原硅酸鈉的制備工藝及應(yīng)用

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

原硅酸鈉，又名正硅酸鈉，分子式為2Na2O·SiO2，模數(shù)為0.5。原硅酸鈉屬于無(wú)機(jī)鹽產(chǎn)品，是一種無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)公害的白色顆粒，易溶于水，不溶于醇和酸，水溶液呈堿性，堿性比偏硅酸鈉強(qiáng)，置于空氣中易吸濕潮解，具有去垢、乳化、分散、濕潤(rùn)、滲透等性能及優(yōu)良的pH緩沖能力。作為水溶性硅酸鹽的深加工產(chǎn)品，具有良好的性能和廣闊的市場(chǎng)前景。廣泛應(yīng)用于保塑保水劑、除油劑、清洗劑、耐火劑、陶瓷添加劑和金屬表面處理劑、造紙脫墨劑與印染助劑、石油吸附劑等。

1 原硅酸鈉的制備工藝

1.1 現(xiàn)有工藝

目前，國(guó)內(nèi)原硅酸鈉的制備工藝主要有以下三種：

(1)固體混合法。將偏硅酸鈉與粒狀燒堿進(jìn)行人工攪拌混合，破碎篩分得到符合粒度要求的產(chǎn)品。此工藝生產(chǎn)出的產(chǎn)品只是二氧化硅及氧化鈉數(shù)量上的攙兌，僅是含量上達(dá)到了原硅酸鈉的要求，其分子結(jié)構(gòu)并非實(shí)質(zhì)化學(xué)意義上的原硅酸鈉。主要缺點(diǎn)是產(chǎn)品混合不均勻、含量不穩(wěn)定、生產(chǎn)過(guò)程中粉塵大、粉塵具有腐蝕性、含有二氧化硅、污染環(huán)境，且采用偏硅酸鈉和粒狀燒堿進(jìn)行二次加工，生產(chǎn)成本高。

(2)熔融法。是用偏硅酸鈉與粒狀燒堿高溫溶解后再降溫結(jié)晶，經(jīng)破碎、篩分、烘干后得到符合粒度要求的原硅酸鈉。主要缺點(diǎn)是工作環(huán)境差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度低、產(chǎn)量低、效率低、生產(chǎn)成本高。生產(chǎn)方式為間斷式生產(chǎn)，夏天天氣潮濕濕度大，生產(chǎn)控制困難，采用偏硅酸鈉和粒狀燒堿進(jìn)行二次加工，生產(chǎn)成本高。

(3)噴霧干燥法。利用燒堿和液體硅酸鈉調(diào)模后，利用高速霧化機(jī)在干燥塔內(nèi)霧化成微小液滴，通過(guò)高溫400～500℃對(duì)液滴進(jìn)行干燥，通過(guò)旋風(fēng)除塵器和布袋除塵器收料，篩分機(jī)篩分得到合適粒度的原硅酸鈉。此種工藝的產(chǎn)品粒度細(xì)，產(chǎn)品易吸潮，包裝時(shí)或客戶在使用時(shí)粉塵大，粉塵具有腐蝕性，含有二氧化硅，對(duì)人體健康產(chǎn)生影響。

現(xiàn)有制備原硅酸鈉的工藝流程長(zhǎng)，設(shè)備多，投資大，能耗高。

1.2 新工藝

1.2.1 工藝流程介紹

本文介紹的原硅酸鈉生產(chǎn)工藝見(jiàn)圖1。

圖1 原硅酸鈉生產(chǎn)工藝流程圖

此工藝原硅酸鈉具體生產(chǎn)步驟如下：

(1)將固體氫氧化鈉與硅微粉(1000目篩下)按照重量比(2.5～3)∶1的熔爐中，升溫曲線按照8～10℃/min升溫至200℃，然后按照4～6℃/min升溫至 320～350℃，經(jīng)過(guò)加溫后使固體氫氧化鈉熔融，再繼續(xù)按照4～6℃/min升溫至400～450℃，停止加熱，直至硅微粉反應(yīng)完全，即得原硅酸鈉粗品。

(2)將原硅酸鈉粗品冷卻至60℃以下，使原硅酸鈉粗品固化完全，經(jīng)粉碎、篩分，制備成粒狀或粉狀的原硅酸鈉產(chǎn)品。

1.2.2 工藝特點(diǎn)

本文介紹的原硅酸鈉生產(chǎn)方法，與現(xiàn)有工藝相比，其制備過(guò)程簡(jiǎn)單、原料易得、工藝可控，反應(yīng)率與反應(yīng)速度均有明顯提升。與傳統(tǒng)熔融工藝相比，本工藝可直接使用硅微粉與氫氧化鈉進(jìn)行反應(yīng)，不需要先制備偏硅酸鈉再與氫氧化鈉反應(yīng)的二次加工工藝，且分段升溫可使原料充反應(yīng)完全，不受天氣濕度影響，引入DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)性生產(chǎn)。

此工藝可使熔融狀態(tài)的氫氧化鈉具有非常高的反應(yīng)活性，可快速地與硅微粉進(jìn)行反應(yīng)，采用分階段升溫保證了氫氧化鈉充分熔融，且降低能耗；保溫30分鐘可明顯提高熔融狀態(tài)的氫氧化鈉與硅微粉的反應(yīng)率，進(jìn)一步提高反應(yīng)速度；通過(guò)粉碎、篩分工藝可加工成符合生產(chǎn)要求的粒狀或粉狀原硅酸鈉產(chǎn)品。與現(xiàn)有工藝相比能耗明顯降低(見(jiàn)表1)。

表1 現(xiàn)有工藝與本工藝投資成本與能耗對(duì)比

2 原硅酸鈉生產(chǎn)裝置

原硅酸鈉生產(chǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

該裝置包括電熔爐和冷卻裝置。電熔爐設(shè)有入料口和出料口，入料口設(shè)有螺旋進(jìn)料器。冷卻裝置包括冷卻罐，其頂部和底部分別設(shè)有進(jìn)料口和排料口，進(jìn)料口與電熔爐的出料口連通，排料口連通有粉碎機(jī)，粉碎機(jī)與篩分機(jī)連通。冷卻罐外設(shè)有冷卻夾套，冷卻夾套的上部和下部分別設(shè)有出水口和進(jìn)水口；冷卻罐內(nèi)設(shè)有攪拌軸，攪拌軸與電機(jī)傳動(dòng)連接，電機(jī)設(shè)于冷卻罐的頂部，冷卻罐內(nèi)設(shè)有溫度傳感器，冷卻罐的外壁設(shè)有溫度顯示器，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻罐體進(jìn)行水冷降溫，有效地提升了生產(chǎn)效率。

本文所介紹的原硅酸鈉生產(chǎn)裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資小、操作簡(jiǎn)便，制得的原硅酸鈉具有更高的純度和含量，且比重大，并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn)，提高了產(chǎn)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度及生產(chǎn)成本，改善了生產(chǎn)環(huán)境，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

3 原硅酸鈉的應(yīng)用

3.1 在織物前處理中的應(yīng)用

原硅酸鈉作為穩(wěn)定劑時(shí)具有更強(qiáng)的堿性，因而無(wú)需輔加堿劑，適用于堿氧一浴法。堿用量減少,堆置時(shí)間縮短, 織物的雙氧水氧漂都是在一定的堿性條件下進(jìn)行，有效改善了織物漂白前處理的品質(zhì)[1]。

原硅酸鈉作為雙氧水穩(wěn)定劑，起效快、穩(wěn)定性好，可以有效阻止雙氧水過(guò)劇的連鎖反應(yīng)，使雙氧水能夠充分有效地發(fā)揮作用。該穩(wěn)定劑其組分形成的晶體結(jié)構(gòu)的膠束，會(huì)構(gòu)成較大的比表面積，具有較強(qiáng)的吸附能力，能吸附金屬離子封閉HOO-，避免金屬離子對(duì)雙氧水產(chǎn)生催化反應(yīng)，同時(shí)抑制HO.自由基的形成和分解，以持續(xù)保證雙氧水分解生成穩(wěn)定的過(guò)氧氫離子，便于對(duì)織物退漿、除雜和漂白。且能與重金屬離子形成螯合物，降低或者消除重金屬離子的雙氧水分解。通過(guò)與金屬離子發(fā)生螯合作用而形成穩(wěn)定的水溶性絡(luò)合物，從而使重金屬不發(fā)生催化作用，雙氧水在漂白過(guò)程中均勻、有效地分解，避免織物遭受嚴(yán)重?fù)p傷。

3.2 在金屬清洗中的應(yīng)用

鋼板在軋制過(guò)程中表面需要涂一層乳化液。軋制過(guò)后要用正硅酸鈉溶液或其他堿性溶液將其清洗干凈[2]。原硅酸鈉為無(wú)機(jī)助洗劑，具有較強(qiáng)的堿性和一定的緩沖能力，使清洗劑能保持一定的堿度；同時(shí)具有去垢乳化、分散、濕潤(rùn)等性能，能把較大的污垢分散成接近膠體粒子大小的顆粒，從而提高清洗、除油能力。

3.3 在金屬材料熱處理中的應(yīng)用

在實(shí)際的工業(yè)制造過(guò)程中,對(duì)金屬材料進(jìn)行相應(yīng)的熱處理是非常重要的,可以更好地保障金屬材料的功能3]。在金屬的熱處理過(guò)程中，金屬件會(huì)在高溫條件下保持較長(zhǎng)時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)，金屬件會(huì)發(fā)生氧化、脫碳一系列變化，導(dǎo)致金屬材料性能劣化。以原硅酸鈉為主要成分的涂料，能有效對(duì)金屬件形成保護(hù)層，減少熱加工蝕斑，減少金屬件熱處理時(shí)的氧化損失，且涂層在金屬熱處理后易于脫落。以原硅酸鈉溶液進(jìn)行浸漬或電解處理的鍍鎳鋼板，在熱處理之后具有極好的外觀，并且在熱處理期間可以防止鋼板的彼此粘接。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的原硅酸鈉的新生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)裝置，解決了原硅酸鈉生產(chǎn)過(guò)程中存在污染環(huán)境、產(chǎn)量低、自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)成本高的問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)了在全密閉狀態(tài)下，一步法生產(chǎn)原硅酸鈉，提高了原硅酸鈉硬度，減少了干燥時(shí)間，且操作人員少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、節(jié)能環(huán)保。原硅酸鈉已經(jīng)得到快速的應(yīng)用發(fā)展和突破，重要性十分突出，利用空間很大，在經(jīng)濟(jì)和資源方面均有重大意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。