一种利用五水偏硅酸钠母液生产湿法水玻璃的工艺的研究与应用
时间：2023-06-20 16:55:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
冯晓文，林庆娜，钟春林，汪阳，蒋瑜琪
（1.江西省欧陶科技有限公司，高安 330811）
（2.肇庆市欧陶新型材料有限公司，肇庆 526113）
五水偏硅酸钠是一种重要的陶瓷泥浆解胶用陶瓷化工新材料，它具有固含量高、熔点高的特点。
陶瓷行业使用的此类产品大都采用“结晶脱水法”生产，它工艺虽然简单，但产品的性价比高，该工艺的五水偏硅酸钠晶体是在溶液中缓慢生长出来的，为了顺利实现固液分离，原液的模数仅有M=0.65--0.70 左右，进入自动离心机脱水后会产生大量的母液，正常情况下母液要循环利用，但多次重复使用后生产的五水偏硅酸盐色发黄，出现晶体生长缓慢，产品颗粒度小产量低的现象。
由于粉状料多、粒径小，比表面积大因而吸附水多，产品易结块。研究利用母液替代30%烧碱来生产水玻璃，解决“结晶脱水法”生产五水偏硅酸钠后母液量大，母液重复使用后产品质量差、产量低的问题具有较大的意义，同时该方法生产的水玻璃二氧化硅（SiO2）的含量高，因而模数也高，有利于后期生产其他品类的陶瓷解胶剂。
2.1 什么是水玻璃
硅酸钠，俗称泡花碱，是一种无机物，化学式为Na2O·nSiO2，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿黏合剂。
水玻璃是一种可溶性的无机硅酸盐，可广泛用于洗化、铸造、选矿、造纸、白炭黑、硅溶胶、金属防腐、建筑注浆、陶瓷解胶剂等行，是硅化合物的基本原料。
2.2 水玻璃的生产工艺
目前水玻璃的生产主要有两种工艺，一种是干法（也称固相法），一种是湿法（也称液相法）。
2.2.1 干法生产工艺（固相法）
比较常见的干法工艺是将纯碱（Na2CO3）或者元明粉（又称硫酸钠、无水芒硝）和粒径60-80 目的石英砂（SiO2）按比例混合均匀送入马蹄焰窑炉，在1450-1500 ℃下熔融，高温熔融产物从窑炉出料口流出，通过链板机上面的辊子压制成块或者落入下面的水池水淬成颗粒，然后再将块状料（俗称果冻料）或水淬料送溶解滚筒，然后按照成品规格加入水或者烧碱，通过“化料”工艺，获得不同浓度不同模数的水玻璃。
干法生产水玻璃污染大，能耗高，生产成本高，两步法工艺，生产周期长，受环保管控影响大，但产品模数可以达到M=3.5，是下游多种无机硅产品的重要原材料，这是湿法工艺无法比拟的。
2.2.2 湿法生产工艺（液相法）
湿法生产工艺，也称液相法，是将30%及以上的烧碱和100 目-180 目的石英砂，按照一定的比例混合后送入反应釜，然后往反应釜内充入蒸汽，在压力0.8-1.0MPa、温度170-180℃下，直接生成液体水玻璃，湿法水玻璃生产工艺简单，能耗低，劳动强度小，产品质量好，原材料来源广，但只能生产模数M=2.5 以下的产品，而且会产生较多的碱性滤渣，虽然可以多次重复使用，但最终还是有一定量的残留，处理滤渣比较麻烦,绝大部分都送给陶瓷企业做为泥沙类原材料使用，由于含有少量的水玻璃，所以对陶瓷泥浆有一定的解胶作用，这几年随着陶瓷企业对滤渣性能认知的增加，需求量越来越大，间接地也解决了湿法水玻璃生产碱性废泥处理难的问题。
另外废渣的主要成分是石英砂（SiO2）和氧化钠（Na2O），可以取代石英砂利用旋转窑来加工生产零水偏硅酸钠。
2.2.3 主要技术指标
表1 陶瓷解胶剂用水玻璃的主要技术指标
目前用来加工陶瓷泥浆解胶剂的主要是湿法工艺生产的水玻璃，陶瓷解胶剂的主要品类包括：硅酸盐类、磷酸盐类、腐殖酸类和有机分散剂类，典型的解胶剂有：水玻璃、九水偏硅酸钠、陶瓷级五水偏硅酸钠、特效陶瓷泥浆解胶剂、液体陶瓷泥浆解胶剂等。
3.1 什么是五水偏硅酸钠
五水偏硅酸钠，是一种无机化合物，分子式为Na2SiO3·5H2O，分子量为212.14，白色颗粒状或晶体状，用于超浓缩洗衣粉、洗涤剂、金属表面清洗剂、食品行业洗净剂，纸张漂白、棉纱蒸煮、陶瓷泥浆分散等。
3.2 常见的陶瓷级五水偏硅酸钠的主要技术指标
表2 陶瓷级五水偏硅酸钠的主要技术指标
五水偏硅酸钠与水玻璃、九水偏硅酸钠相比，具有固含量高、结晶温度高、解胶性能优的特点，能够在陶瓷原料制备的高温高湿环境中安全堆存，解决了其他品种的解胶剂出口国外市场，长时间海运、高温带来的产品吸热、吸湿后出现溶解、水解的现象。
3.3.五水偏硅酸钠的生产工艺
3.3.1 连续造粒法
是将偏硅酸钠溶液通过造粒结晶装置，直接连续造成要求大小的颗粒，质量指标符合HG/T2568-2008《工业偏硅酸钠》标准要求，产品外观呈球型颗粒，白度高，流动性好，没有游离水和吸附水，属高档产品，这种方法适合大规模生产，但技术性较强不易掌握，该方法包括“结晶造粒”和“喷雾造粒”两种工艺。
3.3.2 结晶脱水法或母液循环法
是将偏硅酸钠溶液加晶种或母液降温结晶，离心脱水后得到粉粒状产品，这种方法受环境湿度、温度和降温用水的制约，大规模生产有一定困难，产品表面吸附水较高、流动性差，但水溶性好，理化指标也能达到HG/T2568-2008 要求，由于性价比高，随着建筑陶瓷产业的发展，该产品在陶瓷解胶剂行业得到广泛应用，并且已经大量出口到国际市场。
3.3.3 结晶粉碎法
这种方法是将偏硅酸钠溶液浓缩至要求浓度，通过添加晶种全部结晶成块状固体，游离水全部转化为结晶水，然后将固体粉碎后即为成品，这种方法的优点是投资较小，但对晶体结构破坏比较严重，对气候环境和控制条件要求比较苛刻，劳动强度大，产品白度低，由于颗粒不规则吸潮后易产生“盐桥效应”而结块，理化指标一般达不到4HG/T2568-2008 标准要求。
3.4 母液循环法生产五水偏硅酸钠的工艺流程及技术工艺要求
3.4.1 工艺流程
图1 工艺流程图
3.4.2 原材料的配比
表3 五水偏硅酸钠原液的配比
表4 五水偏硅酸钠原液的主要技术参数
3.4.3 关键工艺要求
（1）水冷降温
利用水降温，降温梯度根据环境条件和原液的温度确定，在广东地区一般的降温时间约为12h.
(2）离心脱水时的料浆温度
离心脱水时料浆的温度保持在40℃左右，过高会导致结晶颗粒溶解，过低容易出现料浆结晶，导致料浆的流动性变差或者堵塞管道，离心机大多采用三足式离心机或者自动活塞推料离心机，产出率为47%左右，根据季节有所变化，一般春冬季节高，夏秋季节低。
3.4.4 母液循环法工艺生产的五水偏硅酸钠的技术指标
表5 母液循环法工艺生产的五水偏硅酸钠的技术指标
由于采用在液体中结晶生长的方法和离心脱水，导致成品中二氧化硅（SiO2）的含量偏低，而氧化钠（Na2O）的含量比造粒法相对要高，结晶体的白度低。
3.4.5 离心脱水后产生的“母液”其主要成分检测数据
表6 母液的主要成分检测值
通过数据可以看出，“母液”中氧化钠（Na2O）的含量为22.5%-23%左右，其含量相当于30%的氢氧化钠（30%烧碱氧化钠的含量为23.25%），基本上可以满足湿法工艺生产水玻璃对氢氧化钠最低含量的要求。
3.4.6 正常情况下“母液”的利用方法
按照一定的比例加入到母液循环法生产五水偏硅酸钠的配料环节重复利用，但多次使用以后五水偏硅酸钠成品颜色发黄，而且颗粒度偏小，产品吸附水高，容易产生结块，为了克服母液多次利用以后出现的产品缺陷，通过对母液成分的测试分析，决定另辟蹊径，放弃母液在五水偏硅酸钠生产环节的利用，转向用来生产湿法水玻璃，我们姑且称之为“母液法水玻璃”。
4.1 主要设备
全不锈钢立式反应釜、石英砂喂料机、配料搅拌机、泥浆泵、中转罐、板框式压滤机、燃气锅炉等。
4.2 生产用原材料
“母液”，使用前需均化并检测其含量；
石英砂，100 目-180 目，二氧化硅（SiO2）含量98%以上；
50%NaOH，质量符合国标规定
4.3 生产工艺
(1)“母液”收集进入母液池，为了防止产生结晶，需要对“母液”进行加热；
(2) 采用与常规的湿法水玻璃生产相同的方法进行配料，把30%烧碱置换为母液，由于“母液”中氧化钠的含量略低于30%烧碱，故需添加少量的50%烧碱，以满足要求。50%烧碱的添加量，根据配料前从母液池中提取的“母液”样品检测后获得的数据计算确定。配料罐下面加装有重量传感器，所有物料均以称重添加；
(3)配料完毕搅拌均匀后，利用泥浆泵把原材料送入反应釜；
(4)由于“母液”的碱性稍弱，生成水玻璃的反应速度慢，我们知道水玻璃的生成，在相同的配方下，与反应压力和时间成正比，正常情况下，采用30%烧碱生成湿法水玻璃，其充蒸汽压力一般为0.8MPa,反应的最高压力可以达到1.0-1.2MPa，所以采用“母液”生产湿法水玻璃，需要将充蒸汽的压力提高到1.0MPa,保压时间6h；
(5)水玻璃生成后，打开反应釜放料阀，利用反应釜中的内压，将水玻璃压入板框式压滤机过滤，滤渣重复利用；
(6)检测后经过调浓，水玻璃泵入储罐。
4.4 利用“母液”生产的水玻璃实测值
湿法水玻璃生产，我们希望用尽可能少的烧碱，产出模数高、婆美度高的水玻璃，这些都和石英砂的溶出量有关系，由于“母液”中含有6%左右的离子态二氧化硅（SiO2），利用该“母液”生产的湿法水玻璃，可以提高水玻璃中二氧化硅（SiO2）的含量，从表7“母液法”水玻璃检测数据看得出，其二氧化硅（SiO2）的含量稍高于传统湿法工艺生产的水玻璃，各项指标可以满足生产陶瓷泥浆解胶剂的要求。
表7 “母液法”水玻璃的主要成分
(1)水玻璃是一种可以单独作为解胶剂使用，或者以其为原料进一步加工为各种类型解胶剂的重要陶瓷化工新材料，这几年随着陶瓷产业的发展，水玻璃得到广泛使用，而且在一些陶瓷产区已然成为主流的解胶产品，大力发展陶瓷用水玻璃，对促进陶瓷产业节能减排具有重要意义，我们知道“碳达峰”靠规划，而“碳中和”则需要技术，发展性价比高的水玻璃作为解胶剂产品，推进陶瓷产业可持续发展，贴合国际的“双碳”政策，具有重要意义；
(2)利用“母液法”生产水玻璃技术可靠，产品质量好，可实现水玻璃、五水偏硅酸钠的联动生产，有效解决母液循环法工艺生产五水偏硅酸钠产生的“母液”量大，多次循环使用后五水偏硅酸钠外观颜色发黄，产品粒度细小，容易产生结块的问题，攻克了母液循环法工艺生产五水偏硅酸钠受“母液”影响，出现的“肠梗阻”的现象，有利于母液循环法工艺生产五水偏硅酸钠产业的发展进步；
(3)该工艺的推广应用，不但解决了母液循环法工艺生产五水偏硅酸钠过程中出现的难题，而且通过对“母液”的科学利用，可以生产出较好质量的水玻璃，满足陶瓷行业的需要，是个一举两得的好方法。
猜你喜欢硅酸钠烧碱水玻璃氢氧化钾-钠水玻璃激发剂对碱激发矿渣胶凝材料性能的影响硅酸盐通报(2022年8期)2022-09-08改性水玻璃浆液在粉细砂地层中注浆加固的应用石家庄铁路职业技术学院学报(2021年1期)2021-06-09硅酸钠作为胶黏剂的保温隔热材料及其性能研究上海建材(2018年4期)2018-11-13改性水玻璃制芯(型)技术研究中国铸造装备与技术(2017年3期)2017-06-21硅酸钠对纸机滤水及系统沉积物的影响造纸化学品(2015年5期)2015-11-04硅酸钠的发展及其前景分析中国洗涤用品工业(2015年8期)2015-02-28硅酸钠处理对杏果实活性氧和苯丙烷代谢的影响食品工业科技(2014年13期)2014-03-11离子膜法烧碱生产中的节能减排措施中国氯碱(2014年8期)2014-02-28离子膜烧碱水平衡系统简化计算方法研究中国氯碱(2014年8期)2014-02-28超声改性水玻璃及水玻璃型（芯）砂性能的改善科技视界(2012年13期)2012-03-20
