一種利用濕法水玻璃濾渣生產陶瓷用零水偏硅酸鈉的方法研究與應用

林慶娜，馮曉文3，汪陽，鐘春林，蔣瑜琦，孫熠，劉德

（1.肇慶市歐陶新型材料有限公司，肇慶 526113 2.江西省歐陶科技有限公司，高安 330811 3.廣西歐陶新材料科技有限公司，梧州 543300）

1 前言

零水偏硅酸鈉屬于無機鹽產品，分子式為：Na2O3Si，是一種無毒、無味、無公害的白色顆粒，易溶于水，不溶于醇和酸，水溶液呈堿性，置于空氣中易吸濕潮解，具有去垢、乳化、分散、濕潤、滲透性及對PH 值有緩沖能力。

國際上比較先進的零水偏硅酸鈉生產工藝是利用純凈的硅酸鈉和燒堿水熱反應，干燥、結晶造粒后篩分獲得成品，產品質量能夠達到標準要求，也能利用石英砂和純堿直接高溫煅燒，冷卻后粉碎為粉狀的，此類產品白度低，水溶性差。

隨著中國建筑陶瓷產業的發展，零水偏硅酸鈉被引入到陶瓷原料制備，成為一種性價比較高的陶瓷泥漿解膠劑，其中有一種生產工藝是將一定比例的氫氧化鈉和石英砂混合，然后送入旋轉窯經高溫焙燒而成，該方法的主要原材料是氫氧化鈉和石英砂，為了降低零水偏硅酸鈉的制造成本，也為了消納濕法水玻璃濾渣，我們嘗試采用濕法水玻璃濾渣取代石英砂的方式來生產零水偏硅酸鈉，本文主要闡述了用水玻璃濾渣取代石英砂生產零水偏硅酸鈉的原材料選擇、設備選型、工藝控制、產品檢測等內容。

2 零水偏硅酸鈉在陶瓷原料制備中的作用

2.1 陶瓷解膠劑的作用

陶瓷泥漿解膠劑是陶瓷原料制備不可或缺的重要添加劑，其主要功能是顯著降低泥漿水分，提高流動性、懸浮性和抗觸變性，提高噴霧塔的產量，減少噴霧造粒對能源的消耗，是一種能夠助推陶瓷企業節能減排、綠色低碳和可持續發展的陶瓷新材料。

2.2 硅酸鹽解膠劑的主要品類和解膠機理

陶瓷行業常用的解膠劑，主要包括硅酸鹽類、磷酸鹽類和有機分散劑類，其中典型的硅酸鹽解膠劑有：水玻璃、九水偏硅酸鈉、五水偏硅酸鈉、零水偏硅酸鈉，它們是含Na+的無機鹽，此類解膠劑的解膠機理是間接陽離子置換反應，使粘土水化層分子數多的Ca2+、Mg2+等吸附的水釋放出來，增加泥漿中自由水的含量，達提高流動性的效果。

我們知道粘土膠粒的吸附層和擴散層構成粘土膠粒的擴散雙電層,這兩層電荷或者厚度增加,粒子間排斥力增大,粒子容易相對滑動,不易因碰撞而黏結聚沉,這樣就能提高泥漿的穩定性和流動性。粘土吸附不同的陽離子會使膠核附近的吸力和斥力發生變化,吸力大時泥漿容易絮凝沉淀,斥力大時，能使泥漿解凝,保持良好的懸浮狀態，實踐證明在一定加入量下,含Na+越多的減水劑,其減水效果越好，零水偏硅酸鈉總堿和二氧化硅總含量≥94%，相同的加入量其陽離子的置換能力要大于水玻璃、九水偏硅酸鈉、五水偏硅酸鈉，是一種使用效果非常好的無機解膠劑。

2.3 不同類型的硅酸鹽解膠劑其泥漿解膠劑效果的對比

表1 不同類型的硅酸鹽產品泥漿解膠能力對比試驗情況。

表1 不同類型的硅酸鹽產品泥漿解膠能力對比試驗

表2 石英粉燒堿焙燒法零水偏硅酸鈉泥漿解膠能力試驗

3 幾種典型的零水偏硅酸鈉生產工藝

3.1 焙燒脫水法

將一定固含量的硅酸鈉水溶液與氫氧化鈉按照一定比例混合，通過窯爐高溫作用對產品中的水進行干燥和脫除，這種方法的優點在于高溫反應(1000℃左右)，可徹底將產品中的結晶水去除，得到真正意義上的無水偏硅酸鈉。

此方法制得的產品，純度高，水溶性好，可用于合成洗滌劑，金屬表明清洗，餐具清洗，以及食品、肉類、奶品加工設備等工業清洗劑的洗滌助劑，也有用作陶瓷泥漿解膠劑，是一種較高檔次的泥漿解膠劑產品。

但由于需要先將石英砂和氫氧化鈉反應生成液體硅酸鈉，也就是水玻璃，然后再與氫氧化鈉混合，經高溫焙燒獲得零水偏硅酸鈉，此方法工藝比較復雜，而且能耗高。

3.2 石英砂純堿焙燒法

是將含量≮98%的石英砂與純堿按照35:65 混合均勻，然后投入間歇式硅酸鈉熔窯，該窯爐是用耐火材料砌成的用以熔制固體硅酸鈉的熱工設備。

用煤炭或者發生爐煤氣、天然氣為燃料，燒成溫度1200℃，觀察待物料完全熔化后，停火放料，冷卻后粉碎為顆粒狀，即為零水偏硅酸鈉產品。

此工藝生產的零水偏硅酸鈉產品，水溶性差，夾雜有未反應的石英砂和燒蝕剝離的耐火材料，產品純度低，而且作業環境差，勞動強度高，生產過程對環境有影響，已經逐步被淘汰。

3.3 石英粉燒堿焙燒法

3.3.1 生產工藝

（1）將32%離子膜液堿與細石英粉按2：1 的重量比進行混合，攪拌10-15min；

（2）用泥漿泵該混合液送入回轉窯內；

（3）旋轉窯的材質為316L 不銹鋼，長度為15m，分為預熱段、燒成段、冷卻段，預熱段位置稍高于冷卻段，以方便所述偏硅酸鈉溶液進入后流動以及成品出窯；

（4）采用發生爐煤氣或者天然氣為燃料，最高燒成溫度800℃；

（5）焙燒時間約30min，反應方程式如下：2NaO H+SiO2=Na2SiO3+H2O；

（6）產品從窯尾自動掉落在其下的料槽中，當物料溫度下降到30℃時檢斤、包裝。

3.3.2 石英粉燒堿焙燒法的特點

（1）方法特點

①原料價廉易得，生產成本低；

②生產工藝簡潔明了，易于操作；

③采用離子膜液堿及細石英砂，反應易于進行，質量穩定；

④燒成溫度800℃左右，能耗較低。

（2）產品特點。

①Na+含量高，單位用量的陽離子置換能力強，可顯著提高陶瓷泥漿的流動性、懸浮性和觸變性，滿足噴霧干燥要求，產品使用效果好；

②能降低泥漿的含水率，減少噴霧干燥所需能耗，在同等能耗下，單位時間內提高噴霧塔出粉產量10%左右；

③有一定的助磨潤滑作用，能提高工效，節省電力能耗；

④不與模具材料發生反應，延長模具壽命，并具有較好的脫模效果；

⑤用量少，可減輕勞動強度，性價比高可較大幅度地降低生產成本；

⑥加料過量會出現反凝現象。

由于產品具有以上優勢，因而被陶瓷企業大量采用，成為一種既具備傳統工藝生產的零水偏硅酸鈉的性能，而制造成本相對較低的偏硅酸鈉產品。

（3）不足之處

①采用316L 不銹鋼的筒體，在強堿高溫條件下，窯爐的使用壽命較短，特別是燒成帶，易產生腐蝕銹穿現象，需要定期進行修復；

②微粉狀產品，容易揚塵，對作業環境有一定影響。

本實驗土樣為廣東清遠某陶瓷公司仿古磚坯體配方土，實驗用水為該廠大生產用水，從實驗結果看，兩種方法生產的零水偏硅酸鈉對泥漿的解膠效果相當。

4 濕法水玻璃生產

4.1 濕法水玻璃生產工藝

濕法水玻璃生產工藝也稱液相法工藝，它是將石英砂、液堿按照一定的比例混合后打入反應釜，然后利用蒸汽、導熱油或者電加熱，在0.8-1.0MPa 下，反應6h 生成液體硅酸鈉，產品經過壓濾或者真空吸濾，獲得較清澈的水玻璃產品，該工藝系一步法生產水玻璃，周期短、工藝簡單，且可以批量復制，能迅速形成規模，是當前比較先進的濕法水玻璃生產工藝。

4.2 濕法水玻璃生產的缺陷

濕法水玻璃生產，需要將從反應釜出來的料漿進行過濾，才能獲得合格的水玻璃產品，為了確保水玻璃反應充分，模數達到規定值，一般在配料時，會對石英砂采取過量添加的措施，這樣也有利于濾餅層的形成，提高壓濾效率，這種濾餅就是水玻璃的濾渣，雖然濾渣可以重復利用，但經過2-3 次的使用后，由于顆粒過于細小，且呈粘稠狀，導致水玻璃的過濾困難，此時的濾渣就不能再進行使用，應拋棄，做廢物處理。

4.3 濾渣的主要成分

濾渣主要含石英砂和氧化鈉及其他微量成分，其化學成分如下，含量為平均值。

從表3 可以看出，濾渣的主要成分是二氧化硅和氧化鈉，這也是石英砂燒堿焙燒法生產零水偏硅酸鈉的原材料，由于濾渣含有一定量的氧化鈉，是一種堿性固廢，不能直接外排，最好的辦法是二次利用，以往主要用來生產固體陶瓷泥漿解膠劑，但由于用量非常少，無法有效消納，堿性廢渣的處理成為濕法水玻璃生產的難題。

表3 濕法水玻璃濾渣的化學成分表

表4 不同工藝生產的零水偏硅酸鈉泥漿解膠能力實驗

5 利用濕法水玻璃濾渣生產零水偏硅酸鈉

5.1 利用的可行性

正常情況下，石英砂燒堿焙燒法生產零水偏硅酸鈉的原材料是石英粉和氫氧化鈉，石英粉的細度≮150 目，燒堿含量≮30%，而濕法水玻璃生產后產生的濾渣，通過表3 可以看出，主要是二氧化硅和氧化鈉，這就是石英砂和燒堿的有效成分，我們可否將石英砂燒堿焙燒法生產零水偏硅酸鈉的原材料石英粉置換為水玻璃濾渣，從化學成分看是可行的。

第一，濾渣中二氧化硅的絕對含量為98%左右，符合燒制零水偏硅酸鈉用石英粉的要求；

第二，經過反應釜中高溫高壓和堿性介質的作用，石英砂部分已經呈現熔融狀態，有利于零水偏硅酸鈉的合成；

第三，濾渣中殘留的氧化鈉，可以減少32%氫氧化鈉的使用量15%左右；

第四，由于濾渣粘結成團，只要增加一個化漿攪拌裝置，確保濾渣在氫氧化鈉中充分水解為均勻的石英砂和氫氧化鈉混合液；

第五，燒成用旋轉窯及其他裝置都不需要改進，即可以投入正常生產。

5.2 用濕法水玻璃濾渣替代石英粉燒制零水偏硅酸鈉的工藝

5.2.1 原料準備

濕法水玻璃濾渣集中堆放在一個三面有剪力墻，地面做了防滲漏處理的堆場，防止濾渣中的液體滲漏到地下，對地下水造成污染，同時也利于濾渣用鏟車鏟運；32%氫氧化鈉用儲罐儲存。

5.2.2 化漿配料設施

（1）化漿配料攪拌機，是一種配備框式攪拌器的攪拌機，其下安裝四個重量傳感器，攪拌機的大小根據窯爐的產量確定；

（2）混合漿料儲存攪拌機，完成配比、混合、攪拌后的漿料，用泥漿泵輸送到儲存攪拌機，攪拌機要處于常開狀態，防止石英砂沉降，造成配比失準，影響成品質量，同時避免對攪拌機造成損害；

（3）為了方便濾渣的添加，化漿配料攪拌機安裝在地面以下，旋轉窯安裝在地面上，漿料儲存攪拌機要安裝在高于窯頭2.00m 的位置，以確保其中的漿料有足夠的壓力自流進入窯爐內，攪拌桶內設置有液位開關，低于最低液位時，則啟動泥漿泵，將化漿配料攪拌機中的料液抽取到混合漿料儲存攪拌機中，以確保窯爐進料均勻一致。

5.2.3 窯爐及燒成制度

窯爐筒體直徑1.00m 左右，長度15.00m，材質為316L 不銹鋼，采用發生了煤氣或者天然氣對窯爐加熱，燒成溫度800℃，燒成周期30min，燒成溫度通過鉑銠熱電偶監控。

5.3 生產工藝

（1）打開儲罐閥門，將32%氫氧化鈉自流進化漿攪拌機，添加的數量通過攪拌機下面的重量傳感器控制；

（2）啟動攪拌機，用鏟車將濾渣添加到其中，添加的數量利用重量傳感器確定，連續攪拌時間20min;

（3）窯爐點火，當燒成帶溫度達到800℃左右時，打開儲存攪拌機上的閥門，料漿通過管道進入窯爐，由于窯爐呈現為頭高尾低的狀態，再加上窯爐自身旋轉，其中的物料就會沿筒壁做螺旋線運動，依次通過預熱帶、燒成帶、冷卻帶，完成零水偏硅酸鈉的合成，窯爐的轉速根據實際生產情況確定，但要確保物料緊貼在桶內壁做螺旋線運動，這樣才能保證燒成質量；

（4）從窯尾落下的產品進入料槽，料槽1m3不銹鋼材質，然后用鏟車轉運至包裝車間，經檢測合格、冷卻到30℃以下就可以檢斤包裝;

（5）由于該產品的特性，建議采用自動檢斤包裝機進行產品的檢斤、包裝，避免揚塵對環境和作業人員身體造成影響。

與造粒法工藝相比，一次性焙燒的方法，工藝簡單，生產周期短，但產品的使用有局限性，在陶瓷行業有比較優勢。

5.3 成品的綜合效果

5.3.1 產品的實驗效果

通過對噴霧造粒、石英粉燒堿焙燒法、水玻璃濾渣燒堿焙燒法生產的零水偏硅酸鈉產品，在相同的陶瓷坯體土樣、相同的工藝技術條件下進行了泥漿解膠劑能力的測試，從數據看，三者的使用效果基本接近，產品的使用性能有保證。

該實驗數據由“廣東省新型陶瓷添加劑工程技術研究中心”提供。

5.3.2 產品的經濟性

采用濕法水玻璃濾渣來生產零水偏硅酸鈉，屬于固廢的有效利用，由于濾渣中殘留有7%左右的氧化鈉，在生產過程可減少32%燒堿的使用量15%，比正常采用石英粉生產，節約了石英粉和部分燒堿的成本，對降低零水偏硅酸鈉的生產成本非常有效，有較高的社會經濟效益。

具體的節約價值，要根據不同地域的原材料價格進行測算。

6 結論

零水偏硅酸鈉是一種非常好的陶瓷泥漿解膠劑，但由于生產成本高，與其他類型的解膠劑相比，性價比不占優勢，提高研究利用濕法水玻璃濾渣和燒堿來焙燒零水偏硅酸鈉，即解決了濕法水玻璃生產濾渣無法處理的行業難題，也有效降低了零水偏硅酸鈉的制造成本，是一項既有經濟效益，更有環保效益的科研項目，值得在硅酸鈉生產企業推廣應用。