五水偏硅酸鈉制備工藝現狀*

繆應菊，連明磊，胡江良，陳定梅

（六盤水師范學院化學與化學工程系，貴州六盤水 553004）

五水偏硅酸鈉制備工藝現狀*

繆應菊，連明磊，胡江良，陳定梅

（六盤水師范學院化學與化學工程系，貴州六盤水 553004）

五水偏硅酸鈉被廣泛應用于洗滌產品，作為含磷洗滌助劑三聚磷酸鈉的理想替代品。闡述了溶液結晶法和一次造粒法生產五水偏硅酸鈉的各種生產工藝和生產原料，并比較了兩種方法的優點和缺點。結合中國的國情，即工業高速發展的同時廢液和廢渣大量排放，環境污染治理刻不容緩，指出中國應充分發展適合不同生產規模且對原料品質要求不高的溶液結晶法制備五水偏硅酸鈉，并且對溶液結晶法生產中存在的一系列問題提出相應的解決措施。

五水偏硅酸鈉；制備工藝；現狀

五水偏硅酸鈉是指二氧化硅與氧化鈉物質的量比（簡稱硅鈉比）為1、含有5個結晶水的白色顆粒狀或粉末狀產品，其晶體的分子式通常寫作Na2SiO3·5H2O或Na2O·SiO2·5H2O。五水偏硅酸鈉具有穩定的強堿性，易溶于水，無毒無味，對油脂、污垢、黏土有較強的分散乳化作用，對洗滌液pH有極強和極寬的緩沖作用，因此被廣泛應用于洗滌產品中，作為含磷洗滌助劑三聚磷酸鈉的理想替代品［1-2］。五水偏硅酸鈉除具有上述作用外，對金屬、玻璃、陶瓷表面有防腐蝕和光澤保護作用，對橡膠、塑料、木材、紙張等化工、建材產品有隔潮、防水等作用。

闡述了溶液結晶法和一次造粒法制備五水偏硅酸鈉的各種生產工藝和生產原料，并比較了兩種方法的優點和缺點。結合中國的國情，討論了溶液結晶法制備五水偏硅酸鈉存在的問題及相應的解決措施。

1 五水偏硅酸鈉生產工藝

五水偏硅酸鈉的生產通常是用石英砂和純堿（燒堿）反應生成硅酸鈉，再以燒堿調節硅鈉比而制得，也可以直接以硅酸鈉和燒堿為原料進行制備。目前，五水偏硅酸鈉的生產方法有溶液結晶法、熔固結晶法、造粒法等。中國生產該產品的方法主要以溶液結晶法和一次造粒法為主，因此主要闡述國內這兩種方法的生產現狀。

1.1 溶液結晶法

溶液結晶法是將工業水玻璃及工業燒堿配至固形物（SiO2+Na2O）質量分數為30％～50％、硅鈉比為0.3～1，在一定溫度范圍內結晶，然后進行固液分離、干燥，得到結晶狀五水偏硅酸鈉產品。其工藝流程見圖1。

圖1 溶液結晶法制備五水偏硅酸鈉工藝流程

鄭典模等［3］以稻殼為原料，對稻殼進行預處理后在600℃條件下燃燒，將一定量稻殼灰與氫氧化鈉反應4h再程序降溫7h，然后分別加入1％（質量分數）晶種和0.1％～0.3％（質量分數）表面活性劑，制得五水偏硅酸鈉。制得的五水偏硅酸鈉總堿量（氧化鈉質量分數）為28.4％，二氧化硅質量分數為28.8％，白度為74.1％，熔點為72℃，符合HG/T 2568—2008《工業偏硅酸鈉》中五水偏硅酸鈉產品標準。

原淑愛［4］以泡花堿和燒堿為原料，將一定量泡花堿加熱到50～60℃，加入液體燒堿并調整溶液配料比［n（Na2O）/n（SiO2）］為1.6～1.8，反應1h后將溶液蒸發濃縮至固含量為56％～58％（質量分數），加入產品質量1/15的晶種并進行程序降溫，離心分離后在65℃條件下鼓風干燥得到產品。所得產品質量：w（Na2O）=29.56％，w（SiO2）=28.63％，w（Fe）=0.02％，w（水不溶物）=0.12％，白度為80％，達到HG/T2568—1994《工業偏硅酸鈉》標準要求。

薛彥輝等［5］以廢硅膠為原料，調整溶液配料比［n（SiO2）/n（Na2O）］為0.5～0.8，在90～100℃條件下濃縮混合溶液密度至1.320～1.530g/cm3，自然降溫到55℃，加入0.5％（質量分數）晶種，過濾干燥制得五水偏硅酸鈉。所得產品質量：w（Na2O）=28.5％，w（SiO2）=27.3％，達到HG/T 2568—2008《工業偏硅酸鈉》中五水偏硅酸鈉一等品標準要求。

合成沸石原粉生產過程中會產生大量稀堿液，其主要成分是NaOH和SiO2，大部分因為難于回收而排掉，不僅浪費堿資源，而且造成環境污染。余麗秀等［6］以上述除雜后廢液為原料，采用泡花堿調整溶液配料比［n（Na2O）∶n（SiO2）］為（1.9～2.3）∶1，將溶液濃縮至（Na2O+SiO2）質量分數為32％～42％，以1℃/min程序降溫，在降溫結束前0.5h加入結晶液總量0.005％～0.015％（質量分數）的表面活性劑，分離、干燥可制得符合HG/T 2568—1994《工業偏硅酸鈉》要求的產品。使用該方法生產五水偏硅酸鈉，其成本較通常方法可降低25％，還可解決稀堿液對環境的污染，具有較好的環境、經濟和社會效益。

于少明等［7］研究了由蛇紋石提鎂殘渣制備五水偏硅酸鈉的方法。首先將蛇紋石提鎂殘渣在液固質量比為2.5∶1、NaOH質量分數為20％、礦漿沸點溫度下堿浸30min，提鎂殘渣中活性二氧化硅浸出率可達96.2％。再以氫氧化鈉調整結晶溶液硅鈉比為0.4～0.6，按平均降溫速率分別為0.05～0.1℃/min和0.2～0.4℃/min分兩個階段程序降溫，并且晶種加入量按1kg溶液中加入5g晶種（粒度為50～200μm），結晶結束后過濾、干燥，可得到符合HG/T 2568—1994《五水偏硅酸鈉》要求的產品。而且該方法具有制備工藝條件溫和、調節硅鈉比結晶過程無需蒸發濃縮、能耗低等特點。

唐錦近［8］利用磷肥副產的硅膠為原料，采用母液循環利用的方法制備五水偏硅酸鈉。結果表明：在氫氧化鈉質量分數為40％～50％、氫氧化鈉和二氧化硅的配料比［n（Na2O）∶n（SiO2）］為1.9～2.1、反應溫度為91℃、反應時間為1.0～1.5h、溶液結晶質量分數為36％～42％、溶液中晶種添加量為0.75％～2.0％（質量分數）、結晶時間為3～5h條件下，可生產出產品質量達到HG/T 2568—1994《五水偏硅酸鈉》優等品要求的五水偏硅酸鈉。

李國庭等［9］在帶有攪拌器的反應裝置中加入一定量質量分數為30％的燒堿，然后不斷向反應器中加入酸解鋁礦石、蛇紋石等非金屬礦時產生的活性SiO2，直至m（NaOH）∶m（SiO2）=4∶3.3，同時將反應器加熱升溫到60～70℃并保溫反應1h，調整n（Na2O）∶n（SiO2）為0.99～1.02并趁熱過濾，濾液在115℃下濃縮至一定濃度，自然降溫至50～55℃，加入晶種移至結晶槽，結晶結束后離心分離、流化床干燥，即得到五水偏硅酸鈉產品。所得產品質量：總堿量w（Na2O）=29.5％，硅含量w（SiO2）=27.97％，w（水不溶物）=0.14％，鐵含量w（Fe3+）=0.047％，產品性能達到國內外同類產品先進水平（BS 3894—1982《硅酸鈉規范》，HG/T 2568—1994《五水偏硅酸鈉》）的五水偏硅酸鈉產品。

張首才等［10］介紹了以天然硅灰石為原料制備五水偏硅酸鈉的方法。首先將天然硅灰石與質量分數為50％的H2SO4反應，制備五水偏硅酸鈉原料之一硅酸，然后以制得的硅酸和氫氧化鈉反應，通過調整硅鈉比以及濃縮、降溫、結晶等工序，制得五水偏硅酸鈉。此方法特點：天然硅灰石來源廣泛，除去雜質操作簡便，能耗較低。

張連紅等［11］將合成4A沸石的廢堿液和水玻璃在0.4MPa下加壓反應4h至硅鈉比為1，然后在115～117℃溫度下濃縮至固含量質量分數為55％，采用堿液調整硅鈉比至0.5，待溶液降溫至55℃時移入結晶槽，添加一定量晶種和添加劑，待結晶結束，在55℃溫度下干燥1h，即得到五水偏硅酸鈉產品。

余麗秀等［12］將生產氯氧化鋯排放的廢水（氧化鈉質量分數為5％～15％、二氧化硅質量分數為2％～10％），在90～98℃條件下攪拌加熱12～18min，然后在45～55℃條件下沉降3.5～4.5h，經過濾、蒸發濃縮，得到制備五水偏酸鈉的原料。再以高硅鈉比硅酸鈉調整氧化鈉和二氧化硅質量分數分別為20％～25％、8％～15％，在55～65℃溫度下加熱0.5～1h，然后以5～8℃/h的降溫程序降溫至50～60℃，再加入晶種結晶1～2h，然后經過濾、干燥，制得五水偏硅酸鈉產品。該方法具有簡便可行、原料組分新穎、資源利用充分、產品質量穩定、成本相應較低、無二次廢棄物排放的優點，尤其是能有效治理氯氧化鋯生產排放的廢水，保護生態環境，降低氯氧化鋯的生產成本。

胡明玉等［13］介紹了一種以廢玻璃為硅源制備五水偏硅酸鈉的方法。首先將廢玻璃進行預處理，與質量分數為20％～36％的氫氧化鈉溶液按照質量比為（3.5～6）∶1混合均勻。將此固液混合物在攪拌條件下加熱至90～100℃反應50～150min，反應結束后冷卻至50～60℃并加入0.5％～1％（質量分數）的晶種及0.1％～0.5％（質量分數）的十二烷基硫酸鈉，自然降溫結晶、分離過濾、干燥后即可制得五水偏硅酸鈉產品。該方法充分利用廢玻璃資源，降低生產中燒堿用量，減少反應時間，既能降低生產能耗又降低了生產成本。

秦晉國［14］發明了一種以煤系固體廢棄物粉煤灰為原料制備五水偏硅酸鈉的方法。首先用氫氧化鈉堿浸粉煤灰以制備硅鈉比為0.4～0.8的硅酸鈉溶液，然后取部分此硅酸鈉溶液碳化制取活性二氧化硅再與剩余硅酸鈉溶液混合，配制成n（Na2O）∶n（SiO2）=1∶（0.8～1.2）的結晶原液，結晶原液經過濾除雜、升溫濃縮、降溫結晶等工序制備出五水偏硅酸鈉產品。該方法工藝簡單，原料廉價，易于產業化且有較大的經濟和環境效益。

1.2 一次造粒法

造粒法是將工業水玻璃及工業燒堿配至固形物（SiO2+Na2O）質量分數為50％～60％、硅鈉比約為1，經精制、過濾，再在一旋轉設備中與五水偏硅酸鈉粉末狀返料進行結晶、造粒、干燥（介質為熱空氣，溫度為50℃左右），所得產品經篩分，合格品作為成品進行包裝，大顆粒經破碎與細顆粒一同返回作為返料。其工藝流程見圖2。

圖2 一次造粒法制備五水偏硅酸鈉工藝流程

黃仁和等［15］介紹了一種以鋁礬土提取硫酸鋁廢渣和氧氯化鋯副產廢堿液為原料生產泡花堿，然后利用一次造粒法生產五水偏硅酸鈉的新工藝。采用該工藝生產的五水偏硅酸鈉產品質量指標達到HG/T 2568—1994《五水偏硅酸鈉》要求，而且該工藝成本低，避免了廢堿液及廢渣排放對環境的污染。

2 五水偏硅酸鈉生產方法比較

中國主要以溶液結晶法和一次造粒法生產五水偏硅酸鈉，兩種方法優點和缺點見表1。

表1 溶液結晶法和一次造粒法生產五水偏硅酸鈉優缺點

3 五水偏硅酸鈉生產原料

綜上所述，五水偏硅酸鈉生產原料來源廣泛，可采用工業水玻璃、天然硅灰石、稻殼、合成沸石或氯氧化鋯排放的廢液、磷肥副產硅膠、提鎂殘渣、煤系固體廢棄物粉煤灰或煤矸石等。目前中國的國情是，工業高速發展，廢液、廢渣等大量排放，在經濟快速增長的同時對環境污染的治理刻不容緩。為解決這一發展矛盾，應充分發展適合不同生產規模且對原料品質要求不高的溶液結晶法制備五水偏硅酸鈉。

以粉煤灰（硅源）制備五水偏硅酸鈉為例。目前，中國粉煤灰堆存總量高達10億t，且仍以每年0.8億～1.0億t的速度增長，粉煤灰顆粒小、質輕，易造成二次揚塵，加重“霧霾”污染，且大量堆存占用大量土地資源。粉煤灰中二氧化硅平均質量分數約為52％，而溶液結晶法對原料要求不高，且適合任何規模的工業生產。因此，為避免經濟增長和生態環境污染的矛盾，可以采用延長產業鏈的方法。可以工業廢液、廢渣為原料（硅源/堿源），采用溶液結晶法生產五水偏硅酸鈉聯產其他化工產品，發展一條綠色、和諧、適合中國區域發展的工業產業鏈，在消耗工業廢物的同時還保護了生態環境，使得社會、經濟效益顯著增長。

4 存在的問題及建議

為解決五水偏硅酸鈉生產成本與產品性能問題，結合中國國情，可以大量工業排放廢液、廢渣為原料，采用溶液結晶法生產五水偏硅酸鈉。但溶液結晶法存在如下問題：1）母液難處理；2）產品顆粒度難控制；3）產品易結塊。針對上述問題可以采取如下措施：1）對于母液循環利用易影響產品白度和水不溶物含量問題，可采用添加無機絮凝劑對母液進行處理再利用；2）對于產品顆粒度難控制問題，可以在五水偏硅酸鈉結晶攪拌過程中，采用麥克式攪拌或超聲波等，不僅可以使結晶產品粒度均勻，還可以改善產品外觀，而且便于產品分離、干燥與貯存；3）對于產品易結塊的情況，可以對產品進行防結塊處理，如在溶液結晶過程中添加防結塊劑（磷酸鹽、碳酸鹽、陰離子表面活性劑）等，不僅可以改善產品的結塊現象，還可以提高產品的白度。因此，五水偏硅酸鈉產品的生產，應結合中國的工業發展現狀，在保證經濟快速增長的同時，又發展和諧、綠色生態環境。

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［2］賀青春.五水正硅酸鈉及五水倍半硅酸鈉制備工藝的研究與開發［D］.鄭州：鄭州大學，2004.

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Present situation of preparation technology of sodium metasilicate pentahydrate

Miao Yingju，Lian Minglei，Hu Jiangliang，Chen Dingmei
（Department of Chemistry and Chemical Engineering，Liupanshui Normal University，Liupanshui 553004，China）

Sodium metasilicate pentahydrate was widely used in washing products，which was an ideal substitute for phosphorus-based detergent assistant，sodium tripolyphosphate.Various production technologies and raw materials of pentahydrate sodium metasilicate by aqueous crystallization method and one-shot pelletizing method were expounded，and the advantages and disadvantages of two methods were compared.Combined with China′s situation：with rapid development of industry，as a large number of waste liquid and residue was emitted，environmental pollution control was of great urgency.It pointed out that China should fully develope aqueous crystallization method，which was suitable for different production scales and had low raw material quality requirement.And a series of solving measures were put forward for the problems that existed in the aqueous crystallization method.

sodium metasilicate pentahydrate；preparation technology；present situation

TQ127.2

A

1006-4990（2014）12-0008-04

2014-06-16

繆應菊（1983— ），女，碩士，講師，主要從事固體廢棄物的資源化利用研究。

貴州省教育廳資助項目“煤系固體廢棄物資源化利用特色重點實驗室”（［2011］278）；貴州省教育廳自然科學研究項目“粉煤灰制備五水偏硅酸鈉聯產氧化鋁的工藝研究”（黔教合KY字［2013］201）。

聯系方式：egomyj@163.com