五水偏硅酸钠生产工艺的研究

王敬伟，纪发达(山东龙港硅业科技有限公司，山东 潍坊 261300)

1 引言

偏硅酸钠是硅酸的一种盐，属于无机盐产品，偏硅酸钠，分子式Na2SiO3·nH2O，是一种无毒、无味的白色粉末或结晶颗粒，易溶于水，不溶于醇，水溶液呈碱性。偏硅酸钠产品置于空气中易吸湿潮解，具有去垢、乳化、分散、湿润、渗透性。产品有零水、五水和九水合物。随着国内工业偏硅酸钠行业的发展，生产规模及产品质量有了很大提高，下游产业的快速发展，导致市场需求增长迅速，使用领域也得到拓展。

五水偏硅酸钠外观为白色粉末或结晶状流动性颗粒，相对堆积密度为0.8～1.0 g/mL，熔点72.2 ℃，在空气中易吸湿潮解；去污能力强。主要用作各种洗涤剂，产品作为洗涤助剂，能替代三聚磷酸钠，生产无磷、低磷洗涤剂，以降低洗涤剂中的磷含量，提高洗涤剂的去污能力，使污垢悬浮，而不沉积在洗物上，对污垢起浮化作用，易于清洗，添加五水偏硅酸钠的洗涤剂易使洗物湿润，提高渗透力，增加洗涤剂碱性，以缓冲污垢的酸性，且不腐蚀洗物，不刺激皮肤，对水质有良好的软化作用。五水偏硅酸钠作为助剂的主要原料，在纺织印染工业的前处理中用于棉纺等的蒸煮漂白、造纸行业的去污漂白、纸张脱墨剂、陶瓷助磨减水剂、混凝土减水剂等领域。同时，还广泛应用于化学纺织品阻燃剂、耐火剂原料、保塑保水剂原料、矿物油回收、建筑冶金工业分散剂和快干剂、油田钻井快凝剂、水质处理，沸石制备等方面。

2 五水偏硅酸钠生产工艺

传统生产方法为将偏硅液体静置于不锈钢盘中并投加一定量的晶种，在自然环境下降温至结晶温度，直至在不锈钢盘中结晶为一体，经过人工用风镐或电镐将盘中结晶的五水偏硅酸钠破碎成大块，再将大块料投入到粉碎机粉碎后得到五水偏硅酸钠产品。主要存在以下不足：一是间歇式生产方法，生产效率低，工人操作强度大；自然冷却结晶时间长，夏季结晶时间达到20 h以上；二是粉碎后产品纯度低，不经过筛分，其成品粒度不均匀，颗粒表面不规则，从而导致产品白度低，储存时间短等问题。

目前国内外五水偏硅酸钠工艺流程主要有三种：

(1)连续造粒法，也称一次造粒法，是将过滤调模后的偏硅酸钠溶液降温至固化相变点，同时加入晶种混合，促进偏硅酸钠液体在晶种表面蓄积结晶，经过冷却、造粒及筛分工序，制得具有高纯度、高白度且产品颗粒均匀的产品，该生产方法可实现连续化生产、操作安全，降低了投资及操作成本，降低了生产人员的劳动强度。

(2)结晶脱水法，又称母液循环法，是将偏硅酸钠溶液加到具有一定组分的母液中，结晶分离干燥即得五水偏硅酸钠，母液返回下次配料循环使用。该方法无需反复加热冷却，节约能耗；生产过程中，结晶时间短，各项指标可达到标准要求。该法的主要缺点是粒度太细，产品在母液中夹带太多，影响了产品质量；不同温度下平衡液相组成处于高碱低硅范围，黏度较大，生产时母液量大；随液相温度降低相邻水合物可互相转化，结晶水会变化，结晶区域及位置也会发生变化；产品出现大量混晶，造成产品不合格，还存在着母液量大，母液循环使用和产品干燥困难等问题；在干燥过程中亦易造成局部超温，部分过量脱水造成成品易发粘结块。

(3)结晶粉碎法，是将硅酸钠溶液调模后，蒸发至指定波美度，加晶种搅拌混匀，经破碎、粉碎、筛分制得成品。该方法的优点是生产工艺简单，设备投资小、成本低，主要缺点是间歇式生产，生产效率低，工人操作强度大，产品纯度低，产品质量不稳定，易吸潮结块，储存时间短，生产耗时较长，气温及环境对结晶时间及产品质量影响较大。

五水偏硅酸钠的常规生产方法是以石英砂和烧碱为原料，将一定浓度的氢氧化钠溶液和石英砂按照一定比例混合后在一定温度下反应，再进行调模、结晶和干燥等工艺生产而成。除了以石英砂为原料的主要生产工艺外，在现有工艺中，还有以氟硅胶、微硅粉、矾泥酸解滤饼、油页岩废渣、氧氯化锆废水、废硅胶、粉煤灰、废玻璃等为原料采用湿法或干法的制备工艺，具体如下：

明大增等[1]以含氟硅胶为原料，与液碱混合配料，在80～100 ℃条件下反应4 h，反应至溶液浓度为35%～44%时，冷却，加入晶种，结晶后降温，分离干燥制得五水偏硅酸钠成品。该方法能有效地回收利用氟硅酸制备氢氟酸过程中产生的副产含氟硅胶，变废为宝，避免环境污染。

胡天喜等[2]以微硅粉为原料，与氢氧化钠固体和水混合，获得氢氧化钠质量浓度为37%～39%的混合液，将所述混合液置于60～80 ℃条件下反应30～90 min，然后将反应后的混合液进行过滤，取过滤后的清液进行调模，调整模数为0.6～1.6，将调模后的清液于40～52 ℃条件下进行结晶，获得所述五水偏硅酸钠。该方法可以缩短反应时间，无需在高温高压条件下进行，可以有效降低生产的能耗，且反应条件便于控制，将微硅粉变废为宝，实现资源循环利用。

王嘉兴[3]以矾泥酸解滤饼为原料，将矾泥用水进行充分水解，过滤后的滤饼送入腐蚀反应器与盐酸按质量比1∶0.74～1.14进行反应，再次过滤的滤液与氢氧化钠按质量比1∶1.11～1.51进行反应，再次过滤，热滤过程中温度为1 100±2 ℃得到水玻璃，滤液水玻璃送入减压蒸馏器进行减压蒸馏，当溶液含水量达到五个结晶水时，排出后用冷却器、洗涤甩干机、干燥器、粉碎机进行冷却、洗涤甩干，干燥和粉碎后检斤包装得到五水偏硅酸钠晶体产品。该方法可把矾泥进行分解消化利用，一是通过水解把水溶性的物质提取出来作为液相治理；二是把水溶性提取之后的滤饼进行酸溶提取作为固相治理；三是将酸溶提取后的废渣继续作为固相处理回用。既实现废渣再利用，又降低了废渣对环境的污染。

韩放等[4]以油页岩废渣为原料，取200～300目的油页岩废渣在550～650 ℃下活化2～3 h，按照1∶1～4的质量比加入硫酸溶液，密闭酸浸4～6 h后，保持溶液的密度为1.25～1.3×103kg/m3，热过滤分别得油页岩废渣及溶液，油页岩废渣水洗液pH值为3～5，得到二氧化硅含量为70%～80%的硅渣，将硅渣与NaOH溶液按SiO2∶Na2O摩尔比为0.5～1.0的配比混合，在130 ℃下密闭反应3～5 h，过滤后得到水玻璃溶液，加热蒸发至溶液浓度为40%～55%，迅速冷却到60 ℃，降温至55 ℃，加入晶种，温度降低到40 ℃，抽滤得到五水偏硅酸钠晶体产品。

该方法提高了油页岩废渣的利用率，同时避免了废渣的大量堆积，减少了占地面积，降低了环境污染。

余丽秀等[5]以氯氧化锆生产排放废水为原料，将原料进行预处理，配料、加热、浓缩后，降低温度至50～60 ℃、加入成核剂和成核助剂、搅拌、匀速降温、沉降结晶，制得结晶五水偏硅酸钠，经过干燥、分离，制得五水偏硅酸钠成品。该方法充分利用氧氯化锆生产中产生的废水，实现了资源充分利用，无二次废弃物排放，降低氯氧化锆生产成本。

薛彦辉等[6]以废硅胶为原料，将废硅胶进行预处理，经压滤、干燥，制得水合二氧化硅；除杂后蒸发浓缩，降温冷却到55 ℃后，加入晶种，降温冷却制得晶体五水偏硅酸钠，烘干后即可得到五水偏硅酸钠成品。该方法将副产物废硅胶充分利用，变废为宝，减少了资源浪费，又防止环境污染。

秦晋国[7]以粉煤灰为原料，将粉煤灰与质量分数为25%～40%的氢氧化钠溶液按1～2∶1的液固比混合，于氢氧化钠溶液沸点温度下碱解粉煤灰中的二氧化硅，使之生成硅酸钠溶液，稀释过滤得到模数为0.4～0.8的硅酸钠溶液；取部分硅酸钠溶液，用二氧化碳气体碳分制备非晶水合二氧化硅，过滤分离，得到碳酸钠溶液和非晶水合二氧化硅滤饼；配制成SiO2与Na2O质量比=1∶0.8～1.2的结晶原液，过滤去除悬浮物，升温浓缩，降温结晶，至35 ℃进行固液分离，得到五水偏硅酸钠。该方法实现了高铝粉煤灰资源化再利用。

胡明玉等[8]以废玻璃为原料，将浓度为20%～36%的NaOH溶液与废玻璃粉按质量比为3.5～6∶1混合，加热至90～100 ℃，反应50～150 min；冷却至50～60 ℃，边搅拌边加入晶种，同时加入分散剂，降温，析晶；30～35 ℃温度下，烘干120～260 min，即得到五水偏硅酸钠产品。该方法可以充分利用废玻璃中的主要成分二氧化硅和氧化钠，利用废弃资源，降低生产中烧碱用量，具有节能、降耗、降低生产成本的优点。

3 结语

现有五水偏硅酸钠的生产方法，一般都有反应、过滤、冷却、造粒及筛分工序。主要区别是原料以及原料的前处理工艺有所不同。以液碱和石英砂为原料，生产成本较高，但冷却结晶时间短，生产效率高，产品纯度高；而采用废弃物或廉价原材料为原料，由于杂质不易去除和工艺过程难控制等原因，则工艺流程长，设备复杂，后处理费用多，产品成本相应也较高，在生产应用方面上均存在应用规模及范围的限制。