林慶娜，馮曉文3，汪陽(yáng)，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(wú)機(jī)鹽產(chǎn)品，分子式為：Na2O3Si，是一種無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)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(rùn)、滲透性及對(duì)PH 值有緩沖能力。

國(guó)際上比較先進(jìn)的零水偏硅酸鈉生產(chǎn)工藝是利用純凈的硅酸鈉和燒堿水熱反應(yīng)，干燥、結(jié)晶造粒后篩分獲得成品，產(chǎn)品質(zhì)量能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品白度低，水溶性差。

隨著中國(guó)建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，零水偏硅酸鈉被引入到陶瓷原料制備，成為一種性價(jià)比較高的陶瓷泥漿解膠劑，其中有一種生產(chǎn)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(zhuǎn)窯經(jīng)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(lái)生產(chǎn)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(chǎn)零水偏硅酸鈉的原材料選擇、設(shè)備選型、工藝控制、產(chǎn)品檢測(cè)等內(nèi)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(dòng)性、懸浮性和抗觸變性，提高噴霧塔的產(chǎn)量，減少噴霧造粒對(duì)能源的消耗，是一種能夠助推陶瓷企業(yè)節(jié)能減排、綠色低碳和可持續(xù)發(fā)展的陶瓷新材料。

2.2 硅酸鹽解膠劑的主要品類和解膠機(jī)理

陶瓷行業(yè)常用的解膠劑，主要包括硅酸鹽類、磷酸鹽類和有機(jī)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(wú)機(jī)鹽，此類解膠劑的解膠機(jī)理是間接陽(yáng)離子置換反應(yīng)，使粘土水化層分子數(shù)多的Ca2+、Mg2+等吸附的水釋放出來(lái)，增加泥漿中自由水的含量，達(dá)提高流動(dòng)性的效果。

我們知道粘土膠粒的吸附層和擴(kuò)散層構(gòu)成粘土膠粒的擴(kuò)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(duì)滑動(dòng),不易因碰撞而黏結(jié)聚沉,這樣就能提高泥漿的穩(wěn)定性和流動(dòng)性。粘土吸附不同的陽(yáng)離子會(huì)使膠核附近的吸力和斥力發(fā)生變化,吸力大時(shí)泥漿容易絮凝沉淀,斥力大時(shí)，能使泥漿解凝,保持良好的懸浮狀態(tài)，實(shí)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(yáng)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(wú)機(jī)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(duì)比

表1 不同類型的硅酸鹽產(chǎn)品泥漿解膠能力對(duì)比試驗(yàn)情況。

表1 不同類型的硅酸鹽產(chǎn)品泥漿解膠能力對(duì)比試驗(yàn)

表2 石英粉燒堿焙燒法零水偏硅酸鈉泥漿解膠能力試驗(yàn)

3 幾種典型的零水偏硅酸鈉生產(chǎn)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(guò)窯爐高溫作用對(duì)產(chǎn)品中的水進(jìn)行干燥和脫除，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于高溫反應(yīng)(1000℃左右)，可徹底將產(chǎn)品中的結(jié)晶水去除，得到真正意義上的無(wú)水偏硅酸鈉。

此方法制得的產(chǎn)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(shè)備等工業(yè)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(chǎn)品。

但由于需要先將石英砂和氫氧化鈉反應(yīng)生成液體硅酸鈉，也就是水玻璃，然后再與氫氧化鈉混合，經(jīng)高溫焙燒獲得零水偏硅酸鈉，此方法工藝比較復(fù)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(shè)備。

用煤炭或者發(fā)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，?；鸱帕?，冷卻后粉碎為顆粒狀，即為零水偏硅酸鈉產(chǎn)品。

此工藝生產(chǎn)的零水偏硅酸鈉產(chǎn)品，水溶性差，夾雜有未反應(yīng)的石英砂和燒蝕剝離的耐火材料，產(chǎn)品純度低，而且作業(yè)環(huán)境差，勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境有影響，已經(jīng)逐步被淘汰。

3.3 石英粉燒堿焙燒法

3.3.1 生產(chǎn)工藝

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

（2）用泥漿泵該混合液送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)；

（3）旋轉(zhuǎn)窯的材質(zhì)為316L 不銹鋼，長(zhǎng)度為15m，分為預(yù)熱段、燒成段、冷卻段，預(yù)熱段位置稍高于冷卻段，以方便所述偏硅酸鈉溶液進(jìn)入后流動(dòng)以及成品出窯；

（4）采用發(fā)生爐煤氣或者天然氣為燃料，最高燒成溫度800℃；

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

（6）產(chǎn)品從窯尾自動(dòng)掉落在其下的料槽中，當(dāng)物料溫度下降到30℃時(shí)檢斤、包裝。

3.3.2 石英粉燒堿焙燒法的特點(diǎn)

（1）方法特點(diǎn)

①原料價(jià)廉易得，生產(chǎn)成本低；

②生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)潔明了，易于操作；

③采用離子膜液堿及細(xì)石英砂，反應(yīng)易于進(jìn)行，質(zhì)量穩(wěn)定；

④燒成溫度800℃左右，能耗較低。

（2）產(chǎn)品特點(diǎn)。

①Na+含量高，單位用量的陽(yáng)離子置換能力強(qiáng)，可顯著提高陶瓷泥漿的流動(dòng)性、懸浮性和觸變性，滿足噴霧干燥要求，產(chǎn)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(shí)間內(nèi)提高噴霧塔出粉產(chǎn)量10%左右；

③有一定的助磨潤(rùn)滑作用，能提高工效，節(jié)省電力能耗；

④不與模具材料發(fā)生反應(yīng)，延長(zhǎng)模具壽命，并具有較好的脫模效果；

⑤用量少，可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，性價(jià)比高可較大幅度地降低生產(chǎn)成本；

⑥加料過(guò)量會(huì)出現(xiàn)反凝現(xiàn)象。

由于產(chǎn)品具有以上優(yōu)勢(shì)，因而被陶瓷企業(yè)大量采用，成為一種既具備傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的零水偏硅酸鈉的性能，而制造成本相對(duì)較低的偏硅酸鈉產(chǎn)品。

（3）不足之處

①采用316L 不銹鋼的筒體，在強(qiáng)堿高溫條件下，窯爐的使用壽命較短，特別是燒成帶，易產(chǎn)生腐蝕銹穿現(xiàn)象，需要定期進(jìn)行修復(fù)；

②微粉狀產(chǎn)品，容易揚(yáng)塵，對(duì)作業(yè)環(huán)境有一定影響。

本實(shí)驗(yàn)土樣為廣東清遠(yuǎn)某陶瓷公司仿古磚坯體配方土，實(shí)驗(yàn)用水為該廠大生產(chǎn)用水，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，兩種方法生產(chǎn)的零水偏硅酸鈉對(duì)泥漿的解膠效果相當(dāng)。

4 濕法水玻璃生產(chǎn)

4.1 濕法水玻璃生產(chǎn)工藝

濕法水玻璃生產(chǎn)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(yīng)釜，然后利用蒸汽、導(dǎo)熱油或者電加熱，在0.8-1.0MPa 下，反應(yīng)6h 生成液體硅酸鈉，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)壓濾或者真空吸濾，獲得較清澈的水玻璃產(chǎn)品，該工藝系一步法生產(chǎn)水玻璃，周期短、工藝簡(jiǎn)單，且可以批量復(fù)制，能迅速形成規(guī)模，是當(dāng)前比較先進(jìn)的濕法水玻璃生產(chǎn)工藝。

4.2 濕法水玻璃生產(chǎn)的缺陷

濕法水玻璃生產(chǎn)，需要將從反應(yīng)釜出來(lái)的料漿進(jìn)行過(guò)濾，才能獲得合格的水玻璃產(chǎn)品，為了確保水玻璃反應(yīng)充分，模數(shù)達(dá)到規(guī)定值，一般在配料時(shí)，會(huì)對(duì)石英砂采取過(guò)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(fù)利用，但經(jīng)過(guò)2-3 次的使用后，由于顆粒過(guò)于細(xì)小，且呈粘稠狀，導(dǎo)致水玻璃的過(guò)濾困難，此時(shí)的濾渣就不能再進(jìn)行使用，應(yīng)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(xué)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(chǎn)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(lái)生產(chǎn)固體陶瓷泥漿解膠劑，但由于用量非常少，無(wú)法有效消納，堿性廢渣的處理成為濕法水玻璃生產(chǎn)的難題。

表3 濕法水玻璃濾渣的化學(xué)成分表

表4 不同工藝生產(chǎn)的零水偏硅酸鈉泥漿解膠能力實(shí)驗(yàn)

5 利用濕法水玻璃濾渣生產(chǎn)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(chǎn)零水偏硅酸鈉的原材料是石英粉和氫氧化鈉，石英粉的細(xì)度≮150 目，燒堿含量≮30%，而濕法水玻璃生產(chǎn)后產(chǎn)生的濾渣，通過(guò)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(chǎn)零水偏硅酸鈉的原材料石英粉置換為水玻璃濾渣，從化學(xué)成分看是可行的。

第一，濾渣中二氧化硅的絕對(duì)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(jīng)過(guò)反應(yīng)釜中高溫高壓和堿性介質(zhì)的作用，石英砂部分已經(jīng)呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，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(jié)成團(tuán)，只要增加一個(gè)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(zhuǎn)窯及其他裝置都不需要改進(jìn)，即可以投入正常生產(chǎn)。

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(zhǔn)備

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

5.2.2 化漿配料設(shè)施

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

（2）混合漿料儲(chǔ)存攪拌機(jī)，完成配比、混合、攪拌后的漿料，用泥漿泵輸送到儲(chǔ)存攪拌機(jī)，攪拌機(jī)要處于常開狀態(tài)，防止石英砂沉降，造成配比失準(zhǔn)，影響成品質(zhì)量，同時(shí)避免對(duì)攪拌機(jī)造成損害；

（3）為了方便濾渣的添加，化漿配料攪拌機(jī)安裝在地面以下，旋轉(zhuǎn)窯安裝在地面上，漿料儲(chǔ)存攪拌機(jī)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(jìn)入窯爐內(nèi)，攪拌桶內(nèi)設(shè)置有液位開關(guān)，低于最低液位時(shí)，則啟動(dòng)泥漿泵，將化漿配料攪拌機(jī)中的料液抽取到混合漿料儲(chǔ)存攪拌機(jī)中，以確保窯爐進(jìn)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(zhǎng)度15.00m，材質(zhì)為316L 不銹鋼，采用發(fā)生了煤氣或者天然氣對(duì)窯爐加熱，燒成溫度800℃，燒成周期30min，燒成溫度通過(guò)鉑銠熱電偶監(jiān)控。

5.3 生產(chǎn)工藝

（1）打開儲(chǔ)罐閥門，將32%氫氧化鈉自流進(jìn)化漿攪拌機(jī)，添加的數(shù)量通過(guò)攪拌機(jī)下面的重量傳感器控制；

（2）啟動(dòng)攪拌機(jī)，用鏟車將濾渣添加到其中，添加的數(shù)量利用重量傳感器確定，連續(xù)攪拌時(shí)間20min;

（3）窯爐點(diǎn)火，當(dāng)燒成帶溫度達(dá)到800℃左右時(shí)，打開儲(chǔ)存攪拌機(jī)上的閥門，料漿通過(guò)管道進(jìn)入窯爐，由于窯爐呈現(xiàn)為頭高尾低的狀態(tài)，再加上窯爐自身旋轉(zhuǎn)，其中的物料就會(huì)沿筒壁做螺旋線運(yùn)動(dòng)，依次通過(guò)預(yù)熱帶、燒成帶、冷卻帶，完成零水偏硅酸鈉的合成，窯爐的轉(zhuǎn)速根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況確定，但要確保物料緊貼在桶內(nèi)壁做螺旋線運(yùn)動(dòng)，這樣才能保證燒成質(zhì)量；

（4）從窯尾落下的產(chǎn)品進(jìn)入料槽，料槽1m3不銹鋼材質(zhì)，然后用鏟車轉(zhuǎn)運(yùn)至包裝車間，經(jīng)檢測(cè)合格、冷卻到30℃以下就可以檢斤包裝;

（5）由于該產(chǎn)品的特性，建議采用自動(dòng)檢斤包裝機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的檢斤、包裝，避免揚(yáng)塵對(duì)環(huán)境和作業(yè)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(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，但產(chǎn)品的使用有局限性，在陶瓷行業(yè)有比較優(yōu)勢(shì)。

5.3 成品的綜合效果

5.3.1 產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)效果

通過(guò)對(duì)噴霧造粒、石英粉燒堿焙燒法、水玻璃濾渣燒堿焙燒法生產(chǎn)的零水偏硅酸鈉產(chǎn)品，在相同的陶瓷坯體土樣、相同的工藝技術(shù)條件下進(jìn)行了泥漿解膠劑能力的測(cè)試，從數(shù)據(jù)看，三者的使用效果基本接近，產(chǎn)品的使用性能有保證。

該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由“廣東省新型陶瓷添加劑工程技術(shù)研究中心”提供。

5.3.2 產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性

采用濕法水玻璃濾渣來(lái)生產(chǎn)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(chǎn)過(guò)程可減少32%燒堿的使用量15%，比正常采用石英粉生產(chǎn)，節(jié)約了石英粉和部分燒堿的成本，對(duì)降低零水偏硅酸鈉的生產(chǎn)成本非常有效，有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

具體的節(jié)約價(jià)值，要根據(jù)不同地域的原材料價(jià)格進(jìn)行測(cè)算。

6 結(jié)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(chǎn)成本高，與其他類型的解膠劑相比，性價(jià)比不占優(yōu)勢(shì)，提高研究利用濕法水玻璃濾渣和燒堿來(lái)焙燒零水偏硅酸鈉，即解決了濕法水玻璃生產(chǎn)濾渣無(wú)法處理的行業(yè)難題，也有效降低了零水偏硅酸鈉的制造成本，是一項(xiàng)既有經(jīng)濟(jì)效益，更有環(huán)保效益的科研項(xiàng)目，值得在硅酸鈉生產(chǎn)企業(yè)推廣應(yīng)用。