高模數(shù)液體硅酸鈉的生產(chǎn)方法及現(xiàn)狀

王敬偉，紀(jì)發(fā)達(dá)(山東龍港硅業(yè)科技有限公司，山東 濰坊 261300)

0 引言

我國硅酸鈉的生產(chǎn)始于1883年，至今已有130多年的歷史，全國現(xiàn)有硅酸鈉生產(chǎn)廠家約200余個(gè)，生產(chǎn)能力已達(dá)600萬噸/年，生產(chǎn)能力和產(chǎn)量居世界第一位。硅酸鈉是無機(jī)硅化物中的主導(dǎo)產(chǎn)品，其用途非常廣泛，幾乎遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，廣泛用于制造硅膠、白炭黑、沸石分子篩及各種硅酸鹽類產(chǎn)品，是硅化合物的基本原料，也是紡織、機(jī)械、建筑、農(nóng)業(yè)等的基礎(chǔ)工業(yè)原料。液體硅酸鈉廣泛應(yīng)用于鑄造、建筑、化工、選礦和輕工產(chǎn)品等許多領(lǐng)域，是重要的國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)材料之一。

硅酸鈉的模數(shù)是其所含二氧化硅與氧化鈉的摩爾比，減少水玻璃液中的鈉含量，二氧化硅含量則相對升高，即可以提高水玻璃的模數(shù)，是硅酸鈉的重要參數(shù)，一般在1.5～3.5之間。硅酸鈉模數(shù)越大，固體硅酸鈉越難溶于水，n為1時(shí)常溫水即能溶解，n加大時(shí)需熱水才能溶解，n大于3時(shí)，需4個(gè)大氣壓以上的蒸汽才能溶解。硅酸鈉模數(shù)越大，氧化硅含量越多，水玻璃黏度增大，易于分解硬化，粘結(jié)力增大。硅酸鈉外形有固體和液體兩種，商品以液體較為普遍。液體硅酸鈉為無色、微紅色，透明或半透明液體，能溶于水。硅酸鈉水溶液有黏性，特別是高模數(shù)的黏度很大，在市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。

1 高模數(shù)液體硅酸鈉的生產(chǎn)方法

國內(nèi)外生產(chǎn)高模數(shù)液體硅酸鈉的方法有兩種，一種生產(chǎn)方法是干法：石英砂和碳酸鈉混合后在熔窯中，熔窯多以煤炭或燃油為燃料，在1 300～1 400 ℃左右的高溫下熔融后，冷卻成型或水淬后以固體形態(tài)存放，絕大多數(shù)使用時(shí)要制成水溶液。模數(shù)在3.0左右的固體水玻璃，要用4個(gè)左右大氣壓的水蒸氣溶解，冷卻過濾后得到高模液體水玻璃。此種方法為高模數(shù)(M＞2.5)硅酸鈉的主要生產(chǎn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)需要生產(chǎn)不同模數(shù)的硅酸鈉產(chǎn)品，如M為0.5～4.0，對原料的適應(yīng)性較廣，可用純堿、芒硝、天然堿、氯化鈉等；其缺點(diǎn)是基建投資高，生產(chǎn)高耗能，高污染，不僅燃料燃燒產(chǎn)生廢氣，而且原料碳酸鈉融化后，有41%轉(zhuǎn)化成二氧化碳排入大氣中；因干法生產(chǎn)條件所限，產(chǎn)品質(zhì)量一般較低；使用時(shí)要進(jìn)行高溫溶解，不方便。

另一種生產(chǎn)方法是濕法，石英粉和液體氫氧化鈉混合后，在高壓釜中，通入7個(gè)左右大氣壓的水蒸氣反應(yīng)6 h左右，即得液體水玻璃。其優(yōu)點(diǎn)是基建投資低，能耗低，高壓蒸汽溫度只在180 ℃左右；幾乎無污染，僅有少量未反應(yīng)完全的石英粉廢渣需要處理；產(chǎn)品質(zhì)量高，根據(jù)使用要求便于調(diào)整；其缺點(diǎn)是雖然能耗低于干法生產(chǎn)，但由于處于晶體狀態(tài)的石英砂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、溶解率低，原料燒堿(氫氧化鈉)較貴，只能生產(chǎn)低模數(shù)的硅酸鈉(2.5模數(shù)以下)，限制了濕法工藝的廣泛應(yīng)用，主要因設(shè)備壓力、溫度實(shí)際因素所限。

現(xiàn)有液體硅酸鈉生產(chǎn)方法存在以下問題：固相法生產(chǎn)高模數(shù)液體硅酸鈉的生產(chǎn)工藝流程長，設(shè)備投資大，生產(chǎn)所需能耗高，熔融態(tài)硅酸鈉本身所含熱量未得到利用；生產(chǎn)過程中浪費(fèi)大量水資源，污染嚴(yán)重等問題；液相法生產(chǎn)工藝簡單，流程短，但只能生產(chǎn)低模數(shù)，應(yīng)用范圍小，液相法應(yīng)用受局限。為了推廣無污染能耗低的濕法工藝，也想了許多方法，比如用部分高模數(shù)水玻璃與低模數(shù)混合；或者用酸中和部分水玻璃后制成凝膠，洗去鈉離子后，將凝膠溶解后再與低模數(shù)混合等。這些方法生產(chǎn)成本高，工藝復(fù)雜，未能得到推廣。

2 高模數(shù)液體硅酸鈉的生產(chǎn)現(xiàn)狀

除了以上生產(chǎn)工藝外，在現(xiàn)有工藝中，還有以含較多活性SiO2的工業(yè)廢棄物、粉煤灰等為原料采用濕法制備工藝，或加入氨水、硅膠粉、無機(jī)酸等進(jìn)行二次反應(yīng)后，制得高模數(shù)液體硅酸鈉，具體如下：

劉思彤等[1]將鐵尾礦和液體堿按照比例加入反應(yīng)釜中，再加入活化的催化劑SY-1，反應(yīng)，將反應(yīng)結(jié)束后的物料過濾，得到模數(shù)2.5～3.5的水玻璃產(chǎn)品。該方法能耗低、操作簡單，解決了鐵尾礦這一工業(yè)固體廢棄物的環(huán)境和再資源化難題，既提高了鐵尾礦的綜合利用程度，也為鐵尾礦中二氧化硅的有效利用提供了新的途徑。

王敬偉等[2]以石英砂和燒堿溶液為原料，采用液相法工藝生產(chǎn)出模數(shù)為1.5～2.5的液體硅酸鈉，過濾去除其中的固體雜質(zhì)；向制得的液體硅酸鈉中滴加20%～25%氨水，反應(yīng)生成燒堿和聚硅酸凝膠白色沉淀，并釋放氨氣；將反應(yīng)后的燒堿溶液部分抽出，聚硅酸凝膠與剩余燒堿溶液加熱至70～90 ℃進(jìn)行反應(yīng)制得模數(shù)為2.5～3.4的高模數(shù)液體硅酸鈉。該方法工藝流程短，能耗小，解決液相法工藝只能生產(chǎn)低模數(shù)硅酸鈉，應(yīng)用范圍小的問題，并且氨水在整個(gè)流程中無損耗，無泄漏，抽出的燒堿溶液作為原料使用，充分利用資源。

胡湘仲等[3]以石英砂和氫氧化鈉水溶液為原料，在一定溫度壓力下攪拌反應(yīng)，制成模數(shù)M為2.4～2.6的硅酸鈉水溶液；向其加入硅膠生產(chǎn)的副產(chǎn)品硅膠粉末，調(diào)整模數(shù)硅酸鈉的模數(shù)M為3.1～3.4，通蒸汽、升溫、加壓、反應(yīng)，過濾后制得高模數(shù)硅酸鈉。該方法的硅膠粉原料易得、價(jià)格低廉，且生產(chǎn)流程短，能耗低，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

周敏等[4]從硅酸鈉窯爐出料口流出來的模數(shù)為3.5熔融態(tài)硅酸鈉，通過帶冷卻水套的溜槽，按熔融態(tài)硅酸鈉與水的比例為1∶1.5～3，直接加入轉(zhuǎn)動(dòng)溶解滾筒中，加水后通蒸汽滾動(dòng)、溶解。溶解時(shí)間約為2.5 h。該方法省去了傳統(tǒng)水淬冷卻工藝，節(jié)約大量水資源，簡化了工藝，無廢水產(chǎn)生，無環(huán)境污染；利用熔融態(tài)硅酸鈉所含熱量加熱溶液水，節(jié)能降耗，節(jié)約溶解時(shí)間，提高工作效率；滿足高模數(shù)硅酸鈉溶解要求。

張振慧等[5]按濕法制得低模數(shù)硅酸鈉溶液，模數(shù)在2.6～2.8之間，過濾后，與無機(jī)酸(硫酸或鹽酸)反應(yīng)，制取水合硅酸、硅溶膠，用水合硅酸、硅溶膠調(diào)制經(jīng)過濾后的低模數(shù)硅酸鈉溶液，低模數(shù)硅酸鈉黏度低，即使?jié)舛雀咭踩菀走^濾，使之模數(shù)提高到3.1～3.4。該方法解決了液相法生產(chǎn)高模數(shù)硅酸鈉，并且解決了高模數(shù)硅酸鈉的過濾問題，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)天生產(chǎn)當(dāng)天產(chǎn)成品，減少成品貯存容器和場地，節(jié)約設(shè)備投資。

王宇暉[6]以高純水將高模數(shù)硅酸鹽溶液稀釋，用活性炭對其進(jìn)行吸附處理，除去溶液中的雜質(zhì)，再經(jīng)過陽離子交換樹脂，得到pH值為2～4的酸性聚硅醚醇，減壓蒸發(fā)濃縮，按聚硅醚醇與含氮有機(jī)溶劑的重量比為1∶1加入含氮有機(jī)溶劑，減壓蒸餾，直至將水蒸凈，當(dāng)模數(shù)達(dá)到目標(biāo)值時(shí)降溫，在攪拌下用氨水調(diào)整pH值至中性，加入氫氧化鈉或氫氧化鉀或氫氧化鋰，加水，升溫，減壓蒸餾，用水調(diào)整固含量至預(yù)設(shè)范圍，即得到超高模數(shù)硅酸鹽。

程芳琴等[7]將粉煤灰與氫氧化鈉溶液按固液比為1∶2～1∶4混合，在90～100 ℃下反應(yīng)，過濾分離得到脫硅灰和脫硅液，將脫硅灰與粉煤灰、鈉鹽混合研磨，在850～900 ℃下焙燒，將焙燒產(chǎn)物與20%鹽酸溶液混合，在80～90 ℃下反應(yīng)，過濾、水洗得到酸浸渣，將酸浸渣與脫硅液按照固液比為1∶2～1∶5混合，在70～100 ℃下加熱反應(yīng)，過濾得到高模數(shù)水玻璃。該方法從粉煤灰中提取二氧化硅制備高模數(shù)液體硅酸鈉產(chǎn)品，不僅可以緩解粉煤灰產(chǎn)生的環(huán)境問題，也可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

夏舉佩等[8]以煤矸石酸浸渣為原料，破碎，按酸渣中SiO2的摩爾量配燒堿，加水調(diào)整液固重量比，在90～95℃溫度和常壓下，進(jìn)行堿溶反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束，趁熱過濾，得低模數(shù)水玻璃，在低模數(shù)水玻璃中再加入煤矸石酸浸渣，在相同操作條件下，進(jìn)行提模反應(yīng)，反應(yīng)終了，趁熱過濾，得高模數(shù)水玻璃。該方法堿溶時(shí)生產(chǎn)的水玻璃模數(shù)低，保證了堿溶時(shí)硅的高溶出率和濾餅良好的過濾、洗滌性能，堿溶水玻璃模數(shù)的提高用繼續(xù)添加酸渣來實(shí)現(xiàn)，提模后的酸渣過濾后直接返回堿溶，不需洗滌；反應(yīng)條件溫和、工藝簡單、操作方便，不涉及高溫、高壓設(shè)備，同時(shí)解決了煤矸石制備水玻璃模數(shù)低的問題。

3 結(jié)語

在我國，高模數(shù)液體硅酸鈉正處在高速發(fā)展的階段。高模數(shù)液體硅酸鈉作為廣泛用于各種工業(yè)生產(chǎn)的化工原料，受到國內(nèi)外客戶的高度認(rèn)可，通過采用新的技術(shù)與工藝，使得高模數(shù)硅酸鈉液體的質(zhì)量得到明顯的改善與提高。但現(xiàn)有技術(shù)還有待提高與改進(jìn)，如使用經(jīng)高溫老化后的石英，相應(yīng)也提高了能耗，成本也較高；用二氧化硅膠凍調(diào)低模數(shù)硅酸鈉的模數(shù)再濃縮，工藝復(fù)雜，周期太長，設(shè)備多；使結(jié)晶二氧化硅轉(zhuǎn)化為方石英，同樣消耗大量的熱能；

而采用廢棄物或廉價(jià)原材料為原料，由于雜質(zhì)不易去除和工藝過程難控制等原因，則工藝流程長，后處理費(fèi)用多，產(chǎn)品成本相應(yīng)也較高。高模數(shù)液體硅酸鈉的生產(chǎn)應(yīng)通過技術(shù)改造、技術(shù)升級，進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，向高效、優(yōu)質(zhì)、綜合性等多方面發(fā)展，從而促進(jìn)整個(gè)硅酸鈉行業(yè)的健康發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，其利用空間很大，具有廣闊的應(yīng)用前景。