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硅酸钠的主要应用

发布日期:2020/3/12 7:43:49

背景及概述[1]

硅酸钠又名偏硅酸钠,俗名水玻璃或泡花碱。Na2SiO3=122.06,常为玻璃态,也可为单斜晶体。相对密度2.40,熔点1088℃,折光率(玻)1.520(25℃)。溶于水,在热水中分解,析出硅胶。工业品组成复杂,常表示为xNa2O·ySiO2,有吸湿性,为无色、青绿色、棕色固体或粘稠液体,其物理性质随氧化钠与二氧化硅的比例而不同,水溶液呈强碱性。二硅酸钠(Na2Si2O5),熔点874℃。硅酸钠九水合物为无色斜方晶体,在空气中风化,熔点40~48℃,加热至100℃时失去六分子水。由硅石、纯碱与粉状煤共熔,冷却后粉碎,用水萃取、浓缩而制得,或由硅石与烧碱共熔而得。用作肥皂填充剂、粘合剂,用于制硅胶、硅铝凝胶和人造钠沸石等。

物理性质[2]

硅酸钠溶液呈无色透明、黄绿色、青灰色、或微红色,无色透明的液体质量最好。硅酸钠溶液中含有的杂质如Fe2O3、CaO、MgO和Al2O3等对其透明度及物理化学性能均有影响。水玻璃的性能参数包括模数n(氧化硅与氧化钠的摩尔比),密度D(或波美度°Bé)和粘度μ等。用水玻璃溶液作黏合剂时,其粘度与密度和模数有关。密度相同时,模数越大粘度越大。模数相同时,密度越大粘度越大。模数越大的水玻璃溶液随密度增大粘度增大越快,这是因为模数越高,胶态二氧化硅的含量也越高,水玻璃溶液的胶体性质就越强。此外,水玻璃溶液的粘度随温度升高而降低。

化学性质[2]

1)水解水玻璃是一种强碱弱酸盐,与水反应发生水解生成氢氧化钠,从而使水玻璃溶液呈碱性。水玻璃溶液是胶体溶液,其胶粒带负电。

2)与酸的反应水玻璃溶液显碱性,所以它能与无机酸和有机酸发生反应。反应结果是二氧化硅溶胶以凝胶体沉淀析出。水玻璃溶液与盐酸的反应式如下

3)与碱的反应:1)与碱金属离子反应只是提高其碱度,使模数下降,不会影响水玻璃胶体溶液的稳定性。2)与碱土金属离子反应会发生絮凝,生成白色凝胶沉淀,水玻璃溶液与氢氧化钡反应式如下

最终生成的水合硅酸钡是凝胶体。同样,与其他碱土金属离子如Ca2+、Mg2+、Sr2+会发生类似的反应。

4)液体水玻璃的硬化液体水玻璃与空气中的二氧化碳反应,生成无定形硅酸,逐渐干燥而硬化,与石灰的凝结硬化类似

这个反应过程很慢,因此液体水玻璃要密封保存。在使用中经常采用加热或者加入氟硅酸钠的方法来加快硬化,氟硅酸钠适宜的用量为水玻璃质量的12%~15%。硬化速度还与模数和密度有关。模数越大,硅胶越易析出,硬化越快;密度越小,粘度越小,硬化越快。硬化速度还与环境温度和湿度有关,温度越高,湿度越小,硬化越快。

应用[2-3]

硅酸钠是无机硅化合物中发展最广泛的产品,应用已有100多年历史,应用范围几乎渗透到国民经济的各个部门。硅酸钠是制皂工业中最有价值的填料,将硅酸钠掺入到洗衣皂中可缓冲洗衣皂的碱性,减少洗衣皂在水中的损耗,并可增强洗涤能力和防止肥皂酸败;硅酸钠在合成洗涤剂中起助洗、防腐、稳定泡沫的作用;可用作造纸的填料;用于制造硅凝胶、硅胶;用作铸造工业中粘结剂,粘接砂和黏土,制作成人们需要的各种各样的铸型和型芯;水玻璃涂在金属表面会形成碱金属硅酸盐及二氧化硅凝胶薄膜,使金属免受外界酸、碱等的腐蚀;用作粘结剂来粘结玻璃、陶瓷、石棉、木材、胶合板等;用于制造耐火材料、白炭黑、耐酸水泥;在纺织工业用作浆料、浸渍剂,在纺织物染色和压花纹时用作固染剂和媒染剂,以及用于丝绸织物加重;在皮革生产中加入水玻璃,它的分散的胶体二氧化硅用于生产软皮革;在食品工业可用于保存蛋类,防止微生物进入蛋壳空隙造成变质;在制糖工业,水玻璃可以脱除糖液中的色素和树脂质;此外硅酸钠在医学绷带、蓄电池制造、电焊条制造、炼钢等行业都有重要的用途。

1. 硅酸钠单独用作缓蚀剂

1)硅酸钠在冷铁防锈中的应用:将模数为2.0~2.8(最好为2.4)的硅酸钠,用水稀释充分搅拌后静置,保留上层清液作为防锈液。将除锈去污后的冷铁浸泡在上述溶液中,取出后使多余的溶液自动流下,自然干燥即可。处理后的冷铁可在普通室内保存1~2个月而不生锈,在此期间可以随意使用。

2)硅酸钠为主的碱性清洗液:采用以硅酸钠为主要缓蚀剂的碱性清洗液对铁器文物的脱盐清洗效果较好。硅酸盐与铁表面的氧化物发生反应,生成部分Fe2O3、Fe2SiO4和Fe7SiO10,这些新生成的物质具有较强的抗腐蚀能力。

3)硅酸钠对铝合金的缓蚀作用:硅酸钠主要通过促进铝合金的钝化或在其表面形成转化膜,抑制铝合金的点蚀,进而减少裂纹源的产生,提高铝合金在氯化钠溶液中抗点蚀的能力及腐蚀疲劳寿命而起到缓蚀作用,是一种阳极型缓蚀剂。同时硅酸钠的浓度对铝合金的缓蚀作用有很大的影响,当添加0.20mg/g的硅酸钠时,铝合金在3.5%NaCl溶液中具有较好的缓蚀作用。

4)硅酸钠被膜缓蚀剂:当药剂溶于水后,硅酸钠被膜缓蚀剂中对金属表面有强亲和力的成分会在金属表面形成一层细密、坚韧的硅铁稳定膜,使金属与腐蚀环境隔绝开来,从而可有效地防止金属腐蚀。另外,所形成的胶态负离子吸附水中带正电的离子构成固定层,并向外扩散构成扩散层,两界面处产生的动电位使包围在扩散层中的难溶物质过饱和度加大,不易形成晶核,从而抑制了结垢的可能。硅酸钠被膜缓蚀剂的使用效果与药剂浓度、水温、水质、水流速度、材质等因素有关。

2. 硅酸钠复配缓蚀剂

尽管如此,硅酸钠作为缓蚀剂单独使用有一定的缺陷,它成膜慢,所形成的膜有孔隙,易形成硅垢,所以它与其它物质复配使用已成为一种发展趋势。3.1  1)Njff-Ⅱ缓蚀剂:Njff-Ⅱ缓蚀剂由硅酸钠、钼酸盐、有机胺复配而成,是主要控制阳极反应的混合抑制型缓蚀剂。加量0.2%时,在盐水钻井液滤液中对G105钢试片80℃动态腐蚀的缓蚀率达88.19%。Njff-Ⅱ缓蚀剂目前已在江苏油田广泛应用。根据现场反馈的信息,使用该缓蚀剂后,钻杆、钻具的更换周期明显延长。

2)一种铜的缓蚀剂:以硅酸钠为主,与聚环氧琥珀酸(PESA)、苯骈三唑(BTA)、Zn2+复配使用的缓蚀剂当其构成配比为60∶40∶1∶8时,显示出较好的协同效应,此时对铜的缓蚀效果好。该复合水处理剂是以抑制阳极腐蚀为主的缓蚀剂,从环境保护、可持续发展的角度进行研究具有重要意义。

3)用于天然海水中的高效缓蚀剂:腐蚀介质取自青岛鲁迅公园的天然海水,盐度是32%,实验过程中,海水定期更新。将硅酸钠、硫酸锌、葡萄糖酸钙、烷基多糖苷和钨酸钠按一定比例置于容器中,搅拌均匀所得的缓蚀剂是一种适用于天然海水中碳钢的低毒、高效复合缓蚀剂。实验数据表明,未预膜时缓蚀剂的临界浓度是280mg/L,此时对碳钢的缓蚀率为93.8%,并且试样表面光亮如初,没有局部腐蚀;预膜后缓蚀剂的临界浓度降为210mg/L,此时对碳钢的缓蚀率为93.1%。

4)碳钢-铜复合体系缓蚀剂:以硅酸钠为主,与聚天冬氨酸、苯骈三唑、钼酸钠的复配缓蚀剂是以抑制阳极腐蚀为主的复合型缓蚀剂,对碳钢-铜复合体系有很好的缓蚀效果。在缓蚀剂总浓度为50.5mg/L,其配比为60∶20∶1∶20时,其缓蚀效果最佳。

5)高Cl-浓度环境中的复配缓蚀剂:硅酸钠与钼酸钠复配后,缓蚀剂毒性降低。硅酸钠形成的沉淀膜弥补了钼酸钠形成的钝化膜的缺陷,从而在材料表面形成完整致密的保护膜层,阻止腐蚀的发生和进行。在高Cl-浓度环境中,此缓蚀剂仍能有效地阻止Cl-通过膜层向金属表面的迁移,抑制金属的腐蚀。

6)铝-硅联合缓蚀剂铝-硅联合缓蚀剂:由预膜液和封闭液组成。用铝系复合缓蚀剂对水中碳钢预膜后,转入含硅酸钠的水中进行封闭处理,在原来氢氧化铝膜上又沉积上相当的二氧化硅,自动修补了膜的缺陷,进一步提高了铝缓蚀膜的耐蚀性能。铝-硅联合缓蚀剂不仅在淡水中具有好的缓蚀效果,而且在海水中、在温度较高的盐水中同样具有较好的缓蚀效果。

7)盐酸介质中铝合金复合缓蚀剂:由钼酸铵、硅酸钠和钨洛托品以一定比例复合而成的缓蚀剂是冷轧铝板在1mol/LHCl中的非磷、非铬高效复合型缓蚀剂。当其总浓度为10.6mg/L,其中钼酸铵、钨洛托品和硅酸钠的最佳复合比为2.375∶468.750∶1.000时,缓蚀率达到99.91%。另外还有很多关于利用硅酸钠与其他物质复配制成不同功能的缓蚀剂。

制备[4]

硅酸钠有干法、湿法两种生产工艺。干法又包括碳酸钠法、元明粉(硫酸钠)法、氯化钠法;湿法以液体烧碱和石英砂为原料,加温、加压反应后得到液体产品。

1. 干法

1)碳酸钠法:根据所需产品的模数要求,将纯碱(Na2CO3)和粒径0.180~0.250mm(60~80目)的石英砂(SiO2)按比例混合均匀送入马蹄焰窑炉,在1450~1500℃下熔融,高温熔融产物从窑炉出料口流出,通过模子上面的辊子压制成块或者水淬成颗粒。若需要生产液体产品则需再进行高温溶解或高温高压溶解,并经沉淀、浓缩制得液体水玻璃。其化学反应方程式:

即:纯碱、石英砂→混合→熔融→成型成固体泡花碱→经溶化→液体泡花碱,其中成型成固体泡花碱有2种方法:(1)干法成型工艺流程简介熔窑采用燃天然气蓄热式马蹄焰熔窑,备用燃料为燃油。投料采用单侧密封式投料口,以减少该处侵蚀延长熔窑寿命,杜绝粉尘飞扬并减少该处热量散失以节能。原料车间制备好的配合料经配合料带式输送机卸入硅酸钠联合车间熔窑的窑头料仓。熔窑采用单侧加料,窑头料仓下的密封式投料机将配合料按液面信号均匀加入熔窑内,在高温下进行一系列物理、化学变化完成原料的熔制和均化。(2)水淬法成型水淬法成型与干法成型工艺不同的是高温熔融料液从窑内流出后直接进入冷却水,高温熔融料液急冷炸裂,在水中淬冷成1~5mm的颗粒,颜色为绿色或灰色。经过出料机运至皮带机,再输送至料仓,包装入库。此法生产的硅酸钠含水,结块严重,难以长时间储存,给后续化料也会带来困难。此法由于熔融料液在水淬时部分颗粒状固体硅酸钠在冷却水中会发生水解,使冷却水显碱性,而且冷却水循环使用时温度越高,水解程度越大,会产生碱泥,循环水冷却效果降低,就需要排出较多的废水,造成严重的环境污染。此种工艺已经被国家明令淘汰了。

2. 湿法

将液体苛性钠和石英砂按适当比例混合加入压热釜内,用蒸汽加热并进行搅拌,使之直接反应而成液体水玻璃,经过滤、浓缩制得成品水玻璃。湿法生产水玻璃只能生产模数小于2.5的产品,难以生产高模数的产品,而且反应速度慢,从而限制了此法的应用。我国采用湿法生产水玻璃仅占全国总产量的5%。化学反应方程式如下:

主要参考资料

[1] 化学物质辞典

[2] 浅谈工业硅酸钠行业现状

[3] 硅酸钠缓蚀剂的研究现状与展望

[4] 浅谈硅酸钠生产工艺及行业发展趋势

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