硅酸钠的溶解和过滤

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1、生产技术创新 硅酸钠的溶解和过滤 张福顺 ( 青岛东岳泡花碱有限公司青岛2 6 6 0 4 1 ) 摘要：硅酸钠是一种可溶性硅酸盐，俗称水玻 璃。商品名泡花碱。硅酸钠是一种重要的无机化工 原料，除用作洗涤剂和粘结剂成分之外，还是制造 硅胶、分子筛、硅溶胶、白炭黑等精细化工产品的重 要原料，其用途十分广泛在国民经济中有着重要 作用。 硅酸钠有固体和液体两种。其规格、型号较多。 可按市场的需求划分。而在工业生产中广泛应用的 是液体品种。 1 硅酸钠生产方法 硅酸钠问世至今已有3 0 0 多年的历史，它的工 业生产方法分干法( 固相法) 和湿法( 液相法) 两 种。目前，国内广泛采用的是干法生产。

2、干法生产中。纯碱固相法应用较为广泛。该工 艺是将石英砂和纯碱在工业窑炉中于1 3 0 0 1 4 0 0 “ C 高温下进行固相熔融反应。制成固相玻璃体 硅酸钠。也可以用N a 2 s 0 4 代替纯碱来生产，是将 石英砂、硫酸钠和煤粉( 还原剂) 以适当的比例混 合后在窑炉中1 3 0 0 1 2 左右的高温下完成。这种方 法可节约紧俏商品纯碱，降低生产成本，有一定的 经济效益和社会效益。但生产中控制严格否则炉 内生成“硝水”，容易发生事故，而且也影响产品质 量，对窑炉的腐蚀很严重，烟气中的S O ：还严重污 染环境，这些是该工艺的不足之处。 湿法生成硅酸钠的工艺简单，是以烧碱和石英 砂为原

3、料，在高压反应釜中1 8 0 。C 下反应一段时 间，得到硅酸钠溶液。与干法相比，湿法最大的优 点是节能；但湿法仅适用于模数小于3 0 以下的硅 酸钠生产，并且反应结束后生料较多，给后处理带 来困难。 2 硅酸钠的溶解 2 1 固体硅酸钠的结构 作者简介：张福顺青岛东岳泡花碱有限公司研究中心主任高级工程师 4 结论 1 通过影响硅溶胶的单因素实验，我们发现 硅溶胶的粘度、密度随着反应温度的升高和反应时 间的延长而增大，p H 值随着反应温度的升高和反 应时间的延长而降低；同时总结出催化剂水玻璃的 用量和原料水的用量变化时，硅溶胶的质量分数、 粘度的变化规律。 2 通过正交实验设计，用【峥( 3

4、 4 ) 正交表安排 实验。对正交设计的直观图和极差进行分析，得出 了各因素对硅溶胶质量分数的影响次序以及最佳 制备条件；各因素的影响次序由大到小为：时间、水 的用量、温度、水玻璃的用量；最佳制备条件为：时 间：7 h 温度：8 0 ，水玻璃：水：硅粉= l ：2 0 ：3 ( 质量 比) 。 3 探索了制备硅溶胶的新工艺，通过控制反 应条件可以制备出质量分数较高( 2 7 左右) 。粘 度较低( 3 5 m P a s ) ，稳定性较好的硅溶胶。 参考文献： 1 - 殷馨，戴媛静硅溶胶的性质、制法及应用 J 】，化学推进剂与高分子材料，2 0 0 5 ，3 ( 6 ) 。 2 姜德源，刘继红

5、等硅粉溶解法制备硅溶胶 的新工艺 J ，哈尔滨师范大自然科学学报，1 9 9 8 ， 1 4 ( 1 ) ：1 6 1 9 。 3 庞金兴，张超灿等硅单质法制备纳米S i O ： 及其分散稳定性研究 J 。华中科技大学学报( 自 然科学版) 。2 0 0 2 ，3 0 ( 8 ) ：1 0 4 1 0 6 。 4 李永伦，王力用金属硅粉制备硅溶胶的新 工艺 J ，天津化工，2 0 0 4 ：1 8 ( 3 ) ：2 6 2 7 。 5 戴安邦，江龙硅酸及其盐的研究 J 】，化学 学报，1 9 5 6 。2 3 ：9 0 9 9 。 1 9 中国无机盐( 专T U ) 全国无机硅化物2 0 0

6、6 年会论文集 干法生产出来的硅酸钠是无色透明或略显蓝 色的玻璃体。x 一射线衍射法研究表明，这种玻璃 体的物质空间晶格中，各结构单元的排列不是完全 有序的。也就是说，它可在个宽广的温度范围内 逐渐软化。没有固定的熔点。 玻璃体硅酸钠是一种具有骨架配位结构的链 状化合物。结构中的氧原子与硅原子相互结合，形 成四面体三维结构，硅原子的配位数是4 。钠以离 子形态存在于结构中它被六个氧原子包围，存在 于硅氧四面体结构之外，与四面体没有结构上的联 系，其取向是任意的“4 。 2 2 溶解特性 玻璃体硅酸钠很难溶于冷水，常压下能溶于热 水，压力增加水温升高，固体硅酸钠的溶解速度加 快。 经研究表明玻璃

7、态固体硅酸钠的溶解速度随 着模数( S i O ：N a 2 0 摩尔比) 的减小而增大。 在工业生产中，固体硅酸钠溶解后的固含量 ( S i 0 2 + N a z O 重量百分比) 一般为3 1 - 4 2 1 1 。 固含量再增加。溶液的牯度很大，流动性极差。因 此。固体硅酸钠在水中的溶解度受工作浓度的限 制。 由于固体硅酸钠上述这些特性，工业生产中采 用直接蒸汽加压工艺进行溶解。 2 3 溶解机理 固体硅酸钠在水中的溶解过程不同于普通电 解质的溶解，是个复杂的物理化学过程。它的溶 解过程大致可分为三个阶段： n 水合溶解：固体硅酸钠与水接触后相互作 用，在表面生成一种水合物。由于N a

8、 + 以骨架配位 形式存在于四面体网络之外，与硅氧四面体没有结 构上的连接。因此克服这种配键所需的活化能较 低，而S i O ：之间化学键作用较强，所以O 比 S i O ：溶解速度快。N a + 与水溶液中的H + 发生离子 交换作用，水溶液变成碱性，同时，固体表面形成一 层硅醇烷基结构的表面层。 b 水解解聚：形成的硅醇烷基表面层在碱性 溶液的催化作用下，逐渐水解解聚； ( N a 2 0 n S i 0 2 ) 0 H l + + 0 H 。4 - S i 0 2 + H 2 0 。上 述水解过程是个可逆反应：当溶液中的N a O H 浓度 较高时，硅酸钠的水解作用被抑制；当N a O

9、H 浓度 较低时，水解作用突出。因此，在大量水存在下，溶 液浓度很低，水解程度加大，硅酸钠溶液几乎全部 水解生成N a O H 和s i 0 2 。同时，高模数硅酸钠固体 由于S i 0 2 含量高，在水解后容易析出s i O ：沉淀。 c 胶溶聚合：硅酸钠水解解聚之后，固体颗粒 表面就有游离的s i 0 2 存在。随着溶解过程的进 行，当溶液中O H 离子达到一定浓度时，溶液中游 离的S i O ：就会被N a O H 胶溶，成为N a 2 0 n S i 0 5 ， 并向溶液中扩散。随着溶液中碱性的增强，S i O ：胶 溶程度增加，速度加快，同时，溶液中就会有更多的 N a 2 0 n

10、S i O ：存在。溶液碱性的增强，一方面提高 了胶溶S i O ：的能力另一方面抑制了液体硅酸钠 的水解，防止S i O ：沉淀生成，有利于固体硅酸钠的 溶解。胶溶后的N a 2 0 n S i 0 2 可以相互作用生成 复合的或游离的胶团，以不同程度的聚合状态存在 于水溶液中。 2 4 影响溶解速度的因素 2 4 1 内部因素 从溶解机理可以看出，溶解速度主要取决于三 个方面的因素： 离子交换过程的难易；硅烷醇基表面层的强 度；碱金属离子透过表面层的扩散速度。 上述三方面因素主要受玻璃体中碱金属的含 量影响，即模数影响。在一定的温度条件下，溶解 速度与模数成反比，也就是说，低模数的溶解速度

11、 快，高模数的溶解速度慢。这是因为模数较低的玻 璃体含碱量大，水解后溶液中N a O H 浓度高，同时 + 的离子交换所需活化能低，易于离子交换作用 的进行。这样，玻璃体上交换了的H + 是不容易被 溶液中的N a + 反交换的，因此，这种条件下胶溶作 用增强，溶解速度较快。 溶解速度还受加工过程工艺控制所导致结构 变化影响。工艺控制及其它因素影响可能导致二 氧化硅之间紧密接触，一方面增加了离子交换的活 化能，另一方面使硅烷醇基表面层强度增加，不利 于水合水解的进行。如果将高模数硅酸钠固体预 先水合，溶解速度明显加快。例如，速溶粉状硅酸钠 中含水量为1 4 2 0 ( W T ) ，其溶解速度

12、比粉碎的 硅酸钠玻璃体要快得多。 2 4 2 外部因素 在硅酸钠固体溶解过程中，影响它的外部因素 很多，主要有温度、杂质、用水量、固体颗粒粒度等。 n 温度：温度是影响溶解速度的一个重要因 素。冷水中硅酸钠固体溶解困难；热水中能溶解，但 溶解速度较慢溶解度也较低，一般说来。常压溶解 生产技术创新 模数为3 3 的固体硅酸钠，当溶液浓度达到2 7 ( B e 左右时，溶解难以进行。 工业上采用蒸汽加压工艺溶解固体硅酸钠时。 蒸汽压力与温度呈线性关系。硅酸钠固体的溶解速 度随压力( 即溶解温度) 的升高而增加。这主要由 于较高的温度向体系中提供了能量分子运动加 剧，容易克服一些配位键及分子间力的束

13、缚，因而 离子交换和扩散容易进行。有利于固体的溶解。 b 杂质：杂质的性质和含量是影响固体硅酸 钠溶解速度和溶解度的个极其重要的因素，尤其 是C a O 、M g O 等碱土金属氧化物和A 1 2 0 3 、F e 2 0 3 等 金属氧化物影响较大。研究表明，当这些氧化物在 固体中含量超过5 时，硅酸钠固体在水中基本不 溶解。因此，工业生产中正常情况下控制这类杂质 的含量不超过1 。 众所周知，上述金属离子的硅酸盐是水不溶性 的当与水作用后，这些离子不能从结构中通过离 子交换作用交换出来，因为这种作用所需的活化能 较高。以A r + 为例，结构中的A r + 与氧原子作用 形成四面体结构这种

14、结构是极其稳定的。所以。 当上述金属氧化物含量较高时，随着溶解的进行， 一部分+ 为被交换出来以后，在固体颗粒表面形 成上述金属离子硅酸盐，这些硅酸盐不溶于水，这 样，就阻碍离子交换的继续进行，不利于溶解。 c 用水量：从溶解机理可见，溶解最好是在较 高的浓度下完成。溶解时用水量低。N a O H 浓度较 大，一方面可抑制水解过程的发生，避免生成s i 0 2 沉淀，另一方面使游离S i 0 2 的胶溶过程容易进行， 这对溶解是有利的。因此，在工业生产中严格控制 溶解时的加水量，料水比一般为l ：1 3 - 2 。 正固体颗粒粒度：一般说来。固体颗粒越细。 溶解过程越容易进行，这是因为细的粒子

15、比表面积 大。与水接触的有效面积增加，溶解速度加快。但 当粒度降低到一定值时( 直径小于0 1 m m ) ，比表 面积增加的幅度明显降低同时，降低粒度使加工 工序趋于复杂。因此，生产中一般控制固体硅酸钠 的粒度为5 m m o 3 硅酸钠溶液的精制 4 3 1 国内外精制液体硅酸钠现状 当液体硅酸钠用作精细化工原料时它的质量 对其下游产品的生产和性能有着很大的影响。因 此，对硅酸钠的精制直接关系到它的应用开发，保 证产品质量是首要的课题。 液体硅酸钠的精制主要是通过物理方法除去 液体中的不溶性杂质。获得透明澄清的硅酸钠溶 液。 国内对于硅酸钠精制很早就开始研究实施。澄 清方法主要是采用重力自

16、然沉降法、离心沉淀法、 压力过滤法。 重力自然沉降法是很早以前许多厂家就广泛 使用的一种传统的澄清方法主要是用沉降罐( 或 沉淀池) 依靠自然重力的作用使溶液中的杂质( 水 不溶物) 沉积到底部。该方法设备简单。但占地面 积大，沉淀周期长，沉降后对。碱泥”的处理劳动强 度大。液体硅酸钠的模数和浓度较高时。沉降时间 很长，当周围环境温度低时，溶液的粘度很大有时 甚至根本无法彻底澄清，这种方法的分离效果较 差。 离心沉淀法是以沉降离心机为主体设备。利用 液体硅酸钠和水不溶物的密度差，在离心力的作用 下进行固液分离。这种方法可获得清澈度较高的 液体产品。天津泡花碱厂和天津大学”- 联合成功 使用国产S X C 8 0 0 三足式沉降离心机进行水不溶 物分离，达到理想效果，分离后水不溶物含量从 0 2 0 4 降至0 0 5 0 0 3 。然而，离心沉降 后形成的。碱泥”