1. Precyzyjne projektowanie proporcji surowców
(I) Chemiczna kontrola pomiarowa podstawowych surowców
Moduł (M) krzemianu sodu definiuje się jako stosunek ilości dwutlenku krzemu do tlenku sodu (M = n (SiO₂)/n (Na₂O)), zatem podstawą kontroli modułu jest dokładny stosunek źródła krzemu do źródła sodu w surowcu. W praktyce produkcyjnej jako prekursor wykorzystuje się zwykle płynne szkło wodne, którego moduł początkowy należy regulować w reakcji wodorotlenku sodu z piaskiem krzemionkowym. Biorąc za przykład sproszkowane szkło wodne HHLNAP-1 produkowane przez Hengli Chemical, jego docelowy moduł wynosi 2,0 ± 0,1, a stosunek molowy SiO₂ do Na₂O w roztworze krzemianu sodu musi być ściśle kontrolowany na etapie przygotowania ciekłego szkła wodnego.
W konkretnej operacji jako źródło krzemu można zastosować piasek kwarcowy (czystość ≥ 95%, głównym składnikiem jest SiO₂), a jako źródło sodu można zastosować przemysłowy wodorotlenek sodu (zawartość NaOH ≥ 99%).
Zgodnie z definicją modułu M = m/n, gdy docelowy moduł wynosi 2,0, m/n = 2,0, czyli teoretycznie każde 2 mole SiO₂ musi reagować z 1 molem NaOH. Jednakże w rzeczywistej produkcji należy wziąć pod uwagę stopień konwersji piasku krzemionkowego (zwykle 85% -95%) i utratę układu reakcyjnego. Dlatego też należy monitorować stężenie SiO₂ i Na₂O w roztworze reakcyjnym w czasie rzeczywistym poprzez miareczkowanie, a stosunek wejściowy surowca należy dynamicznie dostosowywać. Na przykład, gdy początkowy moduł roztworu odbiega od 2,0, można to skorygować poprzez dodanie NaOH (obniżenie modułu) lub zolu krzemionkowego (zwiększenie modułu).
(II) Synergistyczne działanie dodatków
W celu poprawy kinetyki reakcji i struktury produktu można wprowadzić niewielką ilość dodatków. Na przykład dodanie 0,1–0,5% siarczanu sodu (Na₂SO₄) podczas wytwarzania ciekłego szkła wodnego może zahamować nadmierną polimeryzację wiązań krzem-tlen poprzez regulację siły jonowej i uniknięcie wahań modułu; jednocześnie dodanie około 0,2% poliakrylanu sodu jako środka dyspergującego może poprawić dyspergowalność piasku krzemionkowego w roztworze alkalicznym i sprzyjać jednorodności reakcji, zapewniając w ten sposób stabilność modułu. Ponadto do produktów o specjalnych zastosowaniach, takich jak sproszkowany krzemian sodu do spoiw odpornych na wysokie temperatury, które wymagają wysokiej stabilności modułu, można wprowadzić śladowe ilości soli litu (takich jak Li₂CO₃, dodawane w ilości 0,05%-0,1%), aby wykorzystać silną zdolność polaryzacyjną jonów litu do regulacji struktury sieci krzemianowej i zwiększenia dokładności kontroli modułu.
2. Kluczowe ogniwa sterujące procesem produkcyjnym
(I) Proces przygotowania ciekłego szkła wodnego
Temperatura i ciśnienie reakcji
Reakcja piasku krzemionkowego i wodorotlenku sodu jest heterogeniczną reakcją ciało stałe-ciecz, a temperatura i ciśnienie bezpośrednio wpływają na szybkość reakcji i stopień konwersji piasku krzemionkowego. W procesie Hengli Chemical ciekłe szkło wodne przygotowywane jest w reaktorze wysokociśnieniowym, w którym temperatura reakcji jest kontrolowana na poziomie 120-150℃ i ciśnienie 1,0-1,5 MPa. W tych warunkach szybkość rozpuszczania piasku krzemionkowego może osiągnąć 1,2-1,5 g/(min·l), a stopień konwersji można ustabilizować na poziomie ponad 92%. Zbyt niska temperatura doprowadzi do niepełnej reakcji, niskiego modułu i dużych wahań; zbyt wysoka temperatura może spowodować nadmierną polimeryzację, co skutkuje odchyleniem pomiaru modułu. Układ kontroli temperatury PID służy do kontrolowania wahań temperatury w zakresie ±2℃ i wahań ciśnienia w zakresie ±0,05MPa w celu zapewnienia stabilności procesu reakcji.
Szybkość mieszania i czas reakcji
Szybkość mieszania należy utrzymywać na poziomie 150-200 obr/min, aby zapewnić pełny kontakt pomiędzy fazą stałą i ciekłą. Czas reakcji wynosi zwykle 4-6 godzin i należy go dostosować w zależności od wielkości cząstek piasku krzemionkowego (jeśli wielkość cząstek piasku krzemionkowego wynosi ≤0,1 mm, czas reakcji można skrócić do 3 godzin). Zmiana lepkości cieczy reakcyjnej jest monitorowana za pomocą wiskozymetru online. Gdy lepkość osiągnie 15-20 mPa·s, określa się punkt końcowy reakcji. W tym momencie moduł rozwiązania jest bliski wartości docelowej 2,0.
(II) Optymalizacja parametrów procesu suszenia rozpyłowego
Kiedy płynne szkło wodne przekształca się w produkt sproszkowany metodą suszenia rozpyłowego, charakterystyka przenoszenia ciepła i przenoszenia masy w procesie suszenia będzie miała wpływ na mikrostrukturę produktu, a następnie będzie miała pośredni wpływ na moduł. Do najważniejszych parametrów procesu zaliczają się:
Temperatura na wlocie i temperatura na wylocie
Temperatura na wlocie jest kontrolowana na poziomie 300-350 ℃, a temperatura na wylocie wynosi 120-140 ℃. Gorące powietrze o wysokiej temperaturze może natychmiast odwodnić kropelki (czas suszenia <5 s), unikając wtórnej polimeryzacji lub rozkładu struktury krzemianowej w wyniku długotrwałego ogrzewania. Jeśli temperatura na wlocie jest niższa niż 280 ℃, może to powodować wilgoć resztkową (zawartość wody> 5%), wpływając na dokładność pomiaru modułu; jeśli temperatura jest wyższa niż 380℃, może to spowodować lokalne przegrzanie, powodując ulatnianie się Na₂O, zwiększając zmierzony moduł.
Ciśnienie atomizacji i otwór dyszy
Stosowana jest ciśnieniowa dysza atomizująca o ciśnieniu atomizacji 6-8 MPa i średnicy dyszy 1,0-1,2 mm. W ramach tego parametru można kontrolować średnią wielkość kropelek na poziomie 50-80 μm, zapewniając równomierny rozkład wielkości cząstek proszku po suszeniu (przepływ 100 mesh ≥95%, np. produkty typu Hlnap-1). Zbyt niskie ciśnienie atomizacji spowoduje, że kropelki będą zbyt duże, tworząc po suszeniu duże aglomeraty cząstek, a wewnątrz mogą znajdować się resztkowe składniki ciekłe, które nie są całkowicie wysuszone, co wpływa na jednorodność modułu; zbyt wysokie ciśnienie może spowodować wytworzenie zbyt dużej ilości drobnego proszku (cząsteczki <200 mesh stanowią >10%), zwiększyć utratę pyłu i może zmienić gęstość nasypową produktu (wartość docelowa 0,6 kg/l), pośrednio wpływając na reprezentatywność próbki podczas badania modułu.
(III) Starzenie i obróbka homogenizująca
Wysuszony sproszkowany produkt należy leżakować w zamkniętym magazynie przez 24-48 godzin, w temperaturze dojrzewania 40-50℃ i wilgotności <30% RH. Podczas procesu starzenia rozkład wilgoci i mikrostruktura wewnątrz proszku ulegają dalszemu zrównoważeniu, co może zmniejszyć zakres wahań modułu o ±0,03. W przypadku produktów produkowanych seryjnie do mieszania stosuje się sprzęt do homogenizacji przepływu powietrza (czas homogenizacji 1-2 godziny, prędkość przepływu powietrza 15-20 m/s), aby zapewnić jednorodność modułu każdej partii produktów (odchylenie modułu pomiędzy partiami ≤±0,05).
3. Analiza czynników wpływających na kontrolę modułu i środki zaradcze
(I) Wahania jakości surowców
Czystość piasku krzemionkowego i wielkość cząstek
Jeśli zawartość zanieczyszczeń takich jak Fe₂O₃ i Al₂O₃ w piasku krzemionkowym przekracza 1,0%, będzie on reagował z NaOH, tworząc odpowiednie sole sodowe, zużywając źródła sodu i powodując, że rzeczywisty moduł będzie zbyt wysoki. Środki zaradcze: Stosować proces wytrawiania z separacją magnetyczną (moczenie 10% kwasu solnego przez 2 godziny) w celu usunięcia zanieczyszczeń i zwiększenia czystości piasku krzemionkowego do ponad 98%. Nierównomierny rozkład wielkości cząstek piasku krzemionkowego (taki jak rozpiętość wielkości cząstek > 0,3 mm) doprowadzi do niespójnych szybkości reakcji, a lokalne odchylenie modułu może osiągnąć ± 0,2. Rozwiązanie: Użyj przesiewania wibracyjnego, aby uzyskać klasyfikację wielkości cząstek, a jako surowca użyj piasku krzemionkowego o wielkości cząstek 0,05–0,1 mm.
Problem rozpływania się wodorotlenku sodu
Wodorotlenek sodu klasy przemysłowej łatwo wchłania wilgoć podczas przechowywania, co powoduje zmniejszenie efektywnej zawartości NaOH (mierzona zawartość może wynosić mniej niż 95%), co prowadzi do odchyleń w obliczeniach proporcji. Środki zaradcze: Kup wodorotlenek sodu w szczelnie zamkniętych beczkach, przed użyciem przekalibruj stężenie poprzez miareczkowanie kwasowo-zasadowe i dostosuj ilość nadawy zgodnie ze zmierzoną wartością.
(II) Wahania parametrów procesu
Zmiany wydajności wymiany ciepła w reaktorze
Po długotrwałej eksploatacji na wewnętrznej ściance reaktora może dojść do osadzania się kamienia (głównym składnikiem jest krzemian wapnia), co powoduje zmniejszenie współczynnika przenikania ciepła i opóźnienie temperatury reakcji. Rozwiązanie: Regularnie przeprowadzaj czyszczenie chemiczne (raz na kwartał) (użyj 5% roztworu kwasu fluorowodorowego przez 2 godziny czyszczenia obiegowego), aby przywrócić sprawność wymiany ciepła do ponad 90% wartości początkowej.
Zjawisko akumulacji materiału w wieży suszącej rozpyłowej
Jeżeli na wewnętrznej ścianie wieży suszącej zgromadzi się nadmierna ilość proszku (czas przebywania > 24 godzin), może on rozpływać się na skutek absorpcji wilgoci, tworząc aglomeraty o dużej lepkości, wpływając na stabilność późniejszego procesu suszenia atomizacyjnego. Środki zaradcze: Zainstalować automatyczne urządzenie wibracyjne (wibracje 5-10 razy na godzinę, amplituda 5-8 mm) i czyścić wewnętrzną ściankę po każdej zmianie, aby kontrolować grubość nagromadzonego materiału do ≤1 mm.
(III) Systematyczny błąd metody detekcji
Do wykrywania modułu zwykle stosuje się miareczkowanie kwasowo-zasadowe, ale szczegóły procesu operacyjnego mogą wprowadzać błędy. Na przykład, jeśli temperatura wody przekracza 60 ℃ po rozpuszczeniu próbki, przyspieszy to hydrolizę krzemianu, co skutkuje niską wartością pomiaru SiO₂ i małą wartością obliczeniową modułu. Metoda ulepszenia: Do rozpuszczania próbki używaj wody dejonizowanej o temperaturze 30 ℃ ± 2 ℃ (np. szybkość rozpuszczania produktu typu HLNAP-1 ≤ 60 s/30 ℃) i użyj mieszadła magnetycznego do szybkiego mieszania (prędkość 300 obr./min), aby zapewnić całkowite rozpuszczenie w ciągu 2 minut i zmniejszyć straty hydrolizy. Ponadto wybór wskaźnika (np. różnica w zakresie zmiany barwy oranżu metylowego i fenoloftaleiny) będzie miał również wpływ na określenie punktu końcowego miareczkowania. Zaleca się stosowanie miareczkowania potencjometrycznego (błąd wyznaczania punktu końcowego < 0,1 ml) zamiast tradycyjnej metody wskaźnikowej w celu poprawy dokładności detekcji analogowo-cyfrowej (odchylenie powtarzalnego pomiaru ≤ ±0,02).
