. in a stirred autoclave. The resulting product must then be filtered off from the mother liquor and the filter cake thus obtained must be washed with deionized water before the material is dried. These decisive steps of filtering a primarily formed hectorite slurry with subsequent washing of the separated solid phase are also integral components of the flow diagrams 3 and 4 from the cited literature reference Karl-Heinz Bergk et al. (loc. cit.) Page 247 shown method. This filtering and washing is necessary to separate foreign constituents which have been introduced into the reaction mixture via the reactants and / or reaction auxiliaries used. As a rule, these are water-soluble salts such as sulfates, carbonates, nitrates or chlorides and the excess of free alkali used in the hydrothermal synthesis. This apparently simple step of separating the aqueous phase containing dissolved salts and then washing the synthetic smectite clay brings considerable difficulties for the practical process. This is immediately understandable from the following: the formed highly swellable layered silicate stubbornly holds onto at least parts of the aqueous reaction phase and requires special intensity for the subsequent cleaning by water washing. The economy of the overall process is unduly burdened by the processing steps mentioned here. Older proposals by the applicant address this difficulty and are based on the task of designing the known process for the production of synthetic and in particular highly swellable smectite clays in such a way that the crude reaction product can no longer be purified by filtration and subsequent washing the previously known difficulties. In this context, reference is made to the older German patent applications P 40 10 878.3, P 40 15 857.8 and P 40 10 879.1.
Die technischen Lehren dieser drei älteren Vorschläge der Anmelderin basieren auf dem Konzept die Notwendigkeit zu umgehen , quellfähige Reaktionszwischenprodukte oder das gewünschte hoch-quellfähige Reak¬ tionsendprodukt durch Filtration und Wasserwäsche von einem uner¬ wünschten Elektrolytgehalt befreien zu müssen. Die Abwesenheit solcher Elektrolyt-Fremdsalze im Reaktionsendprodukt ist bekanntlich notwendig , um die gewünschte hohe Quellfähigkeit unter Ausbildung des gewünschten thixotropen Verhaltens in wäßrigen Phasen sicherzustellen , vgl . hierzu die ausführliche Darstellung in der bereits zitierten Literaturstelle Karl-Heinz Bergk et al. a .a. O .The technical teachings of these three older proposals by the applicant are based on the concept of avoiding the need to remove swellable reaction intermediates or the desired highly swellable reaction end product from an undesired electrolyte content by filtration and water washing. The absence of such electrolyte foreign salts in the final reaction product is known to be necessary in order to ensure the desired high swellability while forming the desired thixotropic behavior in aqueous phases, cf. the detailed description in the already cited reference Karl-Heinz Bergk et al. a .a. O.
Die technische Lehre der im Nachfolgenden beschriebenen und jetzt von der Anmelderin aufgefundenen Weiterentwicklung macht sich von der Kon¬ zeption der genannten drei älteren Anmeldungen im wesentlichen wieder frei . Der erfindungsgemäßen technischen Lehre liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß bei Einhaltung des jetzt dargestellten Syntheseweges Elektrolyt-bildende Fremdsalze als Reaktionszwischen¬ produkte durchaus geduldet werden können . Die erfindungsgemäßen Reak- tionsstufen vor der hydrothermalen Umsetzung , aber gegebenenfalls auch noch das Reaktionsprodukt aus der hydrothermal geführten Reaktions¬ stufe, erlauben jeweils eine Fest/FIüssig-Phasentrennung , beispielsweise durch Filtration oder vergleichbare konventionelle Behandlungen ohne unzumutbaren Arbeitsaufwand . Das als Naßgut nach der Hydrothermalstufe anfallende Reaktionsprodukt zeigt noch keine ausgeprägte Quellfähigkeit. Es ist zwar nicht mehr vollständig röntgenamorph , zeigt aber im Röntgen- diagramm noch keine charakteristischen Strukturdaten für Smectϊt-Typen der hier betroffenen Art. Völlig überraschenderweise tritt aber die gewünschte Umwandlung in das hoch-quellfähige und jetzt röntgenspezi- fisch zu erfassende kristalline Schichtsilikat ein , wenn das primär angefallene Feuchtgut aus der hydrothermalen Umsetzung einer nach¬ folgenden Trocknung bei bevorzugt mäßig erhöhten Temperaturen unter¬ worfen wird. Diese Ausbildung des hoch-quellfähigen Schichtsilϊkats der gewünschten Struktur und Beschaffenheit erst in der letzten Stufe des Syntheseprozesses erlaubt damit den Einsatz vergleichsweise billiger Synthesechemikalien und einfacher an sich bekannter Arbeitsschritte unter Einschluß einer intermediären Bildung von Fremdsalzen mit deren nachfolgender Entfernung durch Auswaschen .The technical teaching of the further development described below and now found by the applicant essentially frees one another from the concept of the three older applications mentioned. The technical teaching according to the invention is based on the surprising finding that if the synthetic route now depicted is followed, electrolyte-forming foreign salts can be tolerated as reaction intermediates. The reac- tion stages before the hydrothermal reaction, but possibly also the reaction product from the hydrothermally carried out reaction stage, in each case allow a solid / liquid phase separation, for example by filtration or comparable conventional treatments without undue work. The reaction product obtained as wet material after the hydrothermal stage does not yet show any pronounced swellability. Although it is no longer completely X-ray amorphous, it does not yet show any characteristic structural data for Smectϊt types of the type affected here in the X-ray diagram. Surprisingly, however, the desired conversion into the highly swellable and now X-ray-specific crystalline layered silicate occurs, if the moist product obtained primarily from the hydrothermal reaction is subjected to subsequent drying at preferably moderately elevated temperatures. This formation of the highly swellable layered silicate of the desired structure and nature only in the last stage of the synthesis process thus allows the use of comparatively cheap synthetic chemicals and simple work steps known per se, including the intermediate formation of foreign salts with their subsequent removal by washing.
Gegenstand der Erfindung ist dementsprechend in einer ersten Aus¬ führungsform das Verfahren zur Herstellung von ausgewählten Fluorid- haitigen Quellfähigen Magnesiumschichtsilikaten vom Smectit-Typ , insbe¬ sondere entsprechenden Verbindungen mit Hectorit-Struktur , die für den Einsatz in wäßrigen oder - nach oleophiler Ausrüstung - in organischen Systemen geeignet sind , unter Einschluß einer hydrothermalen Reaktions¬ stufe der Schichtsilϊkat-bildenden Reaktanten bei erhöhten Drucken und erhöhten Temperaturen. Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man ein gewünschtenfalls von Fremdsalzen praktisch befreites hydroxidisches Copräzipϊtat von Magnesium und Silicium in alkalisch¬ wäßriger Suspension und in Gegenwart von gelöstem MgSiFfi und/oder weiteren Fluoridionen liefernden Salzen der hydrothermalen Umsetzung unterwirft, erforderlichenfalls den gebildeten Feststoff nach Abkühlung von der wäßrigen Phase und von gegebenenfalls darin gelösten Fremd- salzen abtrennt und durch Trocknung zum hoch-quellfähigen Schicht¬ silikat umwandelt.Accordingly, the invention relates in a first embodiment to the process for the preparation of selected fluoride-containing swellable magnesium layer silicates of the smectite type, in particular corresponding compounds with hectorite structure, which are suitable for use in aqueous or - after oleophilic finishing - in organic systems are suitable, including a hydrothermal reaction stage of the layer silicate-forming reactants at elevated pressures and elevated temperatures. The new process is characterized in that a hydroxide coprecipitate of magnesium and silicon in alkaline aqueous suspension and in the presence of dissolved MgSiF fi and / or other salts providing fluoride ions, which is practically freed from external salts, is subjected to the hydrothermal reaction, if necessary, the solid formed Cooling from the aqueous phase and any foreign substances dissolved therein salts separated and converted to highly swellable layered silicate by drying.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann als eine Sequenz von drei Ver¬ fahrensstufen verstanden werden , die sich wie folgt definieren lassen :The method according to the invention can be understood as a sequence of three method stages, which can be defined as follows:
Herstellung eines hydroxidischen Copräzipitats von Magnesium und Silicium in wäßrig alkalischer Suspension und - soweit erforderlich oder auch erwünscht - dessen Reinigung von gegebenenfalls mitgebi ldeten Fremdsalzen .Production of a hydroxide coprecipitate of magnesium and silicon in an aqueous alkaline suspension and - if necessary or desired - its purification of foreign salts which may have been formed.
Durchführung der hydrothermalen Reaktion unter Zusatz Fluoridionen liefernder Verbindungen . Soweit notwendig Abtrennung der in dieser zweiten Reaktionsstufe gebildeten Feststoffphase von dem wäßrigen Reaktionsmedium und gegebenenfalls noch vorliegenden Elektrolytsalzen unter Gewinnung eines Feuchtgutes , das noch keine ausgeprägte Quell¬ fähigkeit in wäßriger Phase besitzt, sowieCarrying out the hydrothermal reaction with the addition of compounds providing fluoride ions. If necessary, separation of the solid phase formed in this second reaction stage from the aqueous reaction medium and any electrolyte salts still present to obtain a moist material which does not yet have a pronounced swellability in the aqueous phase, and
Umwandlung des Feuchtguts aus der zweiten Reaktionsstufe in das ge¬ wünschte hoch-quellfähige Schichtsilikat durch Trocknung unter den im nachfolgenden angegebenen Bedingungen . Zum Einsatz in organischen Phasen kann eine oleophile Ausrüstung angeschlossen werden .Conversion of the moist material from the second reaction stage into the desired highly swellable layered silicate by drying under the conditions specified below. Oleophilic equipment can be connected for use in organic phases.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat insbesondere Bedeutung für die Her¬ stellung von synthetischen quellfähigen Schichtsilikaten , wie sie in der EP-A 260 538 beschrieben sind und dementsprechend gekennzeichnet sind durch die nachfolgende allgemeine Formel ( I )The process according to the invention is particularly important for the production of synthetic swellable sheet silicates as described in EP-A 260 538 and are accordingly characterized by the following general formula (I)
MgO . aMA . bAI203 . cSi02 . nH20 ( I )MgO. aMA. bAI 2 0 3 . cSi0 2 . nH 2 0 (I)
in der bedeutenin the mean
M = Na und/oder Li bei einem Na/Li-Verhältnis gleich oder größer 1M = Na and / or Li with a Na / Li ratio equal to or greater than 1
- 2-- 2-
A = F oder auch anteilsweise OH und/oder 1 /2 0 sowie a , b , c und n Zahlen sind gemäß a = 0*, 1 bis 0,6 b = 0 bis 0,3 , bevorzugt 0 c = 1 ,2 bis 1 ,7 n = 0 bis 3 ,0.A = F or partly OH and / or 1/2 0 as well as a, b, c and n numbers are according to a = 0 *, 1 to 0.6 b = 0 to 0.3, preferably 0 c = 1.2 to 1.7 n = 0 to 3.0.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das sich insbesondere zur Herstellung Aluminium-freier, Fluorid-haltiger Schichtsilikatverbindungen vom Hectorit-Typ eignet, wird im Nachfolgenden in der Sequenz der drei Reaktionsteilstufen geschildert.The process according to the invention, which is particularly suitable for the production of aluminum-free, fluoride-containing layered silicate compounds of the hectorite type, is described below in the sequence of the three reaction stages.
Bildung und gewünschtenfalls Entsalzung des hyroxidischen Copräzipitats von Magnesium und SiliciumFormation and, if desired, desalting of the hydroxide coprecipitate of magnesium and silicon
Von Fluoridionen freie wasserlösliche Verbindungen von Magnesium und Silicium werden in den gewünschten Molverhältnissen in verdünnter wäßriger Säure gelöst. Die wäßrig-saure Phase wird dabei in vergleichs¬ weise großem Überschuß eingesetzt, so daß hier bevorzugt Feststoffge¬ halte unter 30 Gew. -% und vorzugsweise unterhalb 20 Gew. -% in dieser Reaktionsstufe vorliegen. Als Säuren kommen übliche Mineraisäuren bei¬ spielsweise Salzsäure, Schwefelsäure und dergleichen in Betracht. Elektrolytsalze bleiben dabei unberücksichtigt. Die Schichtsilikat¬ bildenden Magnesium- und Siliciumkomponenten können hier als beliebige lösliche, insbesondere wasserlösliche, Verbindungen eingesetzt werden , so daß in dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Auswahl besonders preisgünstiger Einsatzmateriaiien möglich wird. Be¬ sonders geeignete Komponenten sind als wasserlösliche Siliciumverbin- dungen Natriumwassergläser, die als Feststoff oder bevorzugt in Form handelsüblicher wäßriger Lösungen Verwendung finden können. Das Mag¬ nesium wird als preiswertes Salz, beispielsweise als Magnesiumchlorid , eingesetzt.Water-free compounds of magnesium and silicon free of fluoride ions are dissolved in the desired molar ratios in dilute aqueous acid. The aqueous acidic phase is used in a comparatively large excess, so that solids contents below 30% by weight and preferably below 20% by weight are preferably present in this reaction stage. Suitable acids are conventional mineral acids, for example hydrochloric acid, sulfuric acid and the like. Electrolyte salts are not taken into account. The layered silicate-forming magnesium and silicon components can be used here as any soluble, in particular water-soluble, compounds, so that in this embodiment of the process according to the invention the selection of particularly inexpensive materials is possible. Particularly suitable components as water-soluble silicon compounds are sodium water glasses, which can be used as a solid or, preferably, in the form of commercially available aqueous solutions. The magnesium is used as an inexpensive salt, for example as magnesium chloride.
Die in dieser Verfahrensstufe vorgegebene Säuremenge wird so bemessen , daß nach der Einmischung der Silicium- und Magnesiumkomponenten wasser¬ dünne Reaktionsgemische mit vergleichsweise stark saurem pH-Wert er¬ halten werden , der bevorzugt im Bereich von pH 1 bis 3 liegt. So hat es sich beispielsweise als zweckmäßig erwiesen , in einem Reaktor unter Normaldruck verdünnte wäßrige Säuren vorzulegen und bei Temperaturen im Bereich von 20 bis 100°C unter intensiver Vermischung beispielsweise zunächst die wäßrige Wasserglaslösung zuzudosieren und anschließend das Magnesiumsalz in der erforderlichen Menge zu lösen . Die jetzt noch im sauren pH-Bereich vorliegende wäßrige Lösung der Reaktanten wird unter Einsatz von Alkalihydroxid und insbesondere unter Verwendung von wäßriger Natronlauge im pH-Wert angehoben. Die Arbeitsbedingungen bei dieser Neutralisationsreaktion und anschließenden Alkalisierung können dabei im Rahmen fachmännischen Handelns so aufeinander abge¬ stimmt werden , daß zwar intermediär temperaturabhängig im pH-Bereich von etwa 3 ,5 bis 6 , 3 eine Spontan-Vergelung zu beobachten ist, die aber im Zuge der weiteren Zugabe von NaOH wieder zusammenbricht.The amount of acid specified in this process stage is such that, after the silicon and magnesium components have been mixed in, water-thin reaction mixtures with a comparatively strongly acidic pH value are obtained, which is preferably in the range from pH 1 to 3. So it has proven to be useful, for example, in a reactor Submit aqueous acids diluted at normal pressure and, at temperatures in the range from 20 to 100 ° C., with intensive mixing, for example, first metering in the aqueous water glass solution and then dissolving the magnesium salt in the required amount. The aqueous solution of the reactants, which is still in the acidic pH range, is raised in pH using alkali hydroxide and in particular using aqueous sodium hydroxide solution. The working conditions in this neutralization reaction and subsequent alkalization can be coordinated with one another in the course of professional action in such a way that spontaneous gelling can be observed, depending on the temperature, in the pH range from about 3.5 to 6.3, but this occurs during the course the further addition of NaOH collapses again.
Der Zusatz von Natronlauge wird fortgeführt bis sich ein pH-Wert etwa im Bereich von 8 bis 12 , bevorzugt etwa 8 bis 9 , im wäßrigem Medium eingestellt hat. Das während dieser Neutralisation und der anschließen¬ den Alkalisierung beispielsweise im Temperaturbereich von etwa 50 bis 100°C gehaltene Gut kann nachfolgend durch Filtration - bevorzugt eben¬ falls innerhalb dieses Temperaturbereichs - abgetrennt werden . Der Feststoff wird in dieser Weise isoliert und kann auch elektrolytfrei gewaschen werden . Zur Abtrennung des Feststoffs geeignete Verfahren sind beispielsweise die Mikro-Filtration , die Aufarbeitung auf Vakuum- Bandfiltern , der Einsatz von Stülpfilterzentrifugen , von sogenannten Kerzen-Filtern und dergleichen . Auch durch Dekantieren und mehrmaliges Wiederaufnehmen des Sediments in voll entsalztem Wasser werden gute Reinigungsergebnisse erzielt. So können schließlich Filterkuchen mit Restgehalten an Elektrolytsalzen unterhalb von 100 ppm und vorzugsweise unterhalb 50 ppm erhalten werden. Die Restfeuchten in derartigen Fest¬ stoffphasen liegen je nach gewähltem Filtrationsverfahren im Bereich von 70 bis 90 Gew. -%. Falls erwünscht und/oder erforderlich kann eine zu¬ sätzliche Entwässerung unter Einsatz bekannter Preßeinrichtungen er¬ folgen .The addition of sodium hydroxide solution is continued until a pH in the range from 8 to 12, preferably about 8 to 9, has been established in the aqueous medium. The material held during this neutralization and the subsequent alkalization, for example in the temperature range from about 50 to 100 ° C., can subsequently be separated off by filtration - preferably also within this temperature range. The solid is isolated in this way and can also be washed free of electrolytes. Methods suitable for separating the solid are, for example, micro-filtration, working up on vacuum belt filters, the use of inverting filter centrifuges, so-called candle filters and the like. Good cleaning results are also achieved by decanting and repeatedly resuming the sediment in deionized water. Finally, filter cakes with residual electrolyte salt contents below 100 ppm and preferably below 50 ppm can be obtained. The residual moisture levels in such solid phases are in the range from 70 to 90% by weight, depending on the filtration method selected. If desired and / or necessary, additional dewatering can be carried out using known pressing devices.
Die Röntgenstrukturuntersuchung des so hergestellten Magnesium/Sili- cium-Fällprodukts zeigt ein röntgenamorphes Gut. Die Reinigung des Copräzipitats von mitgebildeten Elektroiytsalzen durch deren Auswaschen aus dem Fällgut ist zwar eine bevorzugte, nicht aber eine zwingende Maßnahme im Rahmen der erfindungsgemäßen Synthese. Die nachfolgende Stufe der Hydrothermalsynthese kann auch ohne Nach¬ teile in Anwesenheit von Fremdsalzen durchgeführt werden. Ihre Ab¬ trennung erfolgt dann nach der hydrothermalen Umsetzung also vor der Trocknung des Intermediats. Eine solche Verfahrensführung wird immer dann möglich sein , wenn die Feststoffkonzentration in der nachfolgenden zweiten Verfahrensstufe nicht zu hoch gewählt wird und dort beispiels¬ weise unterhalb 15 Gew. -% und insbesondere unterhalb 10 Gew. -% liegt. YJϊe im nachfolgenden noch geschildert ist es jedoch im Rahmen einer wichtigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich diese nach¬ folgende zweite Verfahrensstufe bei vergleichsweise erhöhten Feststoff¬ konzentrationen durchzuführen , die dann zu einem primären Reaktions¬ produkt aus der Hydrothermalstufe derartiger Beschaffenheit führen, daß mitgeschleppte Elektrolytsalze hier nur noch mit Mühe oder nur noch unvollständig ausgewaschen werden können. In Fällen dieser Art ist es zweckmäßig oder gar notwendig , die im ersten Arbeitsschritt entste¬ henden begleitenden Eletrolytsalze aus dem primär gebildeten Copräzipitat auszuwaschen. Entsprechendes gilt für die später noch geschilderte Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der die nachfolgende zweite und dritte Verfahrens stufe zwar zeitlich voneinander getrennt aber in der gleichen Vorrichtung durchgeführt werden. Auch hier wäre die Verschleppung von störenden Elektrolytsalzen aus dem Reaktions¬ produkt der ersten Verfahrensstufe in die nachfolgenden Reaktionsstufen eine überflüssige Behinderung .The X-ray structure examination of the magnesium / silicon precipitate thus produced shows an X-ray amorphous good. The cleaning of the coprecipitate from co-formed electrolyte salts by washing them out of the precipitate is a preferred, but not a mandatory measure in the context of the synthesis according to the invention. The subsequent stage of hydrothermal synthesis can also be carried out without disadvantages in the presence of foreign salts. They are then separated off after the hydrothermal reaction, ie before the intermediate dries. Such a process control will always be possible if the solids concentration in the subsequent second process step is not chosen too high and is, for example, below 15% by weight and in particular below 10% by weight. YJϊe described below, however, it is possible in the context of an important variant of the process according to the invention to carry out this subsequent second process stage at comparatively increased solids concentrations, which then lead to a primary reaction product from the hydrothermal stage of such a nature that electrolyte salts are carried along here can only be washed out with difficulty or only incompletely. In cases of this type, it is expedient or even necessary to wash out the accompanying electrolyte salts which arise in the first working step from the coprecipitate formed in the first place. The same applies to the modification of the method according to the invention which will be described later, in which the subsequent second and third method stages are carried out at different times, but are carried out in the same device. Here too, the carryover of disruptive electrolyte salts from the reaction product of the first process stage into the subsequent reaction stages would be an unnecessary hindrance.
Hydrothermale Umsetzung der zweiten VerfahrensstufeHydrothermal implementation of the second stage of the process
Zur Durchführung der hydrothermalen Umsetzung wird zunächst das Reak¬ tionsprodukt der ersten Verfahrensstufe mit dem Fluoridreaktanten ver¬ setzt. Geeignet sind hier Fluoridverbindungen , die wenigstens unter den Bedingungen der hydrothermalen Reaktionsstufe hinreichend löslich sind und Fluoridionen zum Einbau in die Schichtsilikatstruktur zur Verfügung stellen. Dabei sind solche Fluor enthaltende Reaktanten bevorzugt , die bezüglich ihrer sonstigen Bestandteile , insbesondere bezüglich ihres Kationanteiles zu keinen unerwünschten Interaktionen mit dem Reak¬ tionsgut führen . Geeignete Fluoridverbindungen sind beispielsweise Alkalifluoride, die auch in-situ aus Fluorwasserstoffsäure und Alkali¬ hydroxid , insbesondere Natriumhydroxid , hergestellt werden können. Als Fluoridquelle besonderes geeignet hat sich das MgSiF. erwiesen , also ein Vertreter solcher Fluoride, in denen auch die sonstigen Bestandtei le in die Schichtsilikatstruktur eingebaut werden .To carry out the hydrothermal reaction, the reaction product of the first process stage is first mixed with the fluoride reactant. Fluoride compounds that are sufficiently soluble at least under the conditions of the hydrothermal reaction stage and fluoride ions are available for incorporation into the layered silicate structure put. Those fluorine-containing reactants are preferred which, with regard to their other constituents, in particular with regard to their cation content, do not lead to any undesired interactions with the reaction material. Suitable fluoride compounds are, for example, alkali fluorides, which can also be prepared in situ from hydrofluoric acid and alkali hydroxide, in particular sodium hydroxide. MgSiF is particularly suitable as a fluoride source. proven, that is, a representative of such fluorides, in which the other constituents are also incorporated into the layered silicate structure.
Die Durchführung und die Verfahrensfolge dieser zweiten Reaktionsstufe werden durch die jeweils gewählten spezifischen Ansatzbedingungen wie folgt bestimmt:The procedure and the sequence of operations of this second reaction stage are determined as follows by the specific batch conditions chosen:
Die Erfindung sieht hier die Möglichkeit vor in der Stufe der Hydro¬ thermalsynthese mit vergleichsweise beschränkten Feststoffgehalten zu arbeiten , die beispielsweise im Bereich unterhalb 10 Gew. -% liegen. Das dabei anfallende Reaktionsprodukt erlaubt dann die nachhaltige Wäsche des primären Reaktionsproduktes aus dieser zweiten Verfahrensstufe und damit die Beseitung von unerwünschten Anteilen an gebildeten und/oder in diese Verfahrensstufe mit eingetragenen Elektrolyt-Fremdsalzen .The invention here provides the possibility of working in the stage of the hydrothermal synthesis with comparatively limited solids contents which are, for example, in the range below 10% by weight. The resulting reaction product then allows the primary reaction product from this second stage of the process to be washed sustainably and thus the removal of undesirable proportions of electrolyte foreign salts formed and / or entered in this stage of the process.
Andererseits hat sich herausgestellt, daß in dieser zweiten Verfahrens¬ stufe auch bei vergleichsweise erhöhten Feststoffkonzentrationen ge¬ arbeitet werden kann , die beispielsweise im Bereich von etwa 14 bis 30 Gew.-% Feststoff liegen. Als primäres Reaktionsprodukt der hydro¬ thermalen Umsetzung fällt dann ein zäh-plastisches Material an , das zwar noch nicht quellfähig ist, gleichwohl einer intensiven Wäsche nicht oder nur noch begrenzt zugänglich ist. Für eine Verfahrensführung im Sinne dieses Syntheseweges ist es dann dementsprechend auf jeden Fall zweck¬ mäßig oder gar notwendig , Elektrolyt-Fremdsalze aus dem Reaktions¬ produkt der ersten Verfahrensstufe auszuwaschen bevor die Hydrothermal¬ synthese der zweiten Reaktionsstufe durchgeführt wird. Im einzelnen gilt hier dann also das Folgende: -10On the other hand, it has been found that in this second process stage it is also possible to work at comparatively elevated solids concentrations, which are, for example, in the range from about 14 to 30% by weight of solids. The primary reaction product of the hydro-thermal conversion is then a viscous-plastic material which, although not yet swellable, is nevertheless not or only to a limited extent accessible to intensive washing. Accordingly, in order to carry out a process in the sense of this synthetic route, it is in any case expedient or even necessary to wash off electrolyte foreign salts from the reaction product of the first process step before the hydrothermal synthesis of the second reaction step is carried out. The following then applies in detail: -10
Der aus der ersten Umsetzungsstufe gewonnene und gewünschtenfalls salz¬ frei gewaschene Filterkuchen wird - falls erforderlich - in voll entsalztem Wasser redispergiert. Die Menge der wäßrigen Flüssigphase wird dem je¬ weils gewählten Syntheseweg im Sinne der zuvor gemachten Angaben ange- passt, so daß entweder niedere Feststoffgehalte in der Suspension vor¬ liegen, die vorzugsweise etwa 10 Gew.-% und insbesondere etwa 5 Gew.-% nicht überschreiten oder aber daß Feststoffgehalte des Copräzipitats im Bereich oberhalb 10 Gew.-% und insbesondere im Bereich bis etwa 30 Gew.-% gegeben sind.The filter cake obtained from the first reaction stage and, if desired, washed free of salt is redispersed in deionized water if necessary. The amount of the aqueous liquid phase is adapted to the particular synthetic route chosen in the sense of the information given above, so that either low solids contents are present in the suspension, which are preferably about 10% by weight and in particular about 5% by weight. not exceed or that there are solid contents of the coprecipitate in the range above 10% by weight and in particular in the range up to approximately 30% by weight.
Der wäßrigen Suspension werden dann die stöchiometrisch benötigten Mengen des Fluorid-Lieferanten zugesetzt. Wie bereits angegeben ist die bevorzugte Reaktionskomponente hier das MgSiF wobei sich die stöchio¬ metrisch benötigen Mengen aus dem Fiuoridgehalt dieser Reaktionskom- ponente(n) unter Berücksichtigung der Strukturformel gemäß der zuvor angegebenen allgemeinen Formel ( l ) ableiten. Gleichzeitig wird zur Be¬ schleunigung der nachfolgenden hydrothermalen Reaktion wäßriges Alkali, insbesondere verdünntes wäßriges NaOH zugegeben und dabei der pH-Wert in den Bereich von etwa 8 ,0 bis 12 ,5 angehoben .The stoichiometrically required amounts of the fluoride supplier are then added to the aqueous suspension. As already stated, the preferred reaction component here is MgSiF, the stoichiometrically required amounts being derived from the fluoride content of this reaction component (s), taking into account the structural formula according to the general formula (I) given above. At the same time, to accelerate the subsequent hydrothermal reaction, aqueous alkali, in particular dilute aqueous NaOH, is added and the pH is raised in the range from about 8.0 to 12.5.
Nachfolgend wird das Reaktionsgemisch der hydrothermalen Umsetzung unterworfen. Geeignete Reaktionstemperaturen liegen üblicherweise im Bereich von etwa 150 bis 300°C, wobei Arbeitstemperaturen im Bereich von 170 bis 250°C und insbesondere im Bereich von etwa 180 bis 230°C, gewählt werden können. Die Reaktionsführung erfolgt in an sich bekann¬ ter Weise zweckmäßig unter dem Eigendruck des Reaktionsgemisches bei der jeweils gewählten Verfahrenstemperatur. Die Reaktionsdauer liegt - in Abhängigkeit von der vorgegebenen Arbeitstemperatur - im Bereich von etwa 0,5 bis 20 Stunden und insbesondere im Bereich von etwa 1 bis 10 Stunden.The reaction mixture is then subjected to the hydrothermal reaction. Suitable reaction temperatures are usually in the range from about 150 to 300.degree. C., it being possible to choose working temperatures in the range from 170 to 250.degree. C. and in particular in the range from about 180 to 230.degree. The reaction is advantageously carried out in a manner known per se under the autogenous pressure of the reaction mixture at the process temperature chosen in each case. The reaction time is - depending on the specified working temperature - in the range of about 0.5 to 20 hours and in particular in the range of about 1 to 10 hours.
Die Aufarbeitung des Reaktionsgutes nach Abschluß der hydrothermalen Reaktionsphase kann in verschiedener Weise erfolgen. Zu berücksichtigen ist hier zunächst die Problematik eventuell vorliegender Elektrolyt- Fremdsalze, die als Mischungsbestandteile im hoch-quellfähigen Reak- -11 -The reaction mixture can be worked up in various ways after the hydrothermal reaction phase has ended. First of all, the problem of any electrolyte foreign salts that are present, which are components of the mixture in the highly swellable reac- -11 -
tionsendprodukt unerwünscht sind . Wie zuvor angegeben bedingt eine solche Reaktionsführung vergleichsweise beschränkte Feststoffgehalte im primären Reaktionsprodukt der zweiten Umsetzungsstufe . Für die Auf¬ arbeitung eines solchen Gutes gilt dann beispielsweise :end product are undesirable. As previously indicated, such a reaction procedure requires comparatively limited solids contents in the primary reaction product of the second reaction stage. The following then applies, for example, to the processing of such a good:
Nach Abschluß der hydrothermalen Reaktionsphase wird der Reaktorinhalt abgekühlt. Es fällt eine nieder-viskose wäßrige Suspension des mine¬ ralischen Reaktionsproduktes an , die filtriert und gewaschen werden kann . Geeignet sind hier beispielsweise die im Zusammenhang mit der Filtration und Wäsche des Reaktionsproduktes aus der ersten Verfahrens¬ stufe genannten Hilfs- bzw. Arbeitsmittel .After the hydrothermal reaction phase has ended, the reactor contents are cooled. A low-viscosity aqueous suspension of the mineral reaction product is obtained, which can be filtered and washed. Suitable here are, for example, the auxiliaries or working means mentioned in connection with the filtration and washing of the reaction product from the first process stage.
Der Restfeuchtegehalt des in dieser zweiten Verfahrensstufe abge¬ trennten Filterkuchens liegt beispielsweise im Bereich bis etwa 90 %, vorzugsweise im Bereich von etwa 10 bis 50 % - % jeweils wieder als Gew. -% bezogen auf Feuchtprodukt. Das Reaktionsprodukt zeigt also zwar ein beträchtliches Wasserrückhaltevermögen , jedoch keinerlei Neigung zu extensiver Quellung, wie sie von Schichtsilikaten des Smectit-Typs be¬ kannt ist. Im Röntgenbeugungsdiagramm des noch feuchten , also noch nicht getrockneten Reaktionsproduktes , dominieren keine für kristalline Smectite typischen Banden. Die in dieser Reaktionsstufe abgetrennten Feststoffe sind jedoch nicht völlig röntgenamorph.The residual moisture content of the filter cake separated in this second process stage is, for example, in the range up to about 90%, preferably in the range from about 10 to 50%, in each case again as% by weight based on the moist product. The reaction product thus shows considerable water retention, but no tendency towards extensive swelling, as is known from layered silicates of the smectite type. In the X-ray diffraction diagram of the still moist, that is to say not yet dried, reaction product, no bands typical for crystalline smectites dominate. However, the solids separated off in this reaction stage are not completely X-ray amorphous.
Eine Filtration und Wäsche des primären Reaktionsgutes aus der Hydro¬ thermalsynthese kann entfallen , wenn dieses primäre Reaktionsgut auf¬ grund der gewählten Reaktionsführung keinen störenden Gehalt an Elektro¬ lyt-Fremdsalzen besitzt und/oder die Konsistenz dieses Reaktionsgutes so beschaffen ist, daß eine Filtration nicht sinnvoll erscheint.Filtration and washing of the primary reaction product from the hydrothermal synthesis can be dispensed with if this primary reaction product does not have a disruptive content of foreign electrolyte salts due to the chosen reaction procedure and / or the consistency of this reaction product is such that filtration does not occur seems reasonable.
Aktivierung und Trocknung der dritten VerfahrensstufeActivation and drying of the third stage of the process
Das primäre Reaktionsprodukt bzw. der Restfeuchte-enthaltende Filter¬ kuchen aus der vorherigen Verfahrensstufe wird im letzten Verfahrens¬ schritt getrocknet. Dabei ist es nicht erforderlich die Wasserentfernung vor diesem Trocknungsschritt besonders weit zu treiben , so daß also durchaus auch Restfeuchtegehalte im Verfahrensprodukt der zweiten Ver¬ fahrensstufe im Bereich bis 98 Gew. --. - Gew.-% wieder bezogen auf Feuchtstoff - geeignet sein können.The primary reaction product or the filter cake containing residual moisture from the previous process step is dried in the last process step. It is not necessary to drive the water removal particularly far before this drying step, so that residual moisture contents in the process product of the second process stage in the range up to 98% by weight are also quite possible. -% by weight based on moisture - may be suitable.
Die Trocknung der hier vorliegenden dritten Verfahrensstufe führt schon bei Raumtemperatur zur angestrebten Umwandlung in das hoch-quellfähige Schichtsilikat. Bevorzugt erfolgt diese Trocknung jedoch bei erhöhten Temperaturen , wobei der Temperaturbereich unter 180°C bevorzugt ist. Geeignet sind beispielsweise Trocknungstemperaturen im Bereich von etwa 80 bis 150°C. Der Trocknungsschritt kann unter Normaldruck oder unter verringerten Drucken durchgeführt werden . Im allgemeinen wird bis auf Gewichtskonstanz getrocknet.The drying of the third process stage here leads to the desired conversion into the highly swellable layered silicate even at room temperature. However, this drying is preferably carried out at elevated temperatures, the temperature range below 180 ° C. being preferred. Drying temperatures in the range of approximately 80 to 150 ° C. are suitable, for example. The drying step can be carried out under normal pressure or under reduced pressures. In general, drying is carried out to constant weight.
In einer wichtigen Ausführungsform der Erfindung werden die Arbeits¬ schritte der zweiten und der dritten Stufe wie folgt verbunden : Das insbesondere hochkonzentrierte Reaktionsprodukt aus der Stufe der hydrothermalen Umsetzung - beispielsweise also die entsprechend ge¬ bildete zäh-plastische Masse - wird als noch heißes Reaktionsgut der Druckentspannung unterworfen , so daß unter Ausnutzung der im Reak¬ tionsgut vorliegenden Wärmeenergie bereits eine substantielle Trocknung stattfindet. Die hydrothermale Reaktionsstufe und die nachfolgende voll¬ ständige Auftrocknung können dabei im gleichen Reaktionsgefäß durch¬ geführt werden, so daß diese beiden Verfahrensstufen unmittelbar anein¬ ander anschließend zum Trockenprodukt führen .In an important embodiment of the invention, the working steps of the second and third stages are connected as follows: The particularly highly concentrated reaction product from the hydrothermal reaction stage - for example the correspondingly formed viscous-plastic mass - is the hot reaction product Relieved of pressure so that substantial drying already takes place using the thermal energy present in the reaction material. The hydrothermal reaction stage and the subsequent complete drying can be carried out in the same reaction vessel, so that these two process stages lead directly to the dry product.
Es fällt ein üblicherweise farbloses krümeliges Feststoffprodukt an , das sich jetzt aber als der angestrebte Wertstoff mit hochwertiger Quell¬ fähigkeit erweist. Zweckmäßigerweise wird das primär anfallende Trocken¬ gut einer Feinverteilung , z. B . Mahlung , unterworfen .A usually colorless, crumbly solid product is obtained, which, however, has now proven to be the desired valuable material with high swellability. Advantageously, the primary dry matter is a fine distribution, e.g. B. Grinding, subjected.
Die Untersuchung dieses Materials durch Röntgenbeugung zeigt, daß nach der Auftrocknung ein kristallines Schichtsilikat des Smectit-Typs vorliegt. Entsprechend ausgebildet ist das extensive Quellverhalten des Produkts in Wasser bei Anwesenheit geringer Elektrolytmengen und die Befähigung , transparente und thixotrope Gele zu bilden . Die Erfindung betrifft in einer weiteren Ausführungsform schließlich den Einsatz der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten quell¬ fähigen Schichtsilikate, insbesondere der Verbindungen der allgemeinen Formel ( I ) , als Verdicker bzw . Gelbildner für wäßrige Wirkstoffzuberei- tungeπ beliebiger Art. Besonders wichtige Einsatzgebiete sind bei¬ spielsweise entsprechende kosmetische Präparate, Lacke und/oder Farben sowie das Gebiet der Spül-, Wasch- und/oder Reinigungsmittel . Andere Einsatzgebiete sind die Herstellung feuerfester nicht leitender Überzüge oder Formkörper , der Einsatz als Bindemittel für Gießereisande oder zur Verbesserung des Erhärtungsverhaltens von dünnem Mörtel . Auch in Pflanzenschutzformulierungen können in an sich bekannter Weise ent¬ sprechende Smectit-Typen Verwendung finden , wobei hier eine Verlän¬ gerung des Rückhaltevermögens bewirkt wird . Im einzelnen sei auch hier wieder auf die Eingangs zitierte Veröffentlichung Karl-Heinz Bergk et al . a.a . O. dort insbesondere Seite 249 verwiesen.Examination of this material by X-ray diffraction shows that a crystalline layered silicate of the smectite type is present after drying. The extensive swelling behavior of the product in water in the presence of small amounts of electrolyte and the ability to form transparent and thixotropic gels are appropriately designed. In a further embodiment, the invention finally relates to the use of the swellable sheet silicates produced by the process according to the invention, in particular the compounds of the general formula (I), as thickeners or. Gel formers for aqueous preparation of active substances of any kind. Particularly important fields of use are, for example, corresponding cosmetic preparations, lacquers and / or paints and the field of dishwashing detergents and / or cleaning agents. Other areas of application are the production of refractory non-conductive coatings or moldings, the use as binders for foundry sands or to improve the hardening behavior of thin mortar. Corresponding types of smectite can also be used in crop protection formulations in a manner known per se, an extension of the retention capacity being brought about here. In particular, here again the publication Karl-Heinz Bergk et al. aa. O. referenced there in particular page 249.
Ein besonders wichtiges Einsatzgebiet für die gemäß dem erfindungs¬ gemäßen Verfahren hergestellten Materialien ist deren Verwendung als Mittel zum Viskositätsaufbau in wäßrigen Bohrspül- und/oder Bohrloch¬ behandlungsmitteln bei der Exploration und Erschließung von Lager¬ stätten , beispielsweise von Erdöl und Erdgas , beim Geothermiebohren , beim Wasserbohren , bei der Durchführung geowissenschaftlicher Boh¬ rungen und bei Bohrungen im Bergbaubereich . Die Verwendung der er¬ findungsgemäß hergestellten hoch-quellfähigen Schichtsilikate im Rahmen der Lehre der EP-A 260 538 fällt in den Rahmen der vorliegenden Er¬ findung.A particularly important area of application for the materials produced according to the process according to the invention is their use as agents for increasing viscosity in aqueous drilling mud and / or borehole treatment agents in the exploration and development of deposits, for example of petroleum and natural gas, in geothermal drilling. when drilling water, performing geoscientific drilling and drilling in the mining area. The use of the highly swellable sheet silicates produced according to the invention in the context of the teaching of EP-A 260 538 falls within the scope of the present invention.
Sollen die erfindungsgemäß hergestellten kristallinen Schichtsilikat¬ verbindungen in organischen Phasen insbesondere in organischen Flüssig¬ phasen beispielsweise als Viskositätsbildner, Gelbildner oder ganz all¬ gemein Verdicker eingesetzt werden , dann ist die bereits mehrfach er¬ wähnte Ausrüstung der primär anfallenden wasserquellbaren Schicht¬ silikatverbindungen mit oleophilierenden Hilfsmitteln geboten . Hierzu eignen sich insbesondere quartäre Ammoniumverbindungen , die ihrerseits hinreichend oleophilen Charakter besitzen , beispielsweise also wenigstens einen längerkettigen Kohlenwasserstoffrest als Substituent am Stick¬ stoff aufweisen.If the crystalline phyllosilicate compounds prepared according to the invention are to be used in organic phases, in particular in organic liquid phases, for example as viscosity formers, gel formers or in general thickeners, then the above-mentioned finishing of the primary water-swellable layer silicate compounds with oleophilic auxiliaries is necessary commanded. Quaternary ammonium compounds, which in turn are sufficiently oleophilic in character, are particularly suitable for this purpose, for example at least have a longer-chain hydrocarbon radical as a substituent on the nitrogen.
Zum Mechanismus des Auftrages der quartären Ammoniumverbindungen auf das jeweils auszurüstende Tonmineral kann ebenfalls auf den umfang¬ reichen druckschriftlichen Stand der Technik verwiesen werden, wie er im einzelnen dargestellt ist in der Literaturstelle H. van Olphen "Clay Colloid Chemistry", John Wiley and Sons. 2. Ausgabe (1977), 171 - 173 und insbesondere die Veröffentlichungen zu Ziffern 15 - 36 aus der Referenzliste dieses Unterkapitels. With regard to the mechanism of the application of the quaternary ammonium compounds to the clay mineral to be finished in each case, reference can also be made to the extensive state of the art in printed form, as described in detail in H. van Olphen's literature reference "Clay Colloid Chemistry", John Wiley and Sons. 2nd edition (1977), 171 - 173 and in particular the publications on paragraphs 15 - 36 from the reference list of this subchapter.
B e i s p i e l eB e i s p i e l e
Im nachfolgenden wird die Herstellung eines hoch-quellfähigen Schicht¬ silikats vom Hectorit-Typ in den drei Stufen derIn the following, the production of a highly swellable layered silicate of the hectorite type in the three stages of
Sol/Gel-Herstellung und Entsalzung,Sol / gel production and desalination,
Hydrothermale UmsetzungHydrothermal implementation
Aktivierung /TrocknungActivation / drying
beschrieben. Im einzelnen gilt das Nachfolgende:described. The following applies in detail:
1. Sol/Gel-Herstellung und Entsalzung1. Sol / gel production and desalination
Einsatzmolverhältnis Mg:Si = 1,00 : 1,36Molar ratio Mg: Si = 1.00: 1.36
3 In einem 0,5 m -Reaktor, der mit einem 4-stufigem Intermig-Rührsystem3 In a 0.5 m reactor equipped with a 4-stage Intermig stirring system
(d = 0,9) ausgestattet ist, wurden 268,8 kg voll entsalztes Wasser(d = 0.9) was equipped with 268.8 kg of fully demineralized water
(VE-Wasser) und 10,2 kg (0,105 kMol) 65%ige Salpetersäure vorgelegt, die verdünnte Säure auf 70°C aufgeheizt und über eine Pumpe im Kreis-(Demineralized water) and 10.2 kg (0.105 kMol) of 65% nitric acid, the dilute acid is heated to 70 ° C and circulated via a pump.
3 lauf gepumpt. Die Förderleistung der Pumpe wurde dabei auf 5 m /h ein¬ gestellt.3 run pumped. The delivery rate of the pump was set to 5 m / h.
Auf der Saugseite der Pumpe wurden dann über ein Koaxial-Rohr unmittel¬ bar vor der Nabe des Laufrades innerhalb von 30 Min. 38,7 kg Wasser¬ glaslösung mit einem SiO_-Gehalt von 28 % (entsprechend 0,180 kMol) und einem Na_0-Gehalt von 8,4 % (entsprechend 0,052 kMol) zudosiert. Es wird ein farbloses, wasserdünnes Reaktionsgemisch mit einem pH-Wert von 1 bis 2 erhalten, das ohne zusätzliche Reinigungsschritte für die Weiterverarbeitung eingesetzt werden kann.On the suction side of the pump, 38.7 kg of water glass solution with an SiO 2 content of 28% (corresponding to 0.180 kMol) and a Na 0 content were then in 30 minutes via a coaxial tube immediately in front of the hub of the impeller of 8.4% (corresponding to 0.052 kMol). A colorless, water-thin reaction mixture with a pH of 1 to 2 is obtained, which can be used for further processing without additional cleaning steps.
Durch die getroffenen Maßnahmen wird sicher verhindert, daß sich Gel¬ körper bilden, die der bestimmungsgemäßen Folgereaktion nicht oder nur unzureichend zugänglich sind. In der auf diese Weise erhaltenen Lösung werden im Reaktor 37,0 kg MgNO, * 6 H_0 (0, 133 kMol) aufgelöst und durch Zugabe von 53 ,0 kg 20%iger Natronlauge (0 ,265 kMol ) der pH-Wert auf 8 , 8 angehoben. Inter¬ mediär, und zwar im pH-Bereich von 5 bis 6 , wird eine Spontanver- gelung beobachtet, die aber im Zuge der weiteren NaOH-Zugabe zusammen¬ bricht.The measures taken certainly prevent the formation of gel bodies which are not or only insufficiently accessible to the intended subsequent reaction. In the solution obtained in this way, 37.0 kg of MgNO, * 6 H_0 (0, 133 kMol) are dissolved in the reactor and the pH is brought to 8 by adding 53, 0 kg of 20% sodium hydroxide solution (0, 265 kMol) , 8 raised. Intermediate, namely in the pH range from 5 to 6, a spontaneous gelation is observed, which breaks down in the course of the further addition of NaOH.
Der Feststoff wird in an sich bekannter Weise in der Hauptsache durch Filtration im Temperaturbereich von 50 bis 90°C isoliert und elektrolyt¬ frei gewaschen. So kann durch Aufarbeiten des Feststoffes auf einer Stülpfilterzentrifuge der Firma Heinkel ein Filterkuchenmaterial mit einer Restfeuchte von 80 bis 85 Gew. -% und einem NO_-Gehalt unterhalb 50 ppm erhalten werden . Vergleichbare Ergebnisse werden auch auf einem Vakuum-Bandfϊlter der Firma BHS erhalten.The solid is isolated in a manner known per se mainly by filtration in the temperature range from 50 to 90 ° C. and washed free of electrolytes. A filter cake material with a residual moisture content of 80 to 85% by weight and a NO_ content below 50 ppm can be obtained by working up the solid on an invertible filter centrifuge from Heinkel. Comparable results are also obtained on a vacuum belt filter from BHS.
Das hergestellte Mg/Si-haitige Fällprodukt ist röntgenamorph.The Mg / Si-containing precipitate produced is X-ray amorphous.
2. Hydrothermale Umsetzung2. Hydrothermal implementation
Der in der ersten Verfahrenss-tufe gewonnene Filterkuchen wurde in voll entsalztem Wasser suspendiert. Dabei wurde die Menge an VE-Wasser so gewählt, daß der Feststoffgehalt in der Suspension 4 Gew. -% beträgt.The filter cake obtained in the first stage of the process was suspended in deionized water. The amount of demineralized water was chosen so that the solids content in the suspension is 4% by weight.
In 3,59 kg dieser Suspension , die 143 ,6 g Mg/Si-Verbindung enthält, wurden dann 17,8 g MgSϊFß - gelöst in 100 g VE-Wasser - sowie 290 g 2-%ige NaOH zugegeben und das Reaktionsgemisch 4 h bei 220°C hydro¬ thermal unter Eigendruck des Reaktionsgemisches umgesetzt. Nach Ab¬ kühlen auf 25°C wurde eine niederviskose Suspension erhalten, aus der der Feststoff wie in der ersten Verfahrensstufe beschrieben, abgetrennt wurde.In 3.59 kg of this suspension, which contains 143.6 g of Mg / Si compound, 17.8 g of MgSϊF ß - dissolved in 100 g of demineralized water - and 290 g of 2% NaOH were then added and the reaction mixture 4 h implemented at 220 ° C hydro-thermal under the autogenous pressure of the reaction mixture. After cooling to 25 ° C., a low-viscosity suspension was obtained, from which the solid was separated off as described in the first process step.
Die Restfeuchte in dem Filterkuchen liegt im Bereich von 85 bis 90 Gew.-%. Das Reaktionsprodukt zeigt keinerlei Neigung in Wasser zu qellen, wie von Schichtsilikaten des Smectit-Typs bekannt ist. Im Rontgenbeugungsdiagramm des noch feuchten , also noch nicht ge¬ trockneten Reaktionsproduktes dominieren keine für kristalline Smectite typischen Banden ; die Verbindung ist jedoch nicht völlig röntgenamorph .The residual moisture in the filter cake is in the range from 85 to 90% by weight. The reaction product shows no tendency to swell in water, as is known from layered silicates of the smectite type. In the X-ray diffraction diagram of the still moist, that is to say not yet dried, reaction product, no bands typical for crystalline smectites dominate; however, the connection is not completely X-ray amorphous.
3. Aktivierung/Trocknung3. Activation / drying
350 g des aus der zweiten Arbeitsstufe erhaltenen Filterkuchens mit einer Restfeuchte von 85 Gew . -% wurden bei 120°C bis zur Gewichts¬ konstanz getrocknet. Es fallen 51 ,8 g eines farblosen , krümeligen Fest¬ stoffes an , der sich auf einfache Weise pulverisieren läßt, beispielsweise auf einer Mikroschlagmühle der Firma Jahnke S Kunkel .350 g of the filter cake obtained from the second stage with a residual moisture of 85 wt. % were dried to constant weight at 120 ° C. There are 51.8 g of a colorless, crumbly solid which can be pulverized in a simple manner, for example on a micro-impact mill from Jahnke S Kunkel.
Die Röntgenbeugungsanalayse dieses aufgetrockneten Materials zeigt, daß jetzt ein kristallines Schichtsilikat des Smectit-Typs vorliegt, wie der Vergleich des Röntgenbeugungsdiagramms der erfindungsgemäß herge¬ stellten aufgetrockneten Feststoffmasse mit dem Rontgenbeugungsdiagramm eines handelsüblichen hoch-quellfähigen Schichtsilikats auf Hectorit-Basis zeigt.The X-ray diffraction analysis of this dried material shows that a crystalline layered silicate of the smectite type is now present, as is shown by the comparison of the X-ray diffraction diagram of the dried solid mass produced according to the invention with the X-ray diffraction diagram of a commercially available, highly swellable layered silicate based on hectorite.
Das erfindungsgemäß getrocknete Produkt zeigt ein extensives Quellver¬ halten in Wasser bei Anwesenheit geringer Elektrolytmengen und die Be¬ fähigung transparente und thixotrope wäßrige Gele zu bilden . Es kann in an sich bekannter Weise z. B . durch Umsetzung mit oleophilen quartären Ammoniumverbindungen modifiziert werden und ist dann zur Verdickung von organischen Flüssigphasen geeignet. The product dried according to the invention shows extensive swelling behavior in water in the presence of small amounts of electrolyte and the ability to form transparent and thixotropic aqueous gels. It can, for. B. can be modified by reaction with oleophilic quaternary ammonium compounds and is then suitable for thickening organic liquid phases.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1 . Verfahren zur Herstellung von Fluorid-haltigen quellfähigen Magnesium-Schichtsilikaten vom Smectit-Typ, insbesondere ent¬ sprechenden Verbindungen mit Hectorit-Struktur, die für den Ein¬ satz in wäßrigen oder - nach oleophiler Ausrüstung - in orga¬ nischen Systemen geeignet sind , unter Einschluß einer hydro¬ thermalen Reaktionsstufe der Schichtsilikat-bildenden Reaktanten bei erhöhten Drucken und Temperaturen , dadurch gekennzeichnet, daß man ein gewünschtenfalls von Fremdsalzen praktisch befreites hy- droxidisches Copräzipitat von Magnesium und Silicium in alkalisch¬ wäßriger Suspension und in Gegenwart von gelöstem MgSiFfi und/oder weiteren Fluoridionen liefernden Salzen der hydrothermalen Um¬ setzung unterwirft, erforderlichenfalls den gebildeten Feststoff nach Abkühlung von der wäßrigen Phase und von gegebenenfalls darin gelösten Fremdsalzen abtrennt und durch Trocknung zum hoch-quell¬ fähigen Schichtsilikat umwandelt.1 . Process for the preparation of fluoride-containing swellable magnesium layer silicates of the smectite type, in particular corresponding compounds with hectorite structure, which are suitable for use in aqueous or - after oleophilic finishing - in organic systems, including a hydro-thermal reaction stage of the layered silicate-forming reactants at elevated pressures and temperatures, characterized in that a hydroxide coprecipitate of magnesium and silicon in alkaline aqueous suspension and in the presence of dissolved MgSiF fi and / or subjecting further fluoride ion salts to the hydrothermal reaction, if necessary separating the solid formed after cooling from the aqueous phase and any foreign salts dissolved therein and converting it to highly swellable sheet silicate by drying.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß man mit einem röntgenamorphen hydroxidischen Copräzipitat von Magnesium und Silicium arbeitet, das wie folgt hergestellt worden ist:2. The method according to claim 1, characterized in that one works with an X-ray amorphous hydroxide coprecipitate of magnesium and silicon, which has been prepared as follows:
Wasserlösliche Verbindungen von Magnesium und Silicium, insbesondere Wasserglas und wasserlösliche Magnesiumsalze, werden in wäßrig saurem Milieu , bevorzugt bei mäßig erhöhten Temperaturen gelöst,Water-soluble compounds of magnesium and silicon, in particular water glass and water-soluble magnesium salts, are dissolved in an aqueous acidic medium, preferably at moderately elevated temperatures,
durch Zugabe von Alkalihydroxid, insbesondere wäßrigem NaOH , wird zweckmäßig unter intensiver Durchmischung alkali- siert, wobei ein End-pH-Wert im Bereich von etwa 8 bis 12 bevorzugt sein kann, woraufhin die gebildete Feststoffphase vom Überschuß des wäßrigen Reaktionsmediums abgetrennt und erforderlichenfalls elektro¬ lytfrei gewaschen wird .by adding alkali metal hydroxide, in particular aqueous NaOH, the mixture is expediently alkalized with thorough mixing, a final pH in the range from about 8 to 12 being preferred, whereupon the solid phase formed is separated from the excess of the aqueous reaction medium and, if necessary, washed free of electrolytes.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die hydrothermale Umsetzung des röntgenamorphen Copräzipitats mit dem MgSiFfi und/oder Alkalifluorid in alkalischer wäßriger Phase entweder bei niedrigen Feststoffgehalten des redispergierten Gutes durchgeführt wird , die bevorzugt unterhalb von etwa 10 Gew.-% liegen , wobei auch in Gegenwart intermediär gebildeter Elektrolyt¬ salze gearbeitet werden kann , oder daß ein von Elektrolytsalzen freigewaschenes Copräzipitat bei Feststoffgehalten oberhalb 10 Gew. -%, vorzugsweise im Bereich bis etwa 30 Gew.-%, der hydro¬ thermalen Umsetzung unter Bildung eines zäh-plastischen , noch nicht quellfähigen Reaktionsgutes unterworfen wird.3. Process according to Claims 1 and 2, characterized in that the hydrothermal reaction of the X-ray amorphous coprecipitate with the MgSiF fi and / or alkali metal fluoride in an alkaline aqueous phase is carried out either at low solids contents of the redispersed material, which is preferably below about 10% by weight. %, which can also be carried out in the presence of intermediate electrolyte salts, or that a coprecipitate washed free of electrolyte salts at solids contents above 10% by weight, preferably in the range up to about 30% by weight, of the hydro-thermal reaction with formation a tough-plastic, not yet swellable reaction material is subjected.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die hydrothermale Umsetzung bei Temperaturen von etwa 150 bis 300°C, vorzugsweise von etwa 170 bis 250°C , für einen Zeitraum von 0 ,5 bis 20 Stunden , vorzugsweise von etwa 1 bis 10 Stunden , durchgeführt wird .4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that the hydrothermal reaction at temperatures of about 150 to 300 ° C, preferably from about 170 to 250 ° C, for a period of 0, 5 to 20 hours, preferably of about 1 up to 10 hours.
5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß beim Eigendruck des wäßrigen Reaktionsgemisches unter Arbeits¬ temperatur gearbeitet wird .5. Process according to Claims 1 to 4, characterized in that the autogenous pressure of the aqueous reaction mixture is carried out at working temperature.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß in der hydrothermalen Reaktionsstufe ein Umsetzungsprodukt ge¬ wonnen wird , das nach Abkühlung aber im noch nicht getrockneten Zustand kein wesentliches Quellvermögen aufweist.6. Process according to Claims 1 to 5, characterized in that a reaction product is obtained in the hydrothermal reaction stage, but which after cooling has no substantial swelling capacity in the not yet dried state.
7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß man das feuchte Umsetzungsprodukt aus der hydrothermalen Re¬ aktionsstufe bei Temperaturen unterhalb 180°C , vorzugsweise bei öder oberhalb 100°C trocknet, dabei das Reaktionsgut in das kristalline Schichtsilikat mit ausgeprägtem Quellvermögen om wäßrigen Phasen umwandelt und gewünschtenfalls das Trockengut mechanisch zerkleinert, worauf weiterhin gewünschtenfalls eine oleophile Ausrüstung - z . B . durch Umsetzung mit quartären Ammoniumverbindungen - aufgebracht werden kann .7. Process according to Claims 1 to 6, characterized in that the moist reaction product from the hydrothermal reaction stage is dried at temperatures below 180 ° C, preferably at or above 100 ° C, the reaction mixture in the converts crystalline layered silicate with a pronounced swelling capacity from aqueous phases and, if desired, mechanically comminutes the dry material, whereupon, if desired, an oleophilic finish - e.g. B. by reaction with quaternary ammonium compounds.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man synthetische quellfähige Schichtsilikate der nachfolgenden allgemeinen Formel ( I ) herstelltProcess according to Claims 1 to 7, characterized in that synthetic swellable sheet silicates of the following general formula (I) are prepared
MgO . aMA . bAI 0, . cSiO . nH 0 ( I) in der bedeutenMgO. aMA. bAI 0,. cSiO. nH 0 (I) in the mean
MM == NNaa+ und/oder Li bei einem Na/Li-Verhältnis gleich oder größer 1MM == NNaa + and / or Li with a Na / Li ratio equal to or greater than 1
- 2-- 2-
A = F oder auch anteilsweise OH und/oder 1 /2 0 sowie a, b, c und n Zahlen sind gemäß a = 0 , 1 bis 0 ,6 b = 0 bis 0,3 c = 1 ,2 bis 1 ,7 n = 0 bis 3,0.A = F or partly OH and / or 1/2 0 as well as a, b, c and n numbers are according to a = 0, 1 to 0, 6 b = 0 to 0.3 c = 1, 2 to 1, 7 n = 0 to 3.0.
Verwendung der nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 herge¬ stellten wasserquellbaren kristallinen Schichtsilikate, insbesondere der allgemeinen Formel ( I ) , als Verdicker bzw. Gelbildner mit thixotroper Eindickungswirkung auf den Gebieten wäßriger Wirkstoff- zubereϊtungen , beispielsweise aus den Gebieten der Kosmetik, Lacke und Farben sowie Spül-, Wasch- und/oder Reinigungsmittel , insbe¬ sondere aber als Mittel zum Viskositätsaufbau in wäßrigen Bohrspül- und Bohrlochbehandlungsmitteln für die Exploration und Erschlies- sung von geologischen Lagerstätten, beispielsweise von Erdöl und/- oder Erdgas , oder nach oleophiler Ausrüstung der kristallinen Schichtsilikate in entsprechender Weise als verdickender Zusatz in Systemen auf organischer Basis, insbesondere öl- und/oder Lösungs¬ mittel-Basis. Use of the water-swellable crystalline layered silicates produced by the process of claims 1 to 8, in particular of the general formula (I), as thickeners or gel formers with thixotropic thickening action in the fields of aqueous active substance preparations, for example from the fields of cosmetics, lacquers and Paints and dishwashing detergents and / or cleaning agents, in particular, however, as agents for increasing the viscosity in aqueous drilling mud and borehole treatment agents for the exploration and development of geological deposits, for example of petroleum and / or natural gas, or according to oleophilic equipment the crystalline layered silicates in a corresponding manner as a thickening additive in systems on an organic basis, in particular oil and / or solvent based.
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