一种利用五水偏硅酸钠母液生...法水玻璃的工艺的研究与应用_冯晓文.pdf

Vol.33No.01（Serial No.318）FOSHAN CERAMICS1前 言五水偏硅酸钠是一种重要的陶瓷泥浆解胶用陶瓷化工新材料，它具有固含量高、熔点高的特点。陶瓷行业使用的此类产品大都采用“结晶脱水法”生产，它工艺虽然简单，但产品的性价比高，该工艺的五水偏硅酸钠晶体是在溶液中缓慢生长出来的，为了顺利实现固液分离，原液的模数仅有 M=0.65-0.70 左右，进入自动离心机脱水后会产生大量的母液，正常情况下母液要循环利用，但多次重复使用后生产的五水偏硅酸盐色发黄，出现晶体生长缓慢，产品颗粒度小产量低的现象。由于粉状料多、粒径小，比表面积大因而吸附水多，产品易结块。研究利用母液替代 30%烧碱来生产水玻璃，解决“结晶脱水法”生产五水偏硅酸钠后母液量大，母液重复使用后产品质量差、产量低的问题具有较大的意义，同时该方法生产的水玻璃二氧化硅（SiO2）的含量高，因而模数也高，有利于后期生产其他品类的陶瓷解胶剂。2水 玻 璃 的 生 产 工 艺 及 主 要 技 术 指 标2.1 什么是水玻璃硅酸钠，俗称泡花碱，是一种无机物，化学式为Na2O nSiO2，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿黏合剂。水玻璃是一种可溶性的无机硅酸盐，可广泛用于洗化、铸造、选矿、造纸、白炭黑、硅溶胶、金属防腐、建筑注浆、陶瓷解胶剂等行，是硅化合物的基本原料。2.2 水玻璃的生产工艺目前水玻璃的生产主要有两种工艺，一种是干法（也称固相法），一种是湿法（也称液相法）。2.2.1干法生产工艺（固相法）比较常见的干法工艺是将纯碱（Na2CO3）或者元明粉（又称硫酸钠、无水芒硝）和粒径 60-80 目的石英砂（SiO2）按比例混合均匀送入马蹄焰窑炉，在 1450-1500 下熔融，高温熔融产物从窑炉出料口流出，通过链板机上面的辊子压制成块或者落入下面的水池水淬成颗粒，然后再将块状料（俗称果冻料）或水淬料送溶解滚筒，然后按照成品规格加入水或者烧碱，通过“化料”工艺，获得不同浓度不同模数的水玻璃。干法生产水玻璃污染大，能耗高，生产成本高，两步法工艺，生产周期长，受环保管控影响大，但产品模数可以达到 M=3.5，是下游多种无机硅产品的重要原材料，这是湿法工艺无法比拟的。2.2.2湿法生产工艺（液相法）湿法生产工艺，也称液相法，是将 30%及以上的烧碱和 100 目-180 目的石英砂，按照一定的比例混合后送入反应釜，然后往反应釜内充入蒸汽，在压力0.8-1.0MPa、温度 170-180下，直接生成液体水玻璃，湿法水玻璃生产工艺简单，能耗低，劳动强度小，产品质量好，原材料来源广，但只能生产模数 M=2.5 以下的产品，而且会产生较多的碱性滤渣，虽然可以多次重复使用，但最终还是有一定量的残留，处理滤渣比较麻烦,绝大部分都送给陶瓷企业做为泥沙类原材料使用，由于含一种利用五水偏硅酸钠母液生产湿法水玻璃的工艺的研究与应用冯晓文1，2，林庆娜2，钟春林2，汪阳2，蒋瑜琪1（1.江西省欧陶科技有限公司，高安330811）（2.肇庆市欧陶新型材料有限公司，肇庆526113）摘 要：本文简要介绍了水玻璃的干法（固相法）、湿法（液相法）生产工艺，以及“连续造粒法”、“结晶脱水法”、“结晶粉碎法”三种常见的五水偏硅酸钠生产工艺和特点，阐述了如何利用“结晶脱水法”工艺生产五水偏硅酸钠后产生的母液、替代30%烧碱生产湿法水玻璃的工艺和方法，解决母液循环利用后五水偏硅酸钠成品颜色发黄、产量低质量差的问题。关键词：水玻璃；生产工艺；五水偏硅酸钠；母液法18佛 山 陶 瓷2023 年第 1 期（第 318 期）有少量的水玻璃，所以对陶瓷泥浆有一定的解胶作用，这几年随着陶瓷企业对滤渣性能认知的增加，需求量越来越大，间接地也解决了湿法水玻璃生产碱性废泥处理难的问题。另外废渣的主要成分是石英砂（SiO2）和氧化钠（Na2O），可以取代石英砂利用旋转窑来加工生产零水偏硅酸钠。2.2.3主要技术指标目前用来加工陶瓷泥浆解胶剂的主要是湿法工艺生产的水玻璃，陶瓷解胶剂的主要品类包括：硅酸盐类、磷酸盐类、腐殖酸类和有机分散剂类，典型的解胶剂有：水玻璃、九水偏硅酸钠、陶瓷级五水偏硅酸钠、特效陶瓷泥浆解胶剂、液体陶瓷泥浆解胶剂等。3五水偏硅酸钠三种比较典型的生产工艺3.1 什么是五水偏硅酸钠五水偏硅酸钠，是一种无机化合物，分子式为Na2SiO3 5H2O，分子量为 212.14，白色颗粒状或晶体状，用于超浓缩洗衣粉、洗涤剂、金属表面清洗剂、食品行业洗净剂，纸张漂白、棉纱蒸煮、陶瓷泥浆分散等。3.2 常见的陶瓷级五水偏硅酸钠的主要技术指标五水偏硅酸钠与水玻璃、九水偏硅酸钠相比，具有固含量高、结晶温度高、解胶性能优的特点，能够在陶瓷原料制备的高温高湿环境中安全堆存，解决了其他品种的解胶剂出口国外市场，长时间海运、高温带来的产品吸热、吸湿后出现溶解、水解的现象。3.3.五水偏硅酸钠的生产工艺3.3.1连续造粒法是将偏硅酸钠溶液通过造粒结晶装置，直接连续造成要求大小的颗粒，质量指标符合 HG/T2568-2008 工业偏硅酸钠 标准要求，产品外观呈球型颗粒，白度高，流动性好，没有游离水和吸附水，属高档产品，这种方法适合大规模生产，但技术性较强不易掌握，该方法包括“结晶造粒”和“喷雾造粒”两种工艺。3.3.2结晶脱水法或母液循环法是将偏硅酸钠溶液加晶种或母液降温结晶，离心脱水后得到粉粒状产品，这种方法受环境湿度、温度和降温用水的制约，大规模生产有一定困难，产品表面吸附水较高、流动性差，但水溶性好，理化指标也能达到HG/T2568-2008 要求，由于性价比高，随着建筑陶瓷产业的发展，该产品在陶瓷解胶剂行业得到广泛应用，并且已经大量出口到国际市场。3.3.3结晶粉碎法这种方法是将偏硅酸钠溶液浓缩至要求浓度，通过添加晶种全部结晶成块状固体，游离水全部转化为结晶水，然后将固体粉碎后即为成品，这种方法的优点是投资较小，但对晶体结构破坏比较严重，对气候环境和控制条件要求比较苛刻，劳动强度大，产品白度低，由于颗粒不规则吸潮后易产生“盐桥效应”而结块，理化指标一般达不到 4HG/T2568-2008 标准要求。3.4 母液循环法生产五水偏硅酸钠的工艺流程及技术工艺要求3.4.1工艺流程指标项目规定值铁（Fe）,W/%-水不溶物，W/%1.00密度（20）/（g/ml）1.526-1.559氧化钠（Na2O）,W/%12.8二氧化硅（SiO2），W/%29.2模数2.20-2.50表 1 陶瓷解胶剂用水玻璃的主要技术指标表 2 陶瓷级五水偏硅酸钠的主要技术指标指标项目定值二氧化硅（SiO2）W/%27.3-29.0总碱度（以Na2O计）W/%28.2-30.0水不溶物W/%0.10铁（Fe）W/%0.02白度75图 1 工艺流程图19Vol.33No.01（Serial No.318）FOSHAN CERAMICS3.4.2原材料的配比3.4.3关键工艺要求（1）水冷降温利用水降温，降温梯度根据环境条件和原液的温度确定，在广东地区一般的降温时间约为 12h.(2）离心脱水时的料浆温度离心脱水时料浆的温度保持在 40左右，过高会导致结晶颗粒溶解，过低容易出现料浆结晶，导致料浆的流动性变差或者堵塞管道，离心机大多采用三足式离心机或者自动活塞推料离心机，产出率为 47%左右，根据季节有所变化，一般春冬季节高，夏秋季节低。3.4.4母液循环法工艺生产的五水偏硅酸钠的技术指标由于采用在液体中结晶生长的方法和离心脱水，导致成品中二氧化硅（SiO2）的含量偏低，而氧化钠（Na2O）的含量比造粒法相对要高，结晶体的白度低。3.4.5离心脱水后产生的“母液”其主要成分检测数据通过数据可以看出，“母液”中氧化钠（Na2O）的含量为 22.5%-23%左右，其含量相当于 30%的氢氧化钠（30%烧碱氧化钠的含量为 23.25%），基本上可以满足湿法工艺生产水玻璃对氢氧化钠最低含量的要求。3.4.6.正常情况下“母液”的利用方法按照一定的比例加入到母液循环法生产五水偏硅酸钠的配料环节重复利用，但多次使用以后五水偏硅酸钠成品颜色发黄，而且颗粒度偏小，产品吸附水高，容易产生结块，为了克服母液多次利用以后出现的产品缺陷，通过对母液成分的测试分析，决定另辟蹊径，放弃母液在五水偏硅酸钠生产环节的利用，转向用来生产湿法水玻璃，我们姑且称之为“母液法水玻璃”。4利用“母液”生产湿法水玻璃的工艺方法（“母液法水玻璃”）4.1 主要设备全不锈钢立式反应釜、石英砂喂料机、配料搅拌机、泥浆泵、中转罐、板框式压滤机、燃气锅炉等。4.2 生产用原材料“母液”，使用前需均化并检测其含量；石英砂，100 目-180 目，二氧化硅（SiO2）含量 98%以上；50%NaOH，质量符合国标规定4.3 生产工艺(1)“母液”收集进入母液池，为了防止产生结晶，需要对“母液”进行加热；(2)采用与常规的湿法水玻璃生产相同的方法进行配料，把 30%烧碱置换为母液，由于“母液”中氧化钠的含量略低于 30%烧碱，故需添加少量的 50%烧碱，以满足要求。50%烧碱的添加量，根据配料前从母液池中提取的“母液”样品检测后获得的数据计算确定。配料罐下面加装有重量传感器，所有物料均以称重添加；(3)配料完毕搅拌均匀后，利用泥浆泵把原材料送入反应釜；(4)由于“母液”的碱性稍弱，生成水玻璃的反应速度慢，我们知道水玻璃的生成，在相同的配方下，与反应压力和时间成正比，正常情况下，采用 30%烧碱生成湿法水玻璃，其充蒸汽压力一般为 0.8MPa,反应的最高压力可以达到 1.0-1.2MPa，所以采用“母液”生产湿法水玻璃，需要将充蒸汽的压力提高到 1.0MPa,保压时间 6h；(5)水玻璃生成后，打开反应釜放料阀，利用反应釜中的内压，将水玻璃压入板框式压滤机过滤，滤渣重复表 3 五水偏硅酸钠原液的配比原材料配比（%）50Be水玻璃约5650%NaOH约44表 4 五水偏硅酸钠原液的主要技术参数指标规定值氧化钠（Na2O）W/%22.1-22.5二氧化硅（SiO2）W/%6.5-7.1密度（20）/（g/ml）1.38-1.39模数0.65-0.7表 5 母液循环法工艺生产的五水偏硅酸钠的技术指标指标项目规定值二氧化硅（SiO2）W/%27.3-27.5总碱度（以Na2O计）W/%28.5-30.0水不溶物W/%0.15铁（Fe）W/%0.02白度65表 6 母液的主要成分检测值项目检测值氧化钠（Na2O）W/%22.5%-23.0%二氧化硅（SiO2）W/%5.8%-6.2%密度（20）/（g/ml）1.3920佛 山 陶 瓷2023 年第 1 期（第 318 期）（1）耐磨系数随着研磨球直径增大呈现衰减趋势。其衰减趋势是磨剥磨损机制贡献的。高耐磨产品的磨剥磨损机制占比低，意味着陶瓷球继续向高耐磨发展至磨剥磨损相对可忽略时，耐磨系数适合批量表征。（2）当量磨耗随着研磨球直径增大呈现线性增大趋势。只有当磨剥磨损机制占比超过 90%，此时冲击磨损机制可忽略，当量磨耗有利于提高测试效率。不耐磨产品的磨剥磨损为主要机制构成，当量磨耗适用于这种产品的批量表征。（3）面积磨耗的物理意义是单位面积单位时间的磨损量，可等效为无量纲单位的当量磨耗的物理意义参考文献1 秦麟卿,吴伯麟,牟善彬.陶瓷研磨球的磨损分析 J.陶瓷,2002(1):3.2宋杰光,吴伯麟,钟莲云等.工艺条件对用辊棒废料制备的中铝瓷球显微结构及性能的影响J.硅酸盐通报,2005,24(2):4.3 赵士英.球磨机转速与磨球大小对效率及能耗影响的研究D.山东科技大学.2019.4张耀生.陶瓷球粉磨水泥使用效果分析J.水泥,2018(9):3.5吕宝伟.微晶 ZrO2研磨介质球的制备与研究D.山东理工大学.2008.6JC/T 848.1-2010,耐磨氧化铝球 S.20107刘卫东,李军远,丁锐等.陶瓷研磨体耐磨、耐冲击性能测试方法研究J.陶瓷,2017(6):5.8Vermeulen L A,Howat D D.Abrasive and impactive we