五水偏硅酸钠制备工艺现状*

缪应菊，连明磊，胡江良，陈定梅

（六盘水师范学院化学与化学工程系，贵州六盘水 553004）

五水偏硅酸钠制备工艺现状*

缪应菊，连明磊，胡江良，陈定梅

（六盘水师范学院化学与化学工程系，贵州六盘水 553004）

五水偏硅酸钠被广泛应用于洗涤产品，作为含磷洗涤助剂三聚磷酸钠的理想替代品。阐述了溶液结晶法和一次造粒法生产五水偏硅酸钠的各种生产工艺和生产原料，并比较了两种方法的优点和缺点。结合中国的国情，即工业高速发展的同时废液和废渣大量排放，环境污染治理刻不容缓，指出中国应充分发展适合不同生产规模且对原料品质要求不高的溶液结晶法制备五水偏硅酸钠，并且对溶液结晶法生产中存在的一系列问题提出相应的解决措施。

五水偏硅酸钠；制备工艺；现状

五水偏硅酸钠是指二氧化硅与氧化钠物质的量比（简称硅钠比）为1、含有5个结晶水的白色颗粒状或粉末状产品，其晶体的分子式通常写作Na2SiO3·5H2O或Na2O·SiO2·5H2O。五水偏硅酸钠具有稳定的强碱性，易溶于水，无毒无味，对油脂、污垢、黏土有较强的分散乳化作用，对洗涤液pH有极强和极宽的缓冲作用，因此被广泛应用于洗涤产品中，作为含磷洗涤助剂三聚磷酸钠的理想替代品［1-2］。五水偏硅酸钠除具有上述作用外，对金属、玻璃、陶瓷表面有防腐蚀和光泽保护作用，对橡胶、塑料、木材、纸张等化工、建材产品有隔潮、防水等作用。

阐述了溶液结晶法和一次造粒法制备五水偏硅酸钠的各种生产工艺和生产原料，并比较了两种方法的优点和缺点。结合中国的国情，讨论了溶液结晶法制备五水偏硅酸钠存在的问题及相应的解决措施。

1 五水偏硅酸钠生产工艺

五水偏硅酸钠的生产通常是用石英砂和纯碱（烧碱）反应生成硅酸钠，再以烧碱调节硅钠比而制得，也可以直接以硅酸钠和烧碱为原料进行制备。目前，五水偏硅酸钠的生产方法有溶液结晶法、熔固结晶法、造粒法等。中国生产该产品的方法主要以溶液结晶法和一次造粒法为主，因此主要阐述国内这两种方法的生产现状。

1.1 溶液结晶法

溶液结晶法是将工业水玻璃及工业烧碱配至固形物（SiO2+Na2O）质量分数为30％～50％、硅钠比为0.3～1，在一定温度范围内结晶，然后进行固液分离、干燥，得到结晶状五水偏硅酸钠产品。其工艺流程见图1。

图1 溶液结晶法制备五水偏硅酸钠工艺流程

郑典模等［3］以稻壳为原料，对稻壳进行预处理后在600℃条件下燃烧，将一定量稻壳灰与氢氧化钠反应4h再程序降温7h，然后分别加入1％（质量分数）晶种和0.1％～0.3％（质量分数）表面活性剂，制得五水偏硅酸钠。制得的五水偏硅酸钠总碱量（氧化钠质量分数）为28.4％，二氧化硅质量分数为28.8％，白度为74.1％，熔点为72℃，符合HG/T 2568—2008《工业偏硅酸钠》中五水偏硅酸钠产品标准。

原淑爱［4］以泡花碱和烧碱为原料，将一定量泡花碱加热到50～60℃，加入液体烧碱并调整溶液配料比［n（Na2O）/n（SiO2）］为1.6～1.8，反应1h后将溶液蒸发浓缩至固含量为56％～58％（质量分数），加入产品质量1/15的晶种并进行程序降温，离心分离后在65℃条件下鼓风干燥得到产品。所得产品质量：w（Na2O）=29.56％，w（SiO2）=28.63％，w（Fe）=0.02％，w（水不溶物）=0.12％，白度为80％，达到HG/T2568—1994《工业偏硅酸钠》标准要求。

薛彦辉等［5］以废硅胶为原料，调整溶液配料比［n（SiO2）/n（Na2O）］为0.5～0.8，在90～100℃条件下浓缩混合溶液密度至1.320～1.530g/cm3，自然降温到55℃，加入0.5％（质量分数）晶种，过滤干燥制得五水偏硅酸钠。所得产品质量：w（Na2O）=28.5％，w（SiO2）=27.3％，达到HG/T 2568—2008《工业偏硅酸钠》中五水偏硅酸钠一等品标准要求。

合成沸石原粉生产过程中会产生大量稀碱液，其主要成分是NaOH和SiO2，大部分因为难于回收而排掉，不仅浪费碱资源，而且造成环境污染。余丽秀等［6］以上述除杂后废液为原料，采用泡花碱调整溶液配料比［n（Na2O）∶n（SiO2）］为（1.9～2.3）∶1，将溶液浓缩至（Na2O+SiO2）质量分数为32％～42％，以1℃/min程序降温，在降温结束前0.5h加入结晶液总量0.005％～0.015％（质量分数）的表面活性剂，分离、干燥可制得符合HG/T 2568—1994《工业偏硅酸钠》要求的产品。使用该方法生产五水偏硅酸钠，其成本较通常方法可降低25％，还可解决稀碱液对环境的污染，具有较好的环境、经济和社会效益。

于少明等［7］研究了由蛇纹石提镁残渣制备五水偏硅酸钠的方法。首先将蛇纹石提镁残渣在液固质量比为2.5∶1、NaOH质量分数为20％、矿浆沸点温度下碱浸30min，提镁残渣中活性二氧化硅浸出率可达96.2％。再以氢氧化钠调整结晶溶液硅钠比为0.4～0.6，按平均降温速率分别为0.05～0.1℃/min和0.2～0.4℃/min分两个阶段程序降温，并且晶种加入量按1kg溶液中加入5g晶种（粒度为50～200μm），结晶结束后过滤、干燥，可得到符合HG/T 2568—1994《五水偏硅酸钠》要求的产品。而且该方法具有制备工艺条件温和、调节硅钠比结晶过程无需蒸发浓缩、能耗低等特点。

唐锦近［8］利用磷肥副产的硅胶为原料，采用母液循环利用的方法制备五水偏硅酸钠。结果表明：在氢氧化钠质量分数为40％～50％、氢氧化钠和二氧化硅的配料比［n（Na2O）∶n（SiO2）］为1.9～2.1、反应温度为91℃、反应时间为1.0～1.5h、溶液结晶质量分数为36％～42％、溶液中晶种添加量为0.75％～2.0％（质量分数）、结晶时间为3～5h条件下，可生产出产品质量达到HG/T 2568—1994《五水偏硅酸钠》优等品要求的五水偏硅酸钠。

李国庭等［9］在带有搅拌器的反应装置中加入一定量质量分数为30％的烧碱，然后不断向反应器中加入酸解铝矿石、蛇纹石等非金属矿时产生的活性SiO2，直至m（NaOH）∶m（SiO2）=4∶3.3，同时将反应器加热升温到60～70℃并保温反应1h，调整n（Na2O）∶n（SiO2）为0.99～1.02并趁热过滤，滤液在115℃下浓缩至一定浓度，自然降温至50～55℃，加入晶种移至结晶槽，结晶结束后离心分离、流化床干燥，即得到五水偏硅酸钠产品。所得产品质量：总碱量w（Na2O）=29.5％，硅含量w（SiO2）=27.97％，w（水不溶物）=0.14％，铁含量w（Fe3+）=0.047％，产品性能达到国内外同类产品先进水平（BS 3894—1982《硅酸钠规范》，HG/T 2568—1994《五水偏硅酸钠》）的五水偏硅酸钠产品。

张首才等［10］介绍了以天然硅灰石为原料制备五水偏硅酸钠的方法。首先将天然硅灰石与质量分数为50％的H2SO4反应，制备五水偏硅酸钠原料之一硅酸，然后以制得的硅酸和氢氧化钠反应，通过调整硅钠比以及浓缩、降温、结晶等工序，制得五水偏硅酸钠。此方法特点：天然硅灰石来源广泛，除去杂质操作简便，能耗较低。

张连红等［11］将合成4A沸石的废碱液和水玻璃在0.4MPa下加压反应4h至硅钠比为1，然后在115～117℃温度下浓缩至固含量质量分数为55％，采用碱液调整硅钠比至0.5，待溶液降温至55℃时移入结晶槽，添加一定量晶种和添加剂，待结晶结束，在55℃温度下干燥1h，即得到五水偏硅酸钠产品。

余丽秀等［12］将生产氯氧化锆排放的废水（氧化钠质量分数为5％～15％、二氧化硅质量分数为2％～10％），在90～98℃条件下搅拌加热12～18min，然后在45～55℃条件下沉降3.5～4.5h，经过滤、蒸发浓缩，得到制备五水偏酸钠的原料。再以高硅钠比硅酸钠调整氧化钠和二氧化硅质量分数分别为20％～25％、8％～15％，在55～65℃温度下加热0.5～1h，然后以5～8℃/h的降温程序降温至50～60℃，再加入晶种结晶1～2h，然后经过滤、干燥，制得五水偏硅酸钠产品。该方法具有简便可行、原料组分新颖、资源利用充分、产品质量稳定、成本相应较低、无二次废弃物排放的优点，尤其是能有效治理氯氧化锆生产排放的废水，保护生态环境，降低氯氧化锆的生产成本。

胡明玉等［13］介绍了一种以废玻璃为硅源制备五水偏硅酸钠的方法。首先将废玻璃进行预处理，与质量分数为20％～36％的氢氧化钠溶液按照质量比为（3.5～6）∶1混合均匀。将此固液混合物在搅拌条件下加热至90～100℃反应50～150min，反应结束后冷却至50～60℃并加入0.5％～1％（质量分数）的晶种及0.1％～0.5％（质量分数）的十二烷基硫酸钠，自然降温结晶、分离过滤、干燥后即可制得五水偏硅酸钠产品。该方法充分利用废玻璃资源，降低生产中烧碱用量，减少反应时间，既能降低生产能耗又降低了生产成本。

秦晋国［14］发明了一种以煤系固体废弃物粉煤灰为原料制备五水偏硅酸钠的方法。首先用氢氧化钠碱浸粉煤灰以制备硅钠比为0.4～0.8的硅酸钠溶液，然后取部分此硅酸钠溶液碳化制取活性二氧化硅再与剩余硅酸钠溶液混合，配制成n（Na2O）∶n（SiO2）=1∶（0.8～1.2）的结晶原液，结晶原液经过滤除杂、升温浓缩、降温结晶等工序制备出五水偏硅酸钠产品。该方法工艺简单，原料廉价，易于产业化且有较大的经济和环境效益。

1.2 一次造粒法

造粒法是将工业水玻璃及工业烧碱配至固形物（SiO2+Na2O）质量分数为50％～60％、硅钠比约为1，经精制、过滤，再在一旋转设备中与五水偏硅酸钠粉末状返料进行结晶、造粒、干燥（介质为热空气，温度为50℃左右），所得产品经筛分，合格品作为成品进行包装，大颗粒经破碎与细颗粒一同返回作为返料。其工艺流程见图2。

图2 一次造粒法制备五水偏硅酸钠工艺流程

黄仁和等［15］介绍了一种以铝矾土提取硫酸铝废渣和氧氯化锆副产废碱液为原料生产泡花碱，然后利用一次造粒法生产五水偏硅酸钠的新工艺。采用该工艺生产的五水偏硅酸钠产品质量指标达到HG/T 2568—1994《五水偏硅酸钠》要求，而且该工艺成本低，避免了废碱液及废渣排放对环境的污染。

2 五水偏硅酸钠生产方法比较

中国主要以溶液结晶法和一次造粒法生产五水偏硅酸钠，两种方法优点和缺点见表1。

表1 溶液结晶法和一次造粒法生产五水偏硅酸钠优缺点

3 五水偏硅酸钠生产原料

综上所述，五水偏硅酸钠生产原料来源广泛，可采用工业水玻璃、天然硅灰石、稻壳、合成沸石或氯氧化锆排放的废液、磷肥副产硅胶、提镁残渣、煤系固体废弃物粉煤灰或煤矸石等。目前中国的国情是，工业高速发展，废液、废渣等大量排放，在经济快速增长的同时对环境污染的治理刻不容缓。为解决这一发展矛盾，应充分发展适合不同生产规模且对原料品质要求不高的溶液结晶法制备五水偏硅酸钠。

以粉煤灰（硅源）制备五水偏硅酸钠为例。目前，中国粉煤灰堆存总量高达10亿t，且仍以每年0.8亿～1.0亿t的速度增长，粉煤灰颗粒小、质轻，易造成二次扬尘，加重“雾霾”污染，且大量堆存占用大量土地资源。粉煤灰中二氧化硅平均质量分数约为52％，而溶液结晶法对原料要求不高，且适合任何规模的工业生产。因此，为避免经济增长和生态环境污染的矛盾，可以采用延长产业链的方法。可以工业废液、废渣为原料（硅源/碱源），采用溶液结晶法生产五水偏硅酸钠联产其他化工产品，发展一条绿色、和谐、适合中国区域发展的工业产业链，在消耗工业废物的同时还保护了生态环境，使得社会、经济效益显著增长。

4 存在的问题及建议

为解决五水偏硅酸钠生产成本与产品性能问题，结合中国国情，可以大量工业排放废液、废渣为原料，采用溶液结晶法生产五水偏硅酸钠。但溶液结晶法存在如下问题：1）母液难处理；2）产品颗粒度难控制；3）产品易结块。针对上述问题可以采取如下措施：1）对于母液循环利用易影响产品白度和水不溶物含量问题，可采用添加无机絮凝剂对母液进行处理再利用；2）对于产品颗粒度难控制问题，可以在五水偏硅酸钠结晶搅拌过程中，采用麦克式搅拌或超声波等，不仅可以使结晶产品粒度均匀，还可以改善产品外观，而且便于产品分离、干燥与贮存；3）对于产品易结块的情况，可以对产品进行防结块处理，如在溶液结晶过程中添加防结块剂（磷酸盐、碳酸盐、阴离子表面活性剂）等，不仅可以改善产品的结块现象，还可以提高产品的白度。因此，五水偏硅酸钠产品的生产，应结合中国的工业发展现状，在保证经济快速增长的同时，又发展和谐、绿色生态环境。

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Present situation of preparation technology of sodium metasilicate pentahydrate

Miao Yingju，Lian Minglei，Hu Jiangliang，Chen Dingmei
（Department of Chemistry and Chemical Engineering，Liupanshui Normal University，Liupanshui 553004，China）

Sodium metasilicate pentahydrate was widely used in washing products，which was an ideal substitute for phosphorus-based detergent assistant，sodium tripolyphosphate.Various production technologies and raw materials of pentahydrate sodium metasilicate by aqueous crystallization method and one-shot pelletizing method were expounded，and the advantages and disadvantages of two methods were compared.Combined with China′s situation：with rapid development of industry，as a large number of waste liquid and residue was emitted，environmental pollution control was of great urgency.It pointed out that China should fully develope aqueous crystallization method，which was suitable for different production scales and had low raw material quality requirement.And a series of solving measures were put forward for the problems that existed in the aqueous crystallization method.

sodium metasilicate pentahydrate；preparation technology；present situation

TQ127.2

A

1006-4990（2014）12-0008-04

2014-06-16

缪应菊（1983— ），女，硕士，讲师，主要从事固体废弃物的资源化利用研究。

贵州省教育厅资助项目“煤系固体废弃物资源化利用特色重点实验室”（［2011］278）；贵州省教育厅自然科学研究项目“粉煤灰制备五水偏硅酸钠联产氧化铝的工艺研究”（黔教合KY字［2013］201）。

联系方式：egomyj@163.com