高模數液體硅酸鈉的生產方法及現狀

王敬偉，紀發達(山東龍港硅業科技有限公司，山東 濰坊 261300)

0 引言

我國硅酸鈉的生產始于1883年，至今已有130多年的歷史，全國現有硅酸鈉生產廠家約200余個，生產能力已達600萬噸/年，生產能力和產量居世界第一位。硅酸鈉是無機硅化物中的主導產品，其用途非常廣泛，幾乎遍及國民經濟的各個部門，廣泛用于制造硅膠、白炭黑、沸石分子篩及各種硅酸鹽類產品，是硅化合物的基本原料，也是紡織、機械、建筑、農業等的基礎工業原料。液體硅酸鈉廣泛應用于鑄造、建筑、化工、選礦和輕工產品等許多領域，是重要的國民經濟的基礎材料之一。

硅酸鈉的模數是其所含二氧化硅與氧化鈉的摩爾比，減少水玻璃液中的鈉含量，二氧化硅含量則相對升高，即可以提高水玻璃的模數，是硅酸鈉的重要參數，一般在1.5～3.5之間。硅酸鈉模數越大，固體硅酸鈉越難溶于水，n為1時常溫水即能溶解，n加大時需熱水才能溶解，n大于3時，需4個大氣壓以上的蒸汽才能溶解。硅酸鈉模數越大，氧化硅含量越多，水玻璃黏度增大，易于分解硬化，粘結力增大。硅酸鈉外形有固體和液體兩種，商品以液體較為普遍。液體硅酸鈉為無色、微紅色，透明或半透明液體，能溶于水。硅酸鈉水溶液有黏性，特別是高模數的黏度很大，在市場中占據主導地位。

1 高模數液體硅酸鈉的生產方法

國內外生產高模數液體硅酸鈉的方法有兩種，一種生產方法是干法：石英砂和碳酸鈉混合后在熔窯中，熔窯多以煤炭或燃油為燃料，在1 300～1 400 ℃左右的高溫下熔融后，冷卻成型或水淬后以固體形態存放，絕大多數使用時要制成水溶液。模數在3.0左右的固體水玻璃，要用4個左右大氣壓的水蒸氣溶解，冷卻過濾后得到高模液體水玻璃。此種方法為高模數(M＞2.5)硅酸鈉的主要生產方法，其優點是可根據需要生產不同模數的硅酸鈉產品，如M為0.5～4.0，對原料的適應性較廣，可用純堿、芒硝、天然堿、氯化鈉等；其缺點是基建投資高，生產高耗能，高污染，不僅燃料燃燒產生廢氣，而且原料碳酸鈉融化后，有41%轉化成二氧化碳排入大氣中；因干法生產條件所限，產品質量一般較低；使用時要進行高溫溶解，不方便。

另一種生產方法是濕法，石英粉和液體氫氧化鈉混合后，在高壓釜中，通入7個左右大氣壓的水蒸氣反應6 h左右，即得液體水玻璃。其優點是基建投資低，能耗低，高壓蒸汽溫度只在180 ℃左右；幾乎無污染，僅有少量未反應完全的石英粉廢渣需要處理；產品質量高，根據使用要求便于調整；其缺點是雖然能耗低于干法生產，但由于處于晶體狀態的石英砂結構穩定、溶解率低，原料燒堿(氫氧化鈉)較貴，只能生產低模數的硅酸鈉(2.5模數以下)，限制了濕法工藝的廣泛應用，主要因設備壓力、溫度實際因素所限。

現有液體硅酸鈉生產方法存在以下問題：固相法生產高模數液體硅酸鈉的生產工藝流程長，設備投資大，生產所需能耗高，熔融態硅酸鈉本身所含熱量未得到利用；生產過程中浪費大量水資源，污染嚴重等問題；液相法生產工藝簡單，流程短，但只能生產低模數，應用范圍小，液相法應用受局限。為了推廣無污染能耗低的濕法工藝，也想了許多方法，比如用部分高模數水玻璃與低模數混合；或者用酸中和部分水玻璃后制成凝膠，洗去鈉離子后，將凝膠溶解后再與低模數混合等。這些方法生產成本高，工藝復雜，未能得到推廣。

2 高模數液體硅酸鈉的生產現狀

除了以上生產工藝外，在現有工藝中，還有以含較多活性SiO2的工業廢棄物、粉煤灰等為原料采用濕法制備工藝，或加入氨水、硅膠粉、無機酸等進行二次反應后，制得高模數液體硅酸鈉，具體如下：

劉思彤等[1]將鐵尾礦和液體堿按照比例加入反應釜中，再加入活化的催化劑SY-1，反應，將反應結束后的物料過濾，得到模數2.5～3.5的水玻璃產品。該方法能耗低、操作簡單，解決了鐵尾礦這一工業固體廢棄物的環境和再資源化難題，既提高了鐵尾礦的綜合利用程度，也為鐵尾礦中二氧化硅的有效利用提供了新的途徑。

王敬偉等[2]以石英砂和燒堿溶液為原料，采用液相法工藝生產出模數為1.5～2.5的液體硅酸鈉，過濾去除其中的固體雜質；向制得的液體硅酸鈉中滴加20%～25%氨水，反應生成燒堿和聚硅酸凝膠白色沉淀，并釋放氨氣；將反應后的燒堿溶液部分抽出，聚硅酸凝膠與剩余燒堿溶液加熱至70～90 ℃進行反應制得模數為2.5～3.4的高模數液體硅酸鈉。該方法工藝流程短，能耗小，解決液相法工藝只能生產低模數硅酸鈉，應用范圍小的問題，并且氨水在整個流程中無損耗，無泄漏，抽出的燒堿溶液作為原料使用，充分利用資源。

胡湘仲等[3]以石英砂和氫氧化鈉水溶液為原料，在一定溫度壓力下攪拌反應，制成模數M為2.4～2.6的硅酸鈉水溶液；向其加入硅膠生產的副產品硅膠粉末，調整模數硅酸鈉的模數M為3.1～3.4，通蒸汽、升溫、加壓、反應，過濾后制得高模數硅酸鈉。該方法的硅膠粉原料易得、價格低廉，且生產流程短，能耗低，易于實現工業化生產。

周敏等[4]從硅酸鈉窯爐出料口流出來的模數為3.5熔融態硅酸鈉，通過帶冷卻水套的溜槽，按熔融態硅酸鈉與水的比例為1∶1.5～3，直接加入轉動溶解滾筒中，加水后通蒸汽滾動、溶解。溶解時間約為2.5 h。該方法省去了傳統水淬冷卻工藝，節約大量水資源，簡化了工藝，無廢水產生，無環境污染；利用熔融態硅酸鈉所含熱量加熱溶液水，節能降耗，節約溶解時間，提高工作效率；滿足高模數硅酸鈉溶解要求。

張振慧等[5]按濕法制得低模數硅酸鈉溶液，模數在2.6～2.8之間，過濾后，與無機酸(硫酸或鹽酸)反應，制取水合硅酸、硅溶膠，用水合硅酸、硅溶膠調制經過濾后的低模數硅酸鈉溶液，低模數硅酸鈉黏度低，即使濃度高也容易過濾，使之模數提高到3.1～3.4。該方法解決了液相法生產高模數硅酸鈉，并且解決了高模數硅酸鈉的過濾問題，可實現當天生產當天產成品，減少成品貯存容器和場地，節約設備投資。

王宇暉[6]以高純水將高模數硅酸鹽溶液稀釋，用活性炭對其進行吸附處理，除去溶液中的雜質，再經過陽離子交換樹脂，得到pH值為2～4的酸性聚硅醚醇，減壓蒸發濃縮，按聚硅醚醇與含氮有機溶劑的重量比為1∶1加入含氮有機溶劑，減壓蒸餾，直至將水蒸凈，當模數達到目標值時降溫，在攪拌下用氨水調整pH值至中性，加入氫氧化鈉或氫氧化鉀或氫氧化鋰，加水，升溫，減壓蒸餾，用水調整固含量至預設范圍，即得到超高模數硅酸鹽。

程芳琴等[7]將粉煤灰與氫氧化鈉溶液按固液比為1∶2～1∶4混合，在90～100 ℃下反應，過濾分離得到脫硅灰和脫硅液，將脫硅灰與粉煤灰、鈉鹽混合研磨，在850～900 ℃下焙燒，將焙燒產物與20%鹽酸溶液混合，在80～90 ℃下反應，過濾、水洗得到酸浸渣，將酸浸渣與脫硅液按照固液比為1∶2～1∶5混合，在70～100 ℃下加熱反應，過濾得到高模數水玻璃。該方法從粉煤灰中提取二氧化硅制備高模數液體硅酸鈉產品，不僅可以緩解粉煤灰產生的環境問題，也可產生一定的經濟價值。

夏舉佩等[8]以煤矸石酸浸渣為原料，破碎，按酸渣中SiO2的摩爾量配燒堿，加水調整液固重量比，在90～95℃溫度和常壓下，進行堿溶反應，反應結束，趁熱過濾，得低模數水玻璃，在低模數水玻璃中再加入煤矸石酸浸渣，在相同操作條件下，進行提模反應，反應終了，趁熱過濾，得高模數水玻璃。該方法堿溶時生產的水玻璃模數低，保證了堿溶時硅的高溶出率和濾餅良好的過濾、洗滌性能，堿溶水玻璃模數的提高用繼續添加酸渣來實現，提模后的酸渣過濾后直接返回堿溶，不需洗滌；反應條件溫和、工藝簡單、操作方便，不涉及高溫、高壓設備，同時解決了煤矸石制備水玻璃模數低的問題。

3 結語

在我國，高模數液體硅酸鈉正處在高速發展的階段。高模數液體硅酸鈉作為廣泛用于各種工業生產的化工原料，受到國內外客戶的高度認可，通過采用新的技術與工藝，使得高模數硅酸鈉液體的質量得到明顯的改善與提高。但現有技術還有待提高與改進，如使用經高溫老化后的石英，相應也提高了能耗，成本也較高；用二氧化硅膠凍調低模數硅酸鈉的模數再濃縮，工藝復雜，周期太長，設備多；使結晶二氧化硅轉化為方石英，同樣消耗大量的熱能；

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，后處理費用多，產品成本相應也較高。高模數液體硅酸鈉的生產應通過技術改造、技術升級，進一步優化生產工藝，降低生產成本，向高效、優質、綜合性等多方面發展，從而促進整個硅酸鈉行業的健康發展，實現更大的社會效益和經濟效益，其利用空間很大，具有廣闊的應用前景。