199231131. - Boletines Sociedad de Cerámica y Vidrio

BOL. SOC. ESP. CERA M. VIDR. 31 (1992) 2, 131-133
Preparación de silicato de sodio a partir de arenas mexicanas
G. PACHECO M., C PINA P.* J. L. ESPAÑA y J. BAEZ A.
ESFM-IPN Edif. 9, Depto. de Ciencia de Materiales. 07300 México, D.F.
*Div. Est. de Posgrado. Fac. de Química UNAM. 04510 Ciudad Universitaria
En estudios más recientes Hessein, Makson y Elwan (2)
obtuvieron silicato de sodio a partir de cenizas de cascara
de arroz, las cuales contienen 94,47 ^o de óxido de silicio.
El presente trabajo se realizó con el objeto de optimizar
el uso de materias primas mexicanas en la preparación de
silicato de sodio, utilizando arenas del estado de Veracruz
y Michoacan y carbonato de sodio de alta pureza, obteniéndose un silicato de sodio de excelente calidad.
Estas arenas se encuentran localizadas en la República Mexicana, la de Veracruz en el sureste del lado del Atlántico
y la de Michoacan en el suroeste del lado del Pacífico. Al
caracterizarlas por difracción de rayos X se encuentra que
están formadas por un feldespato de sodio, NaAlSi03 albita, y óxido de silicio en forma de cuarzo SiOj; su composición química detallada se desglosa a continuación:
RESUMEN.—Preparación de silicato de sodio a partir
de arenas mexicanas.
Se preparó silicato de sodio a partir de arenas mexicanas
provenientes de Veracruz y Michoacan, el tamaño de partícula utilizado fue de 50-60 jum, efectuándose una fusión con carbonato de sodio a 1.300^C, el vidrio formado
se disuelve en autoclave. Al producto final se le determina viscosidad, pH, densidad y % de sólidos. Analizando las propiedades fisicoquímicas se concluye que con
la arena de Veracruz se obtiene un producto de mejor calidad.
ABSTRACT.—Preparation of sodium silicate using Mexican sands.
%Si02 %Al203 %Fe20 »yoKjO M^^^O %CaO %MgO %Ti02
Sodium silicate was prepared using Mexican sands from
the states of Veracruz and Michoacan. The particle size
used varied from 50-60 /xm and the preparation involved
fusion with sodium carbonate at 1.300**C Whereby the
glass formed is dissolved in an autoclave. The viscosity,
pH, density and % solids of the final product was determined. Analysis of the physicochemical properties of the
products indicates that the product prepared using the
sands from Veracruz presents the best quality.
Arena-Michoacan 97.40
Arena-Veracruz 98.97
0.57
0.27
028
0.09
035
0.12
039
0.15
m
0.26
OÍ
0.04
W
0.14
Para llevar a cabo este proceso fue básico consultar el sistema ternario Si02-Na20-H20, el cual ha sido determinado por Helmont y Robert (3); el proceso está basado fundamentalmente en la siguiente reacción:
Na2C03-hSi02+nH02 -^ Na2Si03nH20-h H2CO3
1.
INTRODUCCIÓN
Se da el nombre de silicato de sodio a la combinación del
óxido de silicio y carbonato de sodio, el cual es conocido
también como «vidrio soluble».
Desde 1640 Van Helmont (1) afirmó que la combinación
de la sílice con un exceso de alcali da como resultado un
vidrio, el cual tiende a ser líquido en un ambiente húmedo.
Glauber lo llamó «oleum de silicio» y demostró que las diferentes sales metálicas originaban la precipitación de ácido silícico y metal.
Posteriormente Guyton de Morveau llevó a cabo una fusión de óxido de silicio y carbonato de sodio; el compuesto
obtenido fue un vidrio transparente, el cual podía disolverse en agua.
2.
PARTE EXPERIMENTAL
Las arenas después de haber sido caracterizadas se prepararon a un tamaño de partícula de 50-60 /¿m, se mezclaron con carbonato de sodio de una pureza de 99,9%, efectuándose una fusión a LSOO^'C durante 120-150 min.; al cabo de este tiempo se obtiene un vidrio, el cual se solubiliza
posteriormente a presión de 6 kg/cm^ durante un tiempo de
35-45 min.; el producto resultante es un líquido viscoso, el
cual se concentra a una temperatura de 50-70°C. Con este
procedimiento se prepararon 5 muestras con las propiedades que se desglosan en la tabla L
TABLA I
Muestras
<7oNa20
<yoSi02
Relación
peso
Sólidos <7o
Densidad
g/cm
Viscosidad
cps
pH
Densidad
°Be
1
2
3
4
5
15.29
13.87
12.23
9.67
9.98
32.97
32.76
31.48
31.02
33.15
2.15
3.36
2.57
3.20
3.52
48.26
46.63
43.71
40.69
43.13
1.5411
1.5388
1.4746
1.4131
1.4067
1.840
933.17
352.39
295.3
902.3
11.40
11.25
10.92
10.72
10.63
54.2
52.0
47.6
42.3
43.5
Recibido el 10-12-91 y aceptado el 28-02-92.
MARZO-ABRIL, 1992
131
G. PACHECO, C. PINA, J. L. ESPAÑA, J. BAEZ
A partir de estas muestras originales y tomando como referencia la densidad en °Be se efectuaron cuatro diluciones
para las muestras 1 y 2, la muestra 3 se diluyó 3 veces y las
muestras 4 y 5 se diluyeron 2 veces; con estas muestras se
obtuvieron gráficas de temperatura/viscosidad (fig. 1), de
a
b
c
d
e
Muestra
Muestra
Muestra
Muestra
Muestra
1 ( REL. 2.15)
2 ( REL. 2.36)
3 ( R E L . 2.57)
L ( R E L . 3.20)
5 ( REL. 3.32)
1000
a Muestra 1 {REL.2.15)
b Muestra 2(REL2.36)
c Muestra 3(REL2.57)
d Muestra U ( RE L 3.20)
50
60
80
70
TEMPERATURA(°C)
11
15
13
Fig. 1.—Representación de la viscosidad frente a la temperatura.
Nao0(7o)
densidad/viscosidad (fig. 2), del contenido de Na20/viscosidad (fig. 3), de densidad (°Bé)/% sólidos (fig. 4), de densidad/pH (fig. 5).
Fig. 3.—Variación de la viscosidad frente al contenido en óxido de sodio
de las diferentes muestras.
a Muestra 1 ( REL.2.15)
b Muestra 2 ( REL. 2.36)
50
c Muestra 3 (REL. 2.57)
. e
y d
d Muestra /i (REL. 3.20)
e Muestra
5 ( R E L 3.32)
45
1000
o
o
750
40
CO
O
9
o
W)
- j
t/)
S* 500
35
/y//
a
y//
//
30 r
b
^
d
Muestra 3 ( R E L 2 . 5 7 )
Muestra U ( R E L . 3 . 2 0 )
e Muestra 5 ( R E L 3 . 3 2 )
250
35
35
Muestra 1 ( R E L . 2 . 1 5 )
Muestra 2 ( REL.2.36)
40
A5
50
55
1
L
AO
/,5
_ j
_
50
DENSIDAD (°Be)
DENSIDAD (^Be)
Fig. 1.—Gráfica de variación de la viscosidad con la densidad de las diferentes muestras.
ni
Fig. A.—Variación del contenido de sólidos en función de la densidad para
las mezclas investigadas.
BOL. SOC. ESP. CERAM. VIDR. VOL. 31 - NUM. 2
Preparación de silicato de sodio a partir de arenas mexicanas
12.0
11.5 -
E 11.0
^-—"^——
' ^^Z^^-'—"^^^
'^"^^^^^—^^^
^
10.5
100
35
a
b
c
d
e
Muestra
Muestra
Muestra
Muestra
Muestra
1 (REL 2.15)
2 (REL 2.36)
3 (REL 2.57)
U (REL 3.20)
5 (REL3.32)
1
L
1
1
40
A5
50
55
DENSIDAD (°Be)
Pig 5—Variación del pH con la densidad de las diferentes muestras.
3.
DISCUSIÓN
En la fig. 1 (T vs ¡x) se puede observar que el comportamiento del silicato de sodio tiende a ser lineal cuando se tienen relaciones del orden de 3,20; la explicación de este comportamiento es la formación de un gel de silicio, el cual se
favorece al aumentar la temperatura. La fig. 2 (°Be vs /x)
muestra claramente la relación que existe entre ambas propiedades, es decir que a mayor densidad se tiene mayor viscosidad. Se supone que el contenido de sólidos presentes en
la muestra es importante, ya que en las soluciones de silicato de sodio las moléculas de SiOj y Na,0 tienden a estar
más unidas cuanto mayor sea la relación.
En la fig. 3 (%Na20 vs ¡i) la viscosidad es mayor cuando la concentración de iones Na + aumenta. Este fenómeno se explica estableciendo que tenemos la formación de un
gel y como tal al aumentar la concentración se favorece la
MARZO-ABRIL, 1992
aglomeración de los iones, lo cual se detecta experimentalmente con un aumento en la viscosidad.
La influencia de la concentración de los sólidos también
repercute en la densidad; esto se puede ver en la fig. 3 (°Be
vs % sólidos), la cual tiende a aumentar con el mayor contenido de sólidos llegando a observarse experimentalmente
la formación de un aglomerado debido a la pérdida de agua.
En la fig. 5 (°Be vs pH) se aprecia un notable incremento en el pH al aumentar la densidad. Las soluciones de silicato de sodio con un contenido de óxido de silicio forman
soluciones más adhesivas con un bajo contenido de alcali.
Al analizar estos resultados relacionados con las propiedades fisicoquímicas de cada una de las muestras se puede
concluir que de las dos arenas utilizadas podría seleccionarse
de preferencia la arena del estado de Veracruz por contener
un mayor porcentaje de SiOj y un menor contenido de
Fe203, con lo cual se obtuvo un silicato de sodio de mejor
calidad. Que el tamaño de partícula óptimo para la preparación del silicato de sodio es el de AFS 50-60 ^m, y las condiciones de operación son las siguientes:
a) Tiempo de permanencia en la mufla de 120 a 150 minutos a una temperatura de L300°-L350°C.
b) La digestión para solubilizar el vidrio fue a la presión de 8 kg/cm2 en un tiempo de 35-45 minutos.
c) La solución es concentrada a una temperatura de
50-70°C con el objeto de obtener las propiedades fisicoquímicas finales.
4. BIBLIOGRAFÍA
1. VAN JAMES, G.: Solubles silicates in industry. American Chemical Society, Monograph series, 1928.
2. HESSEIN; MAKSON, A . T. y ELWAN, A. M.: The hidrotermal preparation of sodium silicate. J, Apr, Chem. Biotechnologic 22, p. 659-665, 1972.
3. HELMUT, W.; LANGE, H . y ROBERT, K.: Industrial and
engineering chemistry 61, N.° 4, pg. 2-44, 1969.
133
G. PACHECO, C. PINA, J. L. ESPANA, J. BAEZ
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