五水偏硅酸鈉生產工藝的研究

王敬偉，紀發達(山東龍港硅業科技有限公司，山東 濰坊 261300)

1 引言

偏硅酸鈉是硅酸的一種鹽，屬于無機鹽產品，偏硅酸鈉，分子式Na2SiO3·nH2O，是一種無毒、無味的白色粉末或結晶顆粒，易溶于水，不溶于醇，水溶液呈堿性。偏硅酸鈉產品置于空氣中易吸濕潮解，具有去垢、乳化、分散、濕潤、滲透性。產品有零水、五水和九水合物。隨著國內工業偏硅酸鈉行業的發展，生產規模及產品質量有了很大提高，下游產業的快速發展，導致市場需求增長迅速，使用領域也得到拓展。

五水偏硅酸鈉外觀為白色粉末或結晶狀流動性顆粒，相對堆積密度為0.8～1.0 g/mL，熔點72.2 ℃，在空氣中易吸濕潮解；去污能力強。主要用作各種洗滌劑，產品作為洗滌助劑，能替代三聚磷酸鈉，生產無磷、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，在紡織印染工業的前處理中用于棉紡等的蒸煮漂白、造紙行業的去污漂白、紙張脫墨劑、陶瓷助磨減水劑、混凝土減水劑等領域。同時，還廣泛應用于化學紡織品阻燃劑、耐火劑原料、保塑保水劑原料、礦物油回收、建筑冶金工業分散劑和快干劑、油田鉆井快凝劑、水質處理，沸石制備等方面。

2 五水偏硅酸鈉生產工藝

傳統生產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，在自然環境下降溫至結晶溫度，直至在不銹鋼盤中結晶為一體，經過人工用風鎬或電鎬將盤中結晶的五水偏硅酸鈉破碎成大塊，再將大塊料投入到粉碎機粉碎后得到五水偏硅酸鈉產品。主要存在以下不足：一是間歇式生產方法，生產效率低，工人操作強度大；自然冷卻結晶時間長，夏季結晶時間達到20 h以上；二是粉碎后產品純度低，不經過篩分，其成品粒度不均勻，顆粒表面不規則，從而導致產品白度低，儲存時間短等問題。

目前國內外五水偏硅酸鈉工藝流程主要有三種：

(1)連續造粒法，也稱一次造粒法，是將過濾調模后的偏硅酸鈉溶液降溫至固化相變點，同時加入晶種混合，促進偏硅酸鈉液體在晶種表面蓄積結晶，經過冷卻、造粒及篩分工序，制得具有高純度、高白度且產品顆粒均勻的產品，該生產方法可實現連續化生產、操作安全，降低了投資及操作成本，降低了生產人員的勞動強度。

(2)結晶脫水法，又稱母液循環法，是將偏硅酸鈉溶液加到具有一定組分的母液中，結晶分離干燥即得五水偏硅酸鈉，母液返回下次配料循環使用。該方法無需反復加熱冷卻，節約能耗；生產過程中，結晶時間短，各項指標可達到標準要求。該法的主要缺點是粒度太細，產品在母液中夾帶太多，影響了產品質量；不同溫度下平衡液相組成處于高堿低硅范圍，黏度較大，生產時母液量大；隨液相溫度降低相鄰水合物可互相轉化，結晶水會變化，結晶區域及位置也會發生變化；產品出現大量混晶，造成產品不合格，還存在著母液量大，母液循環使用和產品干燥困難等問題；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粘結塊。

(3)結晶粉碎法，是將硅酸鈉溶液調模后，蒸發至指定波美度，加晶種攪拌混勻，經破碎、粉碎、篩分制得成品。該方法的優點是生產工藝簡單，設備投資小、成本低，主要缺點是間歇式生產，生產效率低，工人操作強度大，產品純度低，產品質量不穩定，易吸潮結塊，儲存時間短，生產耗時較長，氣溫及環境對結晶時間及產品質量影響較大。

五水偏硅酸鈉的常規生產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，再進行調模、結晶和干燥等工藝生產而成。除了以石英砂為原料的主要生產工藝外，在現有工藝中，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4 h，反應至溶液濃度為35%～44%時，冷卻，加入晶種，結晶后降溫，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生的副產含氟硅膠，變廢為寶，避免環境污染。

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30～90 min，然后將反應后的混合液進行過濾，取過濾后的清液進行調模，調整模數為0.6～1.6，將調模后的清液于40～52 ℃條件下進行結晶，獲得所述五水偏硅酸鈉。該方法可以縮短反應時間，無需在高溫高壓條件下進行，可以有效降低生產的能耗，且反應條件便于控制，將微硅粉變廢為寶，實現資源循環利用。

王嘉興[3]以礬泥酸解濾餅為原料，將礬泥用水進行充分水解，過濾后的濾餅送入腐蝕反應器與鹽酸按質量比1∶0.74～1.14進行反應，再次過濾的濾液與氫氧化鈉按質量比1∶1.11～1.51進行反應，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行減壓蒸餾，當溶液含水量達到五個結晶水時，排出后用冷卻器、洗滌甩干機、干燥器、粉碎機進行冷卻、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品。該方法可把礬泥進行分解消化利用，一是通過水解把水溶性的物質提取出來作為液相治理；二是把水溶性提取之后的濾餅進行酸溶提取作為固相治理；三是將酸溶提取后的廢渣繼續作為固相處理回用。既實現廢渣再利用，又降低了廢渣對環境的污染。

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3～5 h，過濾后得到水玻璃溶液，加熱蒸發至溶液濃度為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品。

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

余麗秀等[5]以氯氧化鋯生產排放廢水為原料，將原料進行預處理，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、沉降結晶，制得結晶五水偏硅酸鈉，經過干燥、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中產生的廢水，實現了資源充分利用，無二次廢棄物排放，降低氯氧化鋯生產成本。

薛彥輝等[6]以廢硅膠為原料，將廢硅膠進行預處理，經壓濾、干燥，制得水合二氧化硅；除雜后蒸發濃縮，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。該方法將副產物廢硅膠充分利用，變廢為寶，減少了資源浪費，又防止環境污染。

秦晉國[7]以粉煤灰為原料，將粉煤灰與質量分數為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，稀釋過濾得到模數為0.4～0.8的硅酸鈉溶液；取部分硅酸鈉溶液，用二氧化碳氣體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質量比=1∶0.8～1.2的結晶原液，過濾去除懸浮物，升溫濃縮，降溫結晶，至35 ℃進行固液分離，得到五水偏硅酸鈉。該方法實現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量比為3.5～6∶1混合，加熱至90～100 ℃，反應50～150 min；冷卻至50～60 ℃，邊攪拌邊加入晶種，同時加入分散劑，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，降低生產中燒堿用量，具有節能、降耗、降低生產成本的優點。

3 結語

現有五水偏硅酸鈉的生產方法，一般都有反應、過濾、冷卻、造粒及篩分工序。主要區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，生產成本較高，但冷卻結晶時間短，生產效率高，產品純度高；而采用廢棄物或廉價原材料為原料，由于雜質不易去除和工藝過程難控制等原因，則工藝流程長，設備復雜，后處理費用多，產品成本相應也較高，在生產應用方面上均存在應用規模及范圍的限制。