五水偏硅酸鈉生產(chǎn)工藝的研究

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)

1 引言

偏硅酸鈉是硅酸的一種鹽，屬于無機(jī)鹽產(chǎn)品，偏硅酸鈉，分子式Na2SiO3·nH2O，是一種無毒、無味的白色粉末或結(jié)晶顆粒，易溶于水，不溶于醇，水溶液呈堿性。偏硅酸鈉產(chǎn)品置于空氣中易吸濕潮解，具有去垢、乳化、分散、濕潤、滲透性。產(chǎn)品有零水、五水和九水合物。隨著國內(nèi)工業(yè)偏硅酸鈉行業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)品質(zhì)量有了很大提高，下游產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致市場需求增長迅速，使用領(lǐng)域也得到拓展。

五水偏硅酸鈉外觀為白色粉末或結(jié)晶狀流動(dòng)性顆粒，相對堆積密度為0.8～1.0 g/mL，熔點(diǎn)72.2 ℃，在空氣中易吸濕潮解；去污能力強(qiáng)。主要用作各種洗滌劑，產(chǎn)品作為洗滌助劑，能替代三聚磷酸鈉，生產(chǎn)無磷、低磷洗滌劑，以降低洗滌劑中的磷含量，提高洗滌劑的去污能力，使污垢懸浮，而不沉積在洗物上，對污垢起浮化作用，易于清洗，添加五水偏硅酸鈉的洗滌劑易使洗物濕潤，提高滲透力，增加洗滌劑堿性，以緩沖污垢的酸性，且不腐蝕洗物，不刺激皮膚，對水質(zhì)有良好的軟化作用。五水偏硅酸鈉作為助劑的主要原料，在紡織印染工業(yè)的前處理中用于棉紡等的蒸煮漂白、造紙行業(yè)的去污漂白、紙張脫墨劑、陶瓷助磨減水劑、混凝土減水劑等領(lǐng)域。同時(shí)，還廣泛應(yīng)用于化學(xué)紡織品阻燃劑、耐火劑原料、保塑保水劑原料、礦物油回收、建筑冶金工業(yè)分散劑和快干劑、油田鉆井快凝劑、水質(zhì)處理，沸石制備等方面。

2 五水偏硅酸鈉生產(chǎn)工藝

傳統(tǒng)生產(chǎn)方法為將偏硅液體靜置于不銹鋼盤中并投加一定量的晶種，在自然環(huán)境下降溫至結(jié)晶溫度，直至在不銹鋼盤中結(jié)晶為一體，經(jīng)過人工用風(fēng)鎬或電鎬將盤中結(jié)晶的五水偏硅酸鈉破碎成大塊，再將大塊料投入到粉碎機(jī)粉碎后得到五水偏硅酸鈉產(chǎn)品。主要存在以下不足：一是間歇式生產(chǎn)方法，生產(chǎn)效率低，工人操作強(qiáng)度大；自然冷卻結(jié)晶時(shí)間長，夏季結(jié)晶時(shí)間達(dá)到20 h以上；二是粉碎后產(chǎn)品純度低，不經(jīng)過篩分，其成品粒度不均勻，顆粒表面不規(guī)則，從而導(dǎo)致產(chǎn)品白度低，儲(chǔ)存時(shí)間短等問題。

目前國內(nèi)外五水偏硅酸鈉工藝流程主要有三種：

(1)連續(xù)造粒法，也稱一次造粒法，是將過濾調(diào)模后的偏硅酸鈉溶液降溫至固化相變點(diǎn)，同時(shí)加入晶種混合，促進(jìn)偏硅酸鈉液體在晶種表面蓄積結(jié)晶，經(jīng)過冷卻、造粒及篩分工序，制得具有高純度、高白度且產(chǎn)品顆粒均勻的產(chǎn)品，該生產(chǎn)方法可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)、操作安全，降低了投資及操作成本，降低了生產(chǎn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)結(jié)晶脫水法，又稱母液循環(huán)法，是將偏硅酸鈉溶液加到具有一定組分的母液中，結(jié)晶分離干燥即得五水偏硅酸鈉，母液返回下次配料循環(huán)使用。該方法無需反復(fù)加熱冷卻，節(jié)約能耗；生產(chǎn)過程中，結(jié)晶時(shí)間短，各項(xiàng)指標(biāo)可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。該法的主要缺點(diǎn)是粒度太細(xì)，產(chǎn)品在母液中夾帶太多，影響了產(chǎn)品質(zhì)量；不同溫度下平衡液相組成處于高堿低硅范圍，黏度較大，生產(chǎn)時(shí)母液量大；隨液相溫度降低相鄰水合物可互相轉(zhuǎn)化，結(jié)晶水會(huì)變化，結(jié)晶區(qū)域及位置也會(huì)發(fā)生變化；產(chǎn)品出現(xiàn)大量混晶，造成產(chǎn)品不合格，還存在著母液量大，母液循環(huán)使用和產(chǎn)品干燥困難等問題；在干燥過程中亦易造成局部超溫，部分過量脫水造成成品易發(fā)粘結(jié)塊。

(3)結(jié)晶粉碎法，是將硅酸鈉溶液調(diào)模后，蒸發(fā)至指定波美度，加晶種攪拌混勻，經(jīng)破碎、粉碎、篩分制得成品。該方法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝簡單，設(shè)備投資小、成本低，主要缺點(diǎn)是間歇式生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，工人操作強(qiáng)度大，產(chǎn)品純度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，易吸潮結(jié)塊，儲(chǔ)存時(shí)間短，生產(chǎn)耗時(shí)較長，氣溫及環(huán)境對結(jié)晶時(shí)間及產(chǎn)品質(zhì)量影響較大。

五水偏硅酸鈉的常規(guī)生產(chǎn)方法是以石英砂和燒堿為原料，將一定濃度的氫氧化鈉溶液和石英砂按照一定比例混合后在一定溫度下反應(yīng)，再進(jìn)行調(diào)模、結(jié)晶和干燥等工藝生產(chǎn)而成。除了以石英砂為原料的主要生產(chǎn)工藝外，在現(xiàn)有工藝中，還有以氟硅膠、微硅粉、礬泥酸解濾餅、油頁巖廢渣、氧氯化鋯廢水、廢硅膠、粉煤灰、廢玻璃等為原料采用濕法或干法的制備工藝，具體如下：

明大增等[1]以含氟硅膠為原料，與液堿混合配料，在80～100 ℃條件下反應(yīng)4 h，反應(yīng)至溶液濃度為35%～44%時(shí)，冷卻，加入晶種，結(jié)晶后降溫，分離干燥制得五水偏硅酸鈉成品。該方法能有效地回收利用氟硅酸制備氫氟酸過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)含氟硅膠，變廢為寶，避免環(huán)境污染。

胡天喜等[2]以微硅粉為原料，與氫氧化鈉固體和水混合，獲得氫氧化鈉質(zhì)量濃度為37%～39%的混合液，將所述混合液置于60～80 ℃條件下反應(yīng)30～90 min，然后將反應(yīng)后的混合液進(jìn)行過濾，取過濾后的清液進(jìn)行調(diào)模，調(diào)整模數(shù)為0.6～1.6，將調(diào)模后的清液于40～52 ℃條件下進(jìn)行結(jié)晶，獲得所述五水偏硅酸鈉。該方法可以縮短反應(yīng)時(shí)間，無需在高溫高壓條件下進(jìn)行，可以有效降低生產(chǎn)的能耗，且反應(yīng)條件便于控制，將微硅粉變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用。

王嘉興[3]以礬泥酸解濾餅為原料，將礬泥用水進(jìn)行充分水解，過濾后的濾餅送入腐蝕反應(yīng)器與鹽酸按質(zhì)量比1∶0.74～1.14進(jìn)行反應(yīng)，再次過濾的濾液與氫氧化鈉按質(zhì)量比1∶1.11～1.51進(jìn)行反應(yīng)，再次過濾，熱濾過程中溫度為1 100±2 ℃得到水玻璃，濾液水玻璃送入減壓蒸餾器進(jìn)行減壓蒸餾，當(dāng)溶液含水量達(dá)到五個(gè)結(jié)晶水時(shí)，排出后用冷卻器、洗滌甩干機(jī)、干燥器、粉碎機(jī)進(jìn)行冷卻、洗滌甩干，干燥和粉碎后檢斤包裝得到五水偏硅酸鈉晶體產(chǎn)品。該方法可把礬泥進(jìn)行分解消化利用，一是通過水解把水溶性的物質(zhì)提取出來作為液相治理；二是把水溶性提取之后的濾餅進(jìn)行酸溶提取作為固相治理；三是將酸溶提取后的廢渣繼續(xù)作為固相處理回用。既實(shí)現(xiàn)廢渣再利用，又降低了廢渣對環(huán)境的污染。

韓放等[4]以油頁巖廢渣為原料，取200～300目的油頁巖廢渣在550～650 ℃下活化2～3 h，按照1∶1～4的質(zhì)量比加入硫酸溶液，密閉酸浸4～6 h后，保持溶液的密度為1.25～1.3×103kg/m3，熱過濾分別得油頁巖廢渣及溶液，油頁巖廢渣水洗液pH值為3～5，得到二氧化硅含量為70%～80%的硅渣，將硅渣與NaOH溶液按SiO2∶Na2O摩爾比為0.5～1.0的配比混合，在130 ℃下密閉反應(yīng)3～5 h，過濾后得到水玻璃溶液，加熱蒸發(fā)至溶液濃度為40%～55%，迅速冷卻到60 ℃，降溫至55 ℃，加入晶種，溫度降低到40 ℃，抽濾得到五水偏硅酸鈉晶體產(chǎn)品。

該方法提高了油頁巖廢渣的利用率，同時(shí)避免了廢渣的大量堆積，減少了占地面積，降低了環(huán)境污染。

余麗秀等[5]以氯氧化鋯生產(chǎn)排放廢水為原料，將原料進(jìn)行預(yù)處理，配料、加熱、濃縮后，降低溫度至50～60 ℃、加入成核劑和成核助劑、攪拌、勻速降溫、沉降結(jié)晶，制得結(jié)晶五水偏硅酸鈉，經(jīng)過干燥、分離，制得五水偏硅酸鈉成品。該方法充分利用氧氯化鋯生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水，實(shí)現(xiàn)了資源充分利用，無二次廢棄物排放，降低氯氧化鋯生產(chǎn)成本。

薛彥輝等[6]以廢硅膠為原料，將廢硅膠進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)壓濾、干燥，制得水合二氧化硅；除雜后蒸發(fā)濃縮，降溫冷卻到55 ℃后，加入晶種，降溫冷卻制得晶體五水偏硅酸鈉，烘干后即可得到五水偏硅酸鈉成品。該方法將副產(chǎn)物廢硅膠充分利用，變廢為寶，減少了資源浪費(fèi)，又防止環(huán)境污染。

秦晉國[7]以粉煤灰為原料，將粉煤灰與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～40%的氫氧化鈉溶液按1～2∶1的液固比混合，于氫氧化鈉溶液沸點(diǎn)溫度下堿解粉煤灰中的二氧化硅，使之生成硅酸鈉溶液，稀釋過濾得到模數(shù)為0.4～0.8的硅酸鈉溶液；取部分硅酸鈉溶液，用二氧化碳?xì)怏w碳分制備非晶水合二氧化硅，過濾分離，得到碳酸鈉溶液和非晶水合二氧化硅濾餅；配制成SiO2與Na2O質(zhì)量比=1∶0.8～1.2的結(jié)晶原液，過濾去除懸浮物，升溫濃縮，降溫結(jié)晶，至35 ℃進(jìn)行固液分離，得到五水偏硅酸鈉。該方法實(shí)現(xiàn)了高鋁粉煤灰資源化再利用。

胡明玉等[8]以廢玻璃為原料，將濃度為20%～36%的NaOH溶液與廢玻璃粉按質(zhì)量比為3.5～6∶1混合，加熱至90～100 ℃，反應(yīng)50～150 min；冷卻至50～60 ℃，邊攪拌邊加入晶種，同時(shí)加入分散劑，降溫，析晶；30～35 ℃溫度下，烘干120～260 min，即得到五水偏硅酸鈉產(chǎn)品。該方法可以充分利用廢玻璃中的主要成分二氧化硅和氧化鈉，利用廢棄資源，降低生產(chǎn)中燒堿用量，具有節(jié)能、降耗、降低生產(chǎn)成本的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)語

現(xiàn)有五水偏硅酸鈉的生產(chǎn)方法，一般都有反應(yīng)、過濾、冷卻、造粒及篩分工序。主要區(qū)別是原料以及原料的前處理工藝有所不同。以液堿和石英砂為原料，生產(chǎn)成本較高，但冷卻結(jié)晶時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品純度高；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，設(shè)備復(fù)雜，后處理費(fèi)用多，產(chǎn)品成本相應(yīng)也較高，在生產(chǎn)應(yīng)用方面上均存在應(yīng)用規(guī)模及范圍的限制。