引言

       硅酸鈉用途非常廣泛，幾乎遍及國民經(jīng)濟各個部門。其分子式為：Na2O·nSiO2。n稱為模數(shù)，指SiO2和Na2O的摩爾比，一般為1.5～3.5 。工業(yè)硅酸鈉分為二類：液體硅酸鈉和固體硅酸鈉。液體硅酸鈉呈無色透明、黃綠色、青灰色、或微紅色，無色透明的液體硅酸鈉質量最好，工業(yè)液體硅酸鈉透明度常因雜質的影響而變渾濁。固體硅酸鈉是無色、略帶顏色的半透明或透明塊狀玻璃體。液體硅酸鈉主要用于制造黏結劑、填充料、化工原料、防腐劑和助劑等。固體硅酸鈉的主要用途是制造液體硅酸鈉。業(yè)內(nèi)將液體硅酸鈉稱為水玻璃，將固體硅酸鈉稱為泡花堿。硅酸鈉是鈉水玻璃，此外還有鉀水玻璃、鈉鉀水玻璃以及硅酸鋰和硅酸季胺等新型水玻璃。土木工程中一般使用鈉水玻璃，鉀水玻璃（K2O·nSiO2）在工程技術要求較高時使用。模數(shù)越大，水玻璃的粘度越高，越難溶于水。不同模數(shù)的硅酸鈉有著不同的用處。在土木工程中使用的硅酸鈉模數(shù)一般為2.6～2.8，易溶于水而且強度又較高。

1　硅酸鈉的生產(chǎn)方法

       硅酸鈉有干法、濕法兩種生產(chǎn)工藝。干法又包括碳酸鈉法、元明粉（硫酸鈉）法、氯化鈉法；濕法以液體燒堿和石英砂為原料，加溫、加壓反應后得到液體產(chǎn)品。

1.1　干法

1.1.1　碳酸鈉法

      根據(jù)所需產(chǎn)品的模數(shù)要求，將純堿（Na2CO3）和粒徑0.180～0.250 mm（60~80目）的石英砂（SiO2）按比例混合均勻送入馬蹄焰窯爐，在1 450~1 500 ℃下熔融，高溫熔融產(chǎn)物從窯爐出料口流出，通過模子上面的輥子壓制成塊或者水淬成顆粒。若需要生產(chǎn)液體產(chǎn)品則需再進行高溫溶解或高溫高壓溶解，并經(jīng)沉淀、濃縮制得液體水玻璃。其化學反應方程式：

Na2CO3＋nSiO2→Na2O·nSiO2＋CO2↑

       即：純堿、石英砂→混合→熔融→成型成固體泡花堿→經(jīng)溶化→液體泡花堿，其中成型成固體泡花堿有2種方法：

      （1） 干法成型工藝流程簡介

       熔窯采用燃天然氣蓄熱式馬蹄焰熔窯，備用燃料為燃油。投料采用單側密封式投料口，以減少該處侵蝕延長熔窯壽命，杜絕粉塵飛揚并減少該處熱量散失以節(jié)能。原料車間制備好的配合料經(jīng)配合料帶式輸送機卸入硅酸鈉聯(lián)合車間熔窯的窯頭料倉。熔窯采用單側加料，窯頭料倉下的密封式投料機將配合料按液面信號均勻加入熔窯內(nèi)，在高溫下進行一系列物理、化學變化完成原料的熔制和均化。

       熔制好的熔融料液通過一定的高差，流落至鏈板式輸送機上，調(diào)頻控制的鏈板式輸送機上的壓輥將料液平攤并壓入鏈板形狀規(guī)則的陰模中，將其成型為塊狀固體，繼續(xù)冷卻至機頭處將其卸下，落到下方地面的料罐中，吊車將其轉卸到成品格間中繼續(xù)冷卻、儲存，冷卻至常溫的塊狀固體經(jīng)稱量、裝噸袋或散裝出廠。

       該法采用鏈板輸送機作為成型設備，高溫熔融料液從窯爐出料口流出后落至鏈板輸送機料槽上，鏈板輸送機壓輥采用水冷方式，料槽采用噴淋式水冷方式，鏈板輸送機采用傾斜式輸送方式。由于料液不與水直接接觸，不會發(fā)生水解，保證產(chǎn)品的純度，提高了產(chǎn)品的品質。而且鏈板輸送機冷卻水沒有受到污染，可以循環(huán)使用。鏈板形狀不同可以生產(chǎn)不同形狀的塊料，不產(chǎn)生環(huán)境污染，節(jié)水節(jié)電，產(chǎn)品透明度高、外觀美觀、純度高，產(chǎn)品質量好，適合作為原材料生產(chǎn)高檔硅產(chǎn)品如硅膠、白炭黑等，并且能達到出口的要求。鏈板機干法成型工藝是一種清潔優(yōu)質生產(chǎn)工藝，也是應用最廣泛的硅酸鈉生產(chǎn)工藝，適于生產(chǎn)各種模數(shù)的硅酸鈉。

      （2）水淬法成型

       水淬法成型與干法成型工藝不同的是高溫熔融料液從窯內(nèi)流出后直接進入冷卻水，高溫熔融料液急冷炸裂，在水中淬冷成1~5 mm的顆粒，顏色為綠色或灰色。經(jīng)過出料機運至皮帶機，再輸送至料倉，包裝入庫。此法生產(chǎn)的硅酸鈉含水，結塊嚴重，難以長時間儲存，給后續(xù)化料也會帶來困難。此法由于熔融料液在水淬時部分顆粒狀固體硅酸鈉在冷卻水中會發(fā)生水解，使冷卻水顯堿性，而且冷卻水循環(huán)使用時溫度越高，水解程度越大，會產(chǎn)生堿泥，循環(huán)水冷卻效果降低，就需要排出較多的廢水，造成嚴重的環(huán)境污染。此種工藝已經(jīng)被國家明令淘汰了。 

        以上2種成型工藝得到的都是固體產(chǎn)品，而固體Na2O·nSiO2是中間產(chǎn)品，在工業(yè)上沒有具體使用價值，轉化為液體Na2O·nSiO2則具有廣泛的用途。轉化為液體產(chǎn)品則須將塊狀硅酸鈉進行化料。常用的化料方法主要有：常壓蒸煮法和高壓溶解法。

        常壓蒸煮法是指將塊狀硅酸鈉產(chǎn)品放入容器中，加入熱水進行蒸煮。此種方法由于在常壓下進行，壓力較低，硅酸鈉溶解量較少，濃度偏低，不能達到液體產(chǎn)品的要求，因此還需蒸發(fā)其中一部分水分進行濃縮。

       高壓溶解法是指將塊狀硅酸鈉加入滾筒中，根據(jù)塊子重量及產(chǎn)品規(guī)格加入適量水，再通入較高壓力的蒸汽進行溶解。模數(shù)在3.3以下的硅酸鈉在蒸汽壓力0.4~0.5 MPa、滾筒轉速2~4 r/min的條件下2 h即可全部溶解；模數(shù)大于4的硅酸鈉溶解較困難，須在滾筒內(nèi)加入一定量的液體燒堿以加速溶解。經(jīng)過一段時間，溶解到一定濃度后，再轉移到沉清槽進行自然沉淀、除雜質。除去雜質的溶液送入濃縮槽進行濃縮，槽內(nèi)用蒸汽盤管加熱，槽底采用煙道廢氣余熱加熱，直至溶液濃縮至產(chǎn)品要求濃度即成成品。

1.1.2　元明粉（又稱硫酸鈉、無水芒硝）法

       硫酸鈉法的原料包括硫酸鈉（無水芒硝）、碳粉、石英砂，生產(chǎn)過程和碳酸鈉法相同，不同的是爐內(nèi)采用負壓操作，在窯后抽風。該法在窯溫1 200 ℃時會產(chǎn)生部分“硝水”，即液體芒硝，浮在石英砂上面，與石英砂分成兩相，難以與石英砂進一步反應。在出料時高溫硝水遇水會發(fā)生爆炸現(xiàn)象，對窯爐出料口和操作人員造成傷害。而且熔融的硝水會對窯爐耐火材料產(chǎn)生嚴重的侵蝕，減短窯爐的使用壽命。此法生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量SO2，生產(chǎn)每噸產(chǎn)品排放200多千克 SO2，是純堿法排放量的130倍，而且大部分企業(yè)沒有脫硫除塵措施，廢氣排放就更加嚴重。此外，熔融料液出料后采用水淬法制塊還會產(chǎn)生大量含堿廢水。由于此法原料價格較純堿低廉，因此還有部分企業(yè)采用此法生產(chǎn)硅酸鈉。不過此法由于排出廢氣廢水，嚴重污染環(huán)境，已被國家禁止使用。反應方程式如下：

2Na2SO4+C+2nSiO2→2Na2O·nSiO2+2SO2↑+CO2↑

1.1.3　氯化鈉法

        以食鹽（NaCl）和石英砂為原料，將石英砂和食鹽混合均勻并熔融，通入蒸汽，反應得到硅酸鈉和鹽酸。此法反應速度較慢，一般工廠均不采用。

1.2　濕法

       將液體苛性鈉和石英砂按適當比例混合加入壓熱釜內(nèi)，用蒸汽加熱并進行攪拌，使之直接反應而成液體水玻璃，經(jīng)過濾、濃縮制得成品水玻璃。濕法生產(chǎn)水玻璃只能生產(chǎn)模數(shù)小于2.5的產(chǎn)品，難以生產(chǎn)高模數(shù)的產(chǎn)品，而且反應速度慢，從而限制了此法的應用。我國采用濕法生產(chǎn)水玻璃僅占全國總產(chǎn)量的5%�；瘜W反應方程式如下：

2NaOH+nSiO2→Na2O·nSiO2·H2O

2　硅酸鈉的應用及行業(yè)現(xiàn)狀

       硅酸鈉用途十分廣泛，至今無可替代的產(chǎn)品出現(xiàn)。硅酸鈉是產(chǎn)業(yè)鏈最上游的產(chǎn)品，常作為一種基礎的化工原料來生產(chǎn)其他下游產(chǎn)品。硅酸鈉是制皂工業(yè)中最有價值的填料，將硅酸鈉摻入到洗衣皂中可緩沖洗衣皂的堿性，減少洗衣皂在水中的損耗，并可增加硬度和洗滌能力、防止肥皂酸敗；硅酸鈉在合成洗滌劑中起助洗、防止腐蝕洗衣機的金屬、穩(wěn)定泡沫的作用；可用作造紙的填料，使紙張在造紙機上操作更順利；用于制造硅凝膠、硅膠等吸附劑；用作鑄造工業(yè)中的粘結劑，粘接砂和黏土，制作成各種各樣的鑄型和型芯，水玻璃模數(shù)越高、濃度越高，膠粘能力越強；水玻璃涂在金屬表面會形成堿金屬硅酸鹽及SiO2凝膠薄膜，使金屬免受外界酸、堿及其他活潑化學介質的侵蝕；用作粘結劑來粘結紙張、玻璃、陶瓷、石棉、木材、膠合板等；用于制造耐火材料、白炭黑、耐酸水泥；在紡織工業(yè)用作漿料、浸漬劑，在紡織物染色和壓花紋時用作固著劑和媒染劑，以及用于絲綢織物加重；在皮革生產(chǎn)中加入水玻璃，其分散的膠體SiO2用于生產(chǎn)白色軟皮革；在食品工業(yè)可用于保存蛋類，防止微生物進入蛋殼孔隙造成變質；在制糖工業(yè)，水玻璃可以脫除糖液中的色素和樹脂質；此外硅酸鈉在醫(yī)學繃帶、蓄電池制造、電焊條制造、煉鋼等行業(yè)都有十分重要的用途。

        1818年，德國學者約翰·富克斯制得水玻璃，并發(fā)表了很多有價值的研究成果。1826年德國奧格斯堡首次建立了一座小型水玻璃工廠。發(fā)展至今，國外企業(yè)設備先進、自動化控制水平很高。美國約有17個生產(chǎn)廠，年總產(chǎn)量約150萬t，美國PQ公司是目前世界最大的硅酸鈉生產(chǎn)企業(yè)。歐洲約有16~18個生產(chǎn)廠，德國、英國、法國、意大利等國的生產(chǎn)水平都較高，歐洲年總產(chǎn)量約120萬t。在亞太地區(qū)，中國、日本和韓國是主要的生產(chǎn)商。日本、韓國國內(nèi)資源匱乏，而生產(chǎn)硅酸鈉對資源和能源的依賴性比較大，韓國和日本很多企業(yè)已經(jīng)停產(chǎn)，主要從中國進口。

      我國于1938年開始在北京、天津、青島、廣州等地建設硅酸鈉生產(chǎn)工廠。發(fā)展至今，我國硅酸鈉生產(chǎn)能力已居世界第一位。隨著下游產(chǎn)品白炭黑、硅膠、分子篩等市場需求的不斷增長，其原材料硅酸鈉近年來產(chǎn)量發(fā)展迅猛。2004年我國年產(chǎn)量為110萬t，2009年年產(chǎn)量達到200萬t，現(xiàn)在年產(chǎn)量已經(jīng)達到300多萬噸（以固體計），大約占到了世界總產(chǎn)量的50%。我國硅酸鈉生產(chǎn)企業(yè)星羅棋布、遍布全國，現(xiàn)在已有約200多家，多集中在山東、江蘇等地。山東全省硅酸鈉產(chǎn)量占到了全國總產(chǎn)量的60%左右。

3　硅酸鈉行業(yè)目前面臨的主要問題及應采取的對策

       近年來部分硅酸鈉企業(yè)為追逐利益，低水平重復建設，產(chǎn)能過剩，產(chǎn)品檔次低。造成環(huán)境污染、資源浪費、市場惡性競爭更加激烈，行業(yè)整體贏利空間狹小。為此，2009年，國家相關部門制定了《硅酸鈉行業(yè)準入條件》，其中規(guī)定，硅酸鈉生產(chǎn)工藝及設備應達到以下要求：原料配料與稱量要求更加精確；推廣使用蓄熱室馬蹄焰窯爐，采用優(yōu)質耐火材料，設計窯齡＞3年；優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)，推廣使用富氧燃燒、空氣鼓泡等節(jié)能減排技術；鼓勵實施熔窯熔化部池壁、池底、胸墻、大碹全保溫，減少散熱損失；新建及改擴建硅酸鈉窯爐熔化面積需＞20 m2，發(fā)展＞50 m2的大中型窯爐，淘汰現(xiàn)有的＜20 m2的窯爐；硅酸鈉出料采用干法出料技術，淘汰現(xiàn)有的水淬法出料技術；新建及改擴建硅酸鈉生產(chǎn)線禁止采用以元明粉為原材料的干法生產(chǎn)工藝，淘汰現(xiàn)有的以元明粉為原材料的干法生產(chǎn)工藝。這些需要整個硅酸鈉行業(yè)甚至整個社會的共同努力，實現(xiàn)按照上述要求建設和生產(chǎn)，從而促進整個硅酸鈉行業(yè)的健康發(fā)展，實現(xiàn)更大的社會效益和經(jīng)濟效益。

西安華昌水玻璃有限公司是水玻璃又名硅酸鈉、泡花堿的研發(fā)與生產(chǎn)廠家，是西北地區(qū)專業(yè)的水玻璃（粉狀速溶硅酸鈉、泡花堿）生產(chǎn)及銷售企業(yè)。公司面向西安/水玻璃、延安/泡花堿、榆林/硅酸鈉、定西/水玻璃、平?jīng)?泡花堿、西峰木齊/硅酸鈉、賀蘭/水玻璃、中衛(wèi)/硅酸鈉、樂都/水玻璃及周邊地區(qū)大量供應液體水玻璃及粉狀速溶硅酸鈉，公司生產(chǎn)的液體水玻璃廣泛應用于地鐵、隧道、煤礦的防水堵漏以及土壤加固、防腐工程、石油勘探、鑄造、選礦、建筑施工等領域。

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