高模数液体硅酸钠的生产方法及现状

王敬伟，纪发达(山东龙港硅业科技有限公司，山东 潍坊 261300)

0 引言

我国硅酸钠的生产始于1883年，至今已有130多年的历史，全国现有硅酸钠生产厂家约200余个，生产能力已达600万吨/年，生产能力和产量居世界第一位。硅酸钠是无机硅化物中的主导产品，其用途非常广泛，几乎遍及国民经济的各个部门，广泛用于制造硅胶、白炭黑、沸石分子筛及各种硅酸盐类产品，是硅化合物的基本原料，也是纺织、机械、建筑、农业等的基础工业原料。液体硅酸钠广泛应用于铸造、建筑、化工、选矿和轻工产品等许多领域，是重要的国民经济的基础材料之一。

硅酸钠的模数是其所含二氧化硅与氧化钠的摩尔比，减少水玻璃液中的钠含量，二氧化硅含量则相对升高，即可以提高水玻璃的模数，是硅酸钠的重要参数，一般在1.5～3.5之间。硅酸钠模数越大，固体硅酸钠越难溶于水，n为1时常温水即能溶解，n加大时需热水才能溶解，n大于3时，需4个大气压以上的蒸汽才能溶解。硅酸钠模数越大，氧化硅含量越多，水玻璃黏度增大，易于分解硬化，粘结力增大。硅酸钠外形有固体和液体两种，商品以液体较为普遍。液体硅酸钠为无色、微红色，透明或半透明液体，能溶于水。硅酸钠水溶液有黏性，特别是高模数的黏度很大，在市场中占据主导地位。

1 高模数液体硅酸钠的生产方法

国内外生产高模数液体硅酸钠的方法有两种，一种生产方法是干法：石英砂和碳酸钠混合后在熔窑中，熔窑多以煤炭或燃油为燃料，在1 300～1 400 ℃左右的高温下熔融后，冷却成型或水淬后以固体形态存放，绝大多数使用时要制成水溶液。模数在3.0左右的固体水玻璃，要用4个左右大气压的水蒸气溶解，冷却过滤后得到高模液体水玻璃。此种方法为高模数(M＞2.5)硅酸钠的主要生产方法，其优点是可根据需要生产不同模数的硅酸钠产品，如M为0.5～4.0，对原料的适应性较广，可用纯碱、芒硝、天然碱、氯化钠等；其缺点是基建投资高，生产高耗能，高污染，不仅燃料燃烧产生废气，而且原料碳酸钠融化后，有41%转化成二氧化碳排入大气中；因干法生产条件所限，产品质量一般较低；使用时要进行高温溶解，不方便。

另一种生产方法是湿法，石英粉和液体氢氧化钠混合后，在高压釜中，通入7个左右大气压的水蒸气反应6 h左右，即得液体水玻璃。其优点是基建投资低，能耗低，高压蒸汽温度只在180 ℃左右；几乎无污染，仅有少量未反应完全的石英粉废渣需要处理；产品质量高，根据使用要求便于调整；其缺点是虽然能耗低于干法生产，但由于处于晶体状态的石英砂结构稳定、溶解率低，原料烧碱(氢氧化钠)较贵，只能生产低模数的硅酸钠(2.5模数以下)，限制了湿法工艺的广泛应用，主要因设备压力、温度实际因素所限。

现有液体硅酸钠生产方法存在以下问题：固相法生产高模数液体硅酸钠的生产工艺流程长，设备投资大，生产所需能耗高，熔融态硅酸钠本身所含热量未得到利用；生产过程中浪费大量水资源，污染严重等问题；液相法生产工艺简单，流程短，但只能生产低模数，应用范围小，液相法应用受局限。为了推广无污染能耗低的湿法工艺，也想了许多方法，比如用部分高模数水玻璃与低模数混合；或者用酸中和部分水玻璃后制成凝胶，洗去钠离子后，将凝胶溶解后再与低模数混合等。这些方法生产成本高，工艺复杂，未能得到推广。

2 高模数液体硅酸钠的生产现状

除了以上生产工艺外，在现有工艺中，还有以含较多活性SiO2的工业废弃物、粉煤灰等为原料采用湿法制备工艺，或加入氨水、硅胶粉、无机酸等进行二次反应后，制得高模数液体硅酸钠，具体如下：

刘思彤等[1]将铁尾矿和液体碱按照比例加入反应釜中，再加入活化的催化剂SY-1，反应，将反应结束后的物料过滤，得到模数2.5～3.5的水玻璃产品。该方法能耗低、操作简单，解决了铁尾矿这一工业固体废弃物的环境和再资源化难题，既提高了铁尾矿的综合利用程度，也为铁尾矿中二氧化硅的有效利用提供了新的途径。

王敬伟等[2]以石英砂和烧碱溶液为原料，采用液相法工艺生产出模数为1.5～2.5的液体硅酸钠，过滤去除其中的固体杂质；向制得的液体硅酸钠中滴加20%～25%氨水，反应生成烧碱和聚硅酸凝胶白色沉淀，并释放氨气；将反应后的烧碱溶液部分抽出，聚硅酸凝胶与剩余烧碱溶液加热至70～90 ℃进行反应制得模数为2.5～3.4的高模数液体硅酸钠。该方法工艺流程短，能耗小，解决液相法工艺只能生产低模数硅酸钠，应用范围小的问题，并且氨水在整个流程中无损耗，无泄漏，抽出的烧碱溶液作为原料使用，充分利用资源。

胡湘仲等[3]以石英砂和氢氧化钠水溶液为原料，在一定温度压力下搅拌反应，制成模数M为2.4～2.6的硅酸钠水溶液；向其加入硅胶生产的副产品硅胶粉末，调整模数硅酸钠的模数M为3.1～3.4，通蒸汽、升温、加压、反应，过滤后制得高模数硅酸钠。该方法的硅胶粉原料易得、价格低廉，且生产流程短，能耗低，易于实现工业化生产。

周敏等[4]从硅酸钠窑炉出料口流出来的模数为3.5熔融态硅酸钠，通过带冷却水套的溜槽，按熔融态硅酸钠与水的比例为1∶1.5～3，直接加入转动溶解滚筒中，加水后通蒸汽滚动、溶解。溶解时间约为2.5 h。该方法省去了传统水淬冷却工艺，节约大量水资源，简化了工艺，无废水产生，无环境污染；利用熔融态硅酸钠所含热量加热溶液水，节能降耗，节约溶解时间，提高工作效率；满足高模数硅酸钠溶解要求。

张振慧等[5]按湿法制得低模数硅酸钠溶液，模数在2.6～2.8之间，过滤后，与无机酸(硫酸或盐酸)反应，制取水合硅酸、硅溶胶，用水合硅酸、硅溶胶调制经过滤后的低模数硅酸钠溶液，低模数硅酸钠黏度低，即使浓度高也容易过滤，使之模数提高到3.1～3.4。该方法解决了液相法生产高模数硅酸钠，并且解决了高模数硅酸钠的过滤问题，可实现当天生产当天产成品，减少成品贮存容器和场地，节约设备投资。

王宇晖[6]以高纯水将高模数硅酸盐溶液稀释，用活性炭对其进行吸附处理，除去溶液中的杂质，再经过阳离子交换树脂，得到pH值为2～4的酸性聚硅醚醇，减压蒸发浓缩，按聚硅醚醇与含氮有机溶剂的重量比为1∶1加入含氮有机溶剂，减压蒸馏，直至将水蒸净，当模数达到目标值时降温，在搅拌下用氨水调整pH值至中性，加入氢氧化钠或氢氧化钾或氢氧化锂，加水，升温，减压蒸馏，用水调整固含量至预设范围，即得到超高模数硅酸盐。

程芳琴等[7]将粉煤灰与氢氧化钠溶液按固液比为1∶2～1∶4混合，在90～100 ℃下反应，过滤分离得到脱硅灰和脱硅液，将脱硅灰与粉煤灰、钠盐混合研磨，在850～900 ℃下焙烧，将焙烧产物与20%盐酸溶液混合，在80～90 ℃下反应，过滤、水洗得到酸浸渣，将酸浸渣与脱硅液按照固液比为1∶2～1∶5混合，在70～100 ℃下加热反应，过滤得到高模数水玻璃。该方法从粉煤灰中提取二氧化硅制备高模数液体硅酸钠产品，不仅可以缓解粉煤灰产生的环境问题，也可产生一定的经济价值。

夏举佩等[8]以煤矸石酸浸渣为原料，破碎，按酸渣中SiO2的摩尔量配烧碱，加水调整液固重量比，在90～95℃温度和常压下，进行碱溶反应，反应结束，趁热过滤，得低模数水玻璃，在低模数水玻璃中再加入煤矸石酸浸渣，在相同操作条件下，进行提模反应，反应终了，趁热过滤，得高模数水玻璃。该方法碱溶时生产的水玻璃模数低，保证了碱溶时硅的高溶出率和滤饼良好的过滤、洗涤性能，碱溶水玻璃模数的提高用继续添加酸渣来实现，提模后的酸渣过滤后直接返回碱溶，不需洗涤；反应条件温和、工艺简单、操作方便，不涉及高温、高压设备，同时解决了煤矸石制备水玻璃模数低的问题。

3 结语

在我国，高模数液体硅酸钠正处在高速发展的阶段。高模数液体硅酸钠作为广泛用于各种工业生产的化工原料，受到国内外客户的高度认可，通过采用新的技术与工艺，使得高模数硅酸钠液体的质量得到明显的改善与提高。但现有技术还有待提高与改进，如使用经高温老化后的石英，相应也提高了能耗，成本也较高；用二氧化硅胶冻调低模数硅酸钠的模数再浓缩，工艺复杂，周期太长，设备多；使结晶二氧化硅转化为方石英，同样消耗大量的热能；

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，后处理费用多，产品成本相应也较高。高模数液体硅酸钠的生产应通过技术改造、技术升级，进一步优化生产工艺，降低生产成本，向高效、优质、综合性等多方面发展，从而促进整个硅酸钠行业的健康发展，实现更大的社会效益和经济效益，其利用空间很大，具有广阔的应用前景。