一種利用五水偏硅酸鈉母液生產濕法水玻璃的工藝的研究與應用

馮曉文，林慶娜，鐘春林，汪陽，蔣瑜琪

（1.江西省歐陶科技有限公司，高安 330811）

（2.肇慶市歐陶新型材料有限公司，肇慶 526113）

1 前言

五水偏硅酸鈉是一種重要的陶瓷泥漿解膠用陶瓷化工新材料，它具有固含量高、熔點高的特點。

陶瓷行業使用的此類產品大都采用“結晶脫水法”生產，它工藝雖然簡單，但產品的性價比高，該工藝的五水偏硅酸鈉晶體是在溶液中緩慢生長出來的，為了順利實現固液分離，原液的模數僅有M=0.65--0.70 左右，進入自動離心機脫水后會產生大量的母液，正常情況下母液要循環利用，但多次重復使用后生產的五水偏硅酸鹽色發黃，出現晶體生長緩慢，產品顆粒度小產量低的現象。

由于粉狀料多、粒徑小，比表面積大因而吸附水多，產品易結塊。研究利用母液替代30%燒堿來生產水玻璃，解決“結晶脫水法”生產五水偏硅酸鈉后母液量大，母液重復使用后產品質量差、產量低的問題具有較大的意義，同時該方法生產的水玻璃二氧化硅（SiO2）的含量高，因而模數也高，有利于后期生產其他品類的陶瓷解膠劑。

2 水玻璃的生產工藝及主要技術指標

2.1 什么是水玻璃

硅酸鈉，俗稱泡花堿，是一種無機物，化學式為Na2O·nSiO2，其水溶液俗稱水玻璃，是一種礦黏合劑。

水玻璃是一種可溶性的無機硅酸鹽，可廣泛用于洗化、鑄造、選礦、造紙、白炭黑、硅溶膠、金屬防腐、建筑注漿、陶瓷解膠劑等行，是硅化合物的基本原料。

2.2 水玻璃的生產工藝

目前水玻璃的生產主要有兩種工藝，一種是干法（也稱固相法），一種是濕法（也稱液相法）。

2.2.1 干法生產工藝（固相法）

比較常見的干法工藝是將純堿（Na2CO3）或者元明粉（又稱硫酸鈉、無水芒硝）和粒徑60-80 目的石英砂（SiO2）按比例混合均勻送入馬蹄焰窯爐，在1450-1500 ℃下熔融，高溫熔融產物從窯爐出料口流出，通過鏈板機上面的輥子壓制成塊或者落入下面的水池水淬成顆粒，然后再將塊狀料（俗稱果凍料）或水淬料送溶解滾筒，然后按照成品規格加入水或者燒堿，通過“化料”工藝，獲得不同濃度不同模數的水玻璃。

干法生產水玻璃污染大，能耗高，生產成本高，兩步法工藝，生產周期長，受環保管控影響大，但產品模數可以達到M=3.5，是下游多種無機硅產品的重要原材料，這是濕法工藝無法比擬的。

2.2.2 濕法生產工藝（液相法）

濕法生產工藝，也稱液相法，是將30%及以上的燒堿和100 目-180 目的石英砂，按照一定的比例混合后送入反應釜，然后往反應釜內充入蒸汽，在壓力0.8-1.0MPa、溫度170-180℃下，直接生成液體水玻璃，濕法水玻璃生產工藝簡單，能耗低，勞動強度小，產品質量好，原材料來源廣，但只能生產模數M=2.5 以下的產品，而且會產生較多的堿性濾渣，雖然可以多次重復使用，但最終還是有一定量的殘留，處理濾渣比較麻煩,絕大部分都送給陶瓷企業做為泥沙類原材料使用，由于含有少量的水玻璃，所以對陶瓷泥漿有一定的解膠作用，這幾年隨著陶瓷企業對濾渣性能認知的增加，需求量越來越大，間接地也解決了濕法水玻璃生產堿性廢泥處理難的問題。

另外廢渣的主要成分是石英砂（SiO2）和氧化鈉（Na2O），可以取代石英砂利用旋轉窯來加工生產零水偏硅酸鈉。

2.2.3 主要技術指標

表1 陶瓷解膠劑用水玻璃的主要技術指標

目前用來加工陶瓷泥漿解膠劑的主要是濕法工藝生產的水玻璃，陶瓷解膠劑的主要品類包括：硅酸鹽類、磷酸鹽類、腐殖酸類和有機分散劑類，典型的解膠劑有：水玻璃、九水偏硅酸鈉、陶瓷級五水偏硅酸鈉、特效陶瓷泥漿解膠劑、液體陶瓷泥漿解膠劑等。

3 五水偏硅酸鈉三種比較典型的生產工藝

3.1 什么是五水偏硅酸鈉

五水偏硅酸鈉，是一種無機化合物，分子式為Na2SiO3·5H2O，分子量為212.14，白色顆粒狀或晶體狀，用于超濃縮洗衣粉、洗滌劑、金屬表面清洗劑、食品行業洗凈劑，紙張漂白、棉紗蒸煮、陶瓷泥漿分散等。

3.2 常見的陶瓷級五水偏硅酸鈉的主要技術指標

表2 陶瓷級五水偏硅酸鈉的主要技術指標

五水偏硅酸鈉與水玻璃、九水偏硅酸鈉相比，具有固含量高、結晶溫度高、解膠性能優的特點，能夠在陶瓷原料制備的高溫高濕環境中安全堆存，解決了其他品種的解膠劑出口國外市場，長時間海運、高溫帶來的產品吸熱、吸濕后出現溶解、水解的現象。

3.3.五水偏硅酸鈉的生產工藝

3.3.1 連續造粒法

是將偏硅酸鈉溶液通過造粒結晶裝置，直接連續造成要求大小的顆粒，質量指標符合HG/T2568-2008《工業偏硅酸鈉》標準要求，產品外觀呈球型顆粒，白度高，流動性好，沒有游離水和吸附水，屬高檔產品，這種方法適合大規模生產，但技術性較強不易掌握，該方法包括“結晶造粒”和“噴霧造粒”兩種工藝。

3.3.2 結晶脫水法或母液循環法

是將偏硅酸鈉溶液加晶種或母液降溫結晶，離心脫水后得到粉粒狀產品，這種方法受環境濕度、溫度和降溫用水的制約，大規模生產有一定困難，產品表面吸附水較高、流動性差，但水溶性好，理化指標也能達到HG/T2568-2008 要求，由于性價比高，隨著建筑陶瓷產業的發展，該產品在陶瓷解膠劑行業得到廣泛應用，并且已經大量出口到國際市場。

3.3.3 結晶粉碎法

這種方法是將偏硅酸鈉溶液濃縮至要求濃度，通過添加晶種全部結晶成塊狀固體，游離水全部轉化為結晶水，然后將固體粉碎后即為成品，這種方法的優點是投資較小，但對晶體結構破壞比較嚴重，對氣候環境和控制條件要求比較苛刻，勞動強度大，產品白度低，由于顆粒不規則吸潮后易產生“鹽橋效應”而結塊，理化指標一般達不到4HG/T2568-2008 標準要求。

3.4 母液循環法生產五水偏硅酸鈉的工藝流程及技術工藝要求

3.4.1 工藝流程

圖1 工藝流程圖

3.4.2 原材料的配比

表3 五水偏硅酸鈉原液的配比

表4 五水偏硅酸鈉原液的主要技術參數

3.4.3 關鍵工藝要求

（1）水冷降溫

利用水降溫，降溫梯度根據環境條件和原液的溫度確定，在廣東地區一般的降溫時間約為12h.

(2）離心脫水時的料漿溫度

離心脫水時料漿的溫度保持在40℃左右，過高會導致結晶顆粒溶解，過低容易出現料漿結晶，導致料漿的流動性變差或者堵塞管道，離心機大多采用三足式離心機或者自動活塞推料離心機，產出率為47%左右，根據季節有所變化，一般春冬季節高，夏秋季節低。

3.4.4 母液循環法工藝生產的五水偏硅酸鈉的技術指標

表5 母液循環法工藝生產的五水偏硅酸鈉的技術指標

由于采用在液體中結晶生長的方法和離心脫水，導致成品中二氧化硅（SiO2）的含量偏低，而氧化鈉（Na2O）的含量比造粒法相對要高，結晶體的白度低。

3.4.5 離心脫水后產生的“母液”其主要成分檢測數據

表6 母液的主要成分檢測值

通過數據可以看出，“母液”中氧化鈉（Na2O）的含量為22.5%-23%左右，其含量相當于30%的氫氧化鈉（30%燒堿氧化鈉的含量為23.25%），基本上可以滿足濕法工藝生產水玻璃對氫氧化鈉最低含量的要求。

3.4.6 正常情況下“母液”的利用方法

按照一定的比例加入到母液循環法生產五水偏硅酸鈉的配料環節重復利用，但多次使用以后五水偏硅酸鈉成品顏色發黃，而且顆粒度偏小，產品吸附水高，容易產生結塊，為了克服母液多次利用以后出現的產品缺陷，通過對母液成分的測試分析，決定另辟蹊徑，放棄母液在五水偏硅酸鈉生產環節的利用，轉向用來生產濕法水玻璃，我們姑且稱之為“母液法水玻璃”。

4 利用“母液”生產濕法水玻璃的工藝方法（“母液法水玻璃”）

4.1 主要設備

全不銹鋼立式反應釜、石英砂喂料機、配料攪拌機、泥漿泵、中轉罐、板框式壓濾機、燃氣鍋爐等。

4.2 生產用原材料

“母液”，使用前需均化并檢測其含量；

石英砂，100 目-180 目，二氧化硅（SiO2）含量98%以上；

50%NaOH，質量符合國標規定

4.3 生產工藝

(1)“母液”收集進入母液池，為了防止產生結晶，需要對“母液”進行加熱；

(2) 采用與常規的濕法水玻璃生產相同的方法進行配料，把30%燒堿置換為母液，由于“母液”中氧化鈉的含量略低于30%燒堿，故需添加少量的50%燒堿，以滿足要求。50%燒堿的添加量，根據配料前從母液池中提取的“母液”樣品檢測后獲得的數據計算確定。配料罐下面加裝有重量傳感器，所有物料均以稱重添加；

(3)配料完畢攪拌均勻后，利用泥漿泵把原材料送入反應釜；

(4)由于“母液”的堿性稍弱，生成水玻璃的反應速度慢，我們知道水玻璃的生成，在相同的配方下，與反應壓力和時間成正比，正常情況下，采用30%燒堿生成濕法水玻璃，其充蒸汽壓力一般為0.8MPa,反應的最高壓力可以達到1.0-1.2MPa，所以采用“母液”生產濕法水玻璃，需要將充蒸汽的壓力提高到1.0MPa,保壓時間6h；

(5)水玻璃生成后，打開反應釜放料閥，利用反應釜中的內壓，將水玻璃壓入板框式壓濾機過濾，濾渣重復利用；

(6)檢測后經過調濃，水玻璃泵入儲罐。

4.4 利用“母液”生產的水玻璃實測值

濕法水玻璃生產，我們希望用盡可能少的燒堿，產出模數高、婆美度高的水玻璃，這些都和石英砂的溶出量有關系，由于“母液”中含有6%左右的離子態二氧化硅（SiO2），利用該“母液”生產的濕法水玻璃，可以提高水玻璃中二氧化硅（SiO2）的含量，從表7“母液法”水玻璃檢測數據看得出，其二氧化硅（SiO2）的含量稍高于傳統濕法工藝生產的水玻璃，各項指標可以滿足生產陶瓷泥漿解膠劑的要求。

表7 “母液法”水玻璃的主要成分

5 結論

(1)水玻璃是一種可以單獨作為解膠劑使用，或者以其為原料進一步加工為各種類型解膠劑的重要陶瓷化工新材料，這幾年隨著陶瓷產業的發展，水玻璃得到廣泛使用，而且在一些陶瓷產區已然成為主流的解膠產品，大力發展陶瓷用水玻璃，對促進陶瓷產業節能減排具有重要意義，我們知道“碳達峰”靠規劃，而“碳中和”則需要技術，發展性價比高的水玻璃作為解膠劑產品，推進陶瓷產業可持續發展，貼合國際的“雙碳”政策，具有重要意義；

(2)利用“母液法”生產水玻璃技術可靠，產品質量好，可實現水玻璃、五水偏硅酸鈉的聯動生產，有效解決母液循環法工藝生產五水偏硅酸鈉產生的“母液”量大，多次循環使用后五水偏硅酸鈉外觀顏色發黃，產品粒度細小，容易產生結塊的問題，攻克了母液循環法工藝生產五水偏硅酸鈉受“母液”影響，出現的“腸梗阻”的現象，有利于母液循環法工藝生產五水偏硅酸鈉產業的發展進步；

(3)該工藝的推廣應用，不但解決了母液循環法工藝生產五水偏硅酸鈉過程中出現的難題，而且通過對“母液”的科學利用，可以生產出較好質量的水玻璃，滿足陶瓷行業的需要，是個一舉兩得的好方法。