1. Eigenschaften und Anwendungshintergrund von flüssigem Kaliumsilikat
Als wichtige anorganische Siliziumverbindung spielt flüssiges Kaliumsilikat aufgrund seiner einzigartigen chemischen Eigenschaften in vielen Bereichen eine Schlüsselrolle. Am Beispiel des von Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd. hergestellten flüssigen Kaliumsilikats HLKL-1 beträgt sein Modul 2,20–2,40. Es zeichnet sich durch hohe Transparenz und starke Alkalität aus. Es wird häufig in anorganischen Beschichtungen, Kalidüngemitteln, Katalysatoren, Seifenfüllungen, feuerfesten Materialien und anderen Bereichen eingesetzt. Im Produktionsprozess liegt der Schlüssel zur Sicherstellung der Produktqualität darin, eine übermäßige Polymerisation oder Gelierung zu vermeiden, was nicht nur mit der Leistungsstabilität des Produkts zusammenhängt, sondern sich auch direkt auf die Produktionseffizienz und die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens auf dem Markt auswirkt.
2. Grundprinzipien der Polymerisation und Gelierung von flüssigem Kaliumsilikat
(I) Polymerisationsreaktionsmechanismus
Der Hauptbestandteil von flüssigem Kaliumsilikat ist Kaliumsilikat (K₂O・nSiO₂・mH₂O), und in seiner wässrigen Lösung befinden sich komplexe Silikatanionen. Unter bestimmten Bedingungen werden diese Anionen durch die Bildung von Silizium-Sauerstoff-Bindungen (Si-O-Si) polymerisiert, um Polysilikate mit unterschiedlichen Polymerisationsgraden zu bilden. Der Modul (M) ist ein wichtiger Indikator zur Messung des Verhältnisses der Menge an Siliziumdioxid zu Kaliumoxid in Kaliumsilikat. Bei flüssigem Kaliumsilikat mit einem Modul von 2,20–2,40 liegt der Polymerisationsgrad seines Silizium-Sauerstoff-Tetraeders auf mittlerem Niveau und die Kontrollierbarkeit der Polymerisationsreaktion ist entscheidend.
(II) Ursachen der Gelierung
Gelierung ist das Ergebnis einer übermäßigen Polymerisation. Wenn die Molekülketten von Polysilikaten weiter wachsen und sich zu einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur vernetzen, verändert sich das System von flüssig zu gel. Dieser Prozess wird normalerweise durch eine Kombination von Faktoren beeinflusst, darunter Temperatur, Konzentration, pH-Wert, Verunreinigungsgehalt und Rührbedingungen. Sobald es zu einer Gelierung kommt, werden die Fließfähigkeit und die Leistung von flüssigem Kaliumsilikat stark beeinträchtigt und es kann sogar sein, dass es nicht mehr den Anwendungsanforderungen des Kunden entspricht.
3. Schlüsselfaktoren, die die Polymerisation und Gelierung während der Produktion beeinflussen
(I) Reinheit und Verhältnis der Rohstoffe
Siliziumdioxid-Rohstoffe: Die Reinheit der Siliziumdioxid-Rohstoffe (z. B. Quarzsand), die zur Herstellung von flüssigem Kaliumsilikat verwendet werden, wirkt sich direkt auf die Qualität des Produkts aus. Wenn die Rohstoffe Verunreinigungsionen wie Eisen, Aluminium und Kalzium enthalten, können diese Verunreinigungen als Katalysatoren oder Vernetzungszentren für Polymerisationsreaktionen wirken, die Polymerisationsreaktion beschleunigen und das Gelierungsrisiko erhöhen. Beispielsweise verringert ein zu hoher Eisengehalt (z. B. mehr als 0,01 %) die Stabilität von flüssigem Kaliumsilikat erheblich. Basierend auf dieser Überlegung kontrolliert Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd während des Produktionsprozesses streng den Eisengehalt von ≤ 0,01 %.
Verhältnis von Kaliumoxid zu Siliziumdioxid: Die genaue Kontrolle des Moduls ist der Kern der Herstellung von qualifiziertem flüssigem Kaliumsilikat. Die Berechnung des Moduls basiert auf dem Verhältnis der Menge an Kaliumoxid (K₂O) zu Siliziumdioxid (SiO₂). Wenn das Verhältnis ungenau ist, kann das Ladungsgleichgewicht der Silizium-Sauerstoff-Tetraeder im System zerstört werden, was zu einer abnormalen Polymerisation führt. Während des Produktionsprozesses sind eine präzise Dosierung und Kontrolle der chemischen Reaktion erforderlich, um sicherzustellen, dass der Modul im Zielbereich von 2,20–2,40 liegt.
(II) Reaktionstemperatur und -zeit
Der Einfluss der Temperatur: Die Temperatur ist ein wichtiger Faktor, der die Geschwindigkeit der Polymerisationsreaktion beeinflusst. Eine Erhöhung der Temperatur beschleunigt die molekulare Bewegungsgeschwindigkeit und erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen den Reaktantenmolekülen, wodurch die Polymerisationsreaktion beschleunigt wird. Wenn beim Herstellungsprozess von flüssigem Kaliumsilikat der Hochtemperatur- und Hochdruckreaktionsprozess angewendet wird und die Temperatur nicht richtig kontrolliert wird, kann die Polymerisationsreaktion außer Kontrolle geraten und es können schnell Polysilikate mit hohem Molekulargewicht erzeugt werden, und es kann sogar eine Gelierung auftreten. Wenn beispielsweise die Reaktionstemperatur 120 °C übersteigt, kann die Polymerisationsreaktionsgeschwindigkeit stark ansteigen, und besonderes Augenmerk sollte auf die Echtzeitüberwachung und -regulierung der Temperatur gelegt werden.
Kontrolle der Reaktionszeit: Die Reaktionszeit hängt eng mit dem Polymerisationsgrad zusammen. Bei einer bestimmten Temperatur nimmt der Polymerisationsgrad mit zunehmender Reaktionszeit allmählich zu. Wenn die Reaktionszeit zu lang ist, wächst die Molekülkette des Polysilikats weiter und bildet schließlich ein Gel. Daher ist es notwendig, durch Experimente die optimale Reaktionszeit zu bestimmen, um sicherzustellen, dass das Siliciumdioxid vollständig reagiert und gleichzeitig eine übermäßige Polymerisation vermieden wird. Für flüssiges Kaliumsilikat mit einem Modul von 2,20–2,40 muss die Reaktionszeit normalerweise im Bereich von 8–12 Stunden gehalten werden. Die spezifische Zeit muss entsprechend der Reaktionsausrüstung und den Rohstoffeigenschaften angepasst werden.
(III) Lösungskonzentration und pH-Wert
Auswirkung der Konzentration: Je höher die Konzentration der flüssigen Kaliumsilikatlösung, desto größer die Konzentration der Silikatanionen pro Volumeneinheit, desto größer die Wahrscheinlichkeit einer intermolekularen Kollision und desto schneller die Polymerisationsreaktionsgeschwindigkeit. Wenn die Konzentration einen bestimmten Schwellenwert überschreitet (z. B. Baume größer als 46,0), steigt die Viskosität des Systems erheblich an, die Stoffübertragungs- und Wärmeübertragungseffizienz nimmt ab und es kann leicht zu lokaler Überhitzung und ungleichmäßiger Polymerisationsreaktion kommen, was wiederum eine Gelierung auslöst. Der Baume-Grad des flüssigen Kaliumsilikats HLKL-1, hergestellt von Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd., wird auf 44,0–46,0 kontrolliert, was in einem relativ sicheren Konzentrationsbereich liegt, es ist jedoch dennoch notwendig, auf Konzentrationsänderungen während des Produktionsprozesses genau zu achten.
pH-Wert-Regulierung: Kaliumsilikatlösung ist stark alkalisch und der pH-Wert beeinflusst die Existenzform von Silikatanionen. Unter Bedingungen mit hohem pH-Wert liegen Silikatanionen hauptsächlich in Form von Monomeren oder Oligomeren vor und die Polymerisationsreaktionsgeschwindigkeit ist langsam; Wenn der pH-Wert sinkt, nimmt der Dissoziationsgrad des Silikats ab und es bilden sich leicht kolloidale Silikatpartikel. Diese Partikel dienen als Kern der Polymerisationsreaktion und fördern die Bildung und Vernetzung von Polysilikat. Daher ist es während des Produktionsprozesses notwendig, den pH-Wert des Systems durch Zugabe alkalischer Substanzen wie Kaliumhydroxid stabil zu halten. Im Allgemeinen wird der pH-Wert zwischen 12 und 13 kontrolliert, um eine übermäßige Polymerisation zu verhindern.
(IV) Rühr- und Stoffübertragungseffekt
Rühren ist ein wichtiges Mittel, um die Gleichmäßigkeit des Reaktionssystems sicherzustellen. Wenn im Herstellungsprozess von flüssigem Kaliumsilikat das Rühren nicht ausreichend ist, können die Rohstoffkonzentration, die Temperatur und der pH-Wert im lokalen Bereich ungleichmäßig sein, was zu einer lokalen übermäßigen Polymerisation führt. Beispielsweise kann es in der toten Ecke des Reaktors oder in der Nähe des Rührflügels zu Materialretention und Überreaktion kommen, die zur Bildung eines Gelkerns führen und sich allmählich auf das gesamte System ausbreiten. Daher ist es notwendig, einen geeigneten Rührertyp und eine geeignete Rührgeschwindigkeit auszuwählen, um sicherzustellen, dass die Materialien während des Reaktionsprozesses vollständig vermischt werden und die Stoffübertragungs- und Wärmeübertragungseffizienz verbessert wird. Üblicherweise wird ein Ankerrührer oder Paddelrührer verwendet und die Rührgeschwindigkeit auf 30–60 U/min geregelt, um Mischeffekt und Energieverbrauch auszugleichen.
(V) Verunreinigungen und Katalysatoren
Zusätzlich zu den Verunreinigungsionen in den Rohstoffen führt auch die Wahl der Materialien für die Produktionsausrüstung zu Verunreinigungen. Besteht der Reaktor beispielsweise aus gewöhnlichem Kohlenstoffstahl, können sich unter stark alkalischen Bedingungen Eisenionen auflösen und in die Lösung gelangen, wodurch die Polymerisationsreaktion beschleunigt wird. Um den Eintrag von Verunreinigungen zu reduzieren, werden daher meist Reaktoren aus Edelstahl oder Emaille eingesetzt. Darüber hinaus können bestimmte Metallionen (z. B. Natriumionen und Calciumionen) als Katalysatoren zur Förderung von Polymerisationsreaktionen wirken und müssen bei der Vorbehandlung und Produktion des Rohmaterials so weit wie möglich entfernt werden.
4. Wichtige technische Maßnahmen zur Vermeidung übermäßiger Polymerisation oder Gelierung
(I) Rohstoffvorbehandlung und Qualitätskontrolle
Wählen Sie hochreine Rohstoffe: Wählen Sie Quarzsand mit geringem Verunreinigungsgehalt wie Eisen und Aluminium als Quarzsandrohstoffe aus und führen Sie eine strenge chemische Analyse der Rohstoffe durch, um sicherzustellen, dass ihre Reinheit den Produktionsanforderungen entspricht. Verwenden Sie gleichzeitig hochwertiges Kaliumhydroxid oder Kaliumcarbonat als Kaliumquelle, um den Eintrag von Verunreinigungsionen zu vermeiden.
Präzise Kontrolle des Rohstoffverhältnisses: Verwenden Sie fortschrittliche Messgeräte (z. B. elektronische Waagen, Durchflussmesser), um die Zufuhrmenge von Kaliumoxid und Siliziumdioxid genau zu steuern und sicherzustellen, dass der Modul im Zielbereich liegt. Während des Produktionsprozesses können Online-Analysegeräte verwendet werden, um den Modul und die Konzentration der Lösung in Echtzeit zu überwachen und das Rohstoffverhältnis rechtzeitig anzupassen.
(II) Optimieren Sie die Parameter des Reaktionsprozesses
Segmentierter Temperaturkontrollprozess: Verwenden Sie eine segmentierte Temperaturkontrollstrategie, um die Temperatur (z. B. 100–110 °C) zu Beginn der Reaktion angemessen zu erhöhen, um die Auflösung und die anfängliche Polymerisationsreaktion von Siliziumdioxid zu beschleunigen; Reduzieren Sie in der mittleren und späten Phase der Reaktion schrittweise die Temperatur (z. B. 80–90 °C), um die Polymerisationsreaktionsgeschwindigkeit zu verlangsamen und eine Überpolymerisation zu vermeiden. Auf diese Weise lässt sich der Polymerisationsgrad besser steuern und gleichzeitig die Reaktionseffizienz sicherstellen.
Kontrollieren Sie die Reaktionszeit genau: Abhängig von den Eigenschaften der Rohstoffe und der Leistung der Reaktionsausrüstung wird das optimale Reaktionszeitfenster durch Experimente ermittelt. Richten Sie während des Produktionsprozesses ein Zeitrelais oder ein automatisches Steuerungssystem ein, um sicherzustellen, dass die Reaktionszeit genau kontrollierbar ist und übermäßige Reaktionszeiten aufgrund menschlicher Bedienfehler vermieden werden.
Konzentration und pH-Wert der Kontrolllösung: Überwachen Sie während des Reaktionsprozesses regelmäßig den Baume-Grad und den pH-Wert der Lösung und passen Sie diese durch Zugabe von entionisiertem Wasser oder Kaliumhydroxidlösung an. Wenn der Baume-Grad nahe der Obergrenze (46,0) liegt, fügen Sie entionisiertes Wasser hinzu, um ihn rechtzeitig zu verdünnen. Wenn der pH-Wert unter 12 liegt, fügen Sie eine angemessene Menge Kaliumhydroxidlösung hinzu, um die alkalische Umgebung des Systems aufrechtzuerhalten.
(III) Rühren und Gerätedesign stärken
Optimieren Sie das Rührsystem: Wählen Sie je nach Volumen und Materialbeschaffenheit des Reaktors den passenden Typ und die Einbaulage des Rührwerks. Beispielsweise können bei großen Reaktoren mehrschichtige Rührpaddel oder kombinierte Rührwerke (z. B. Turbinenrührwerke auf der oberen Schicht und Ankerrührwerke auf der unteren Schicht) eingesetzt werden, um die Mischwirkung von Materialien in verschiedenen Bereichen zu verbessern. Gleichzeitig sind Geschwindigkeit und Richtung des Rührpaddels so ausgelegt, dass Wirbel und Materialansammlungen vermieden werden.
Verbessern Sie die Struktur des Reaktors: Verwenden Sie ein Reaktordesign mit einer glatten Innenwand und ohne tote Ecken, um die Anhaftung und Retention von Materialien an der Reaktorwand zu verringern. Beispielsweise kann der Boden des Reaktors konisch oder elliptisch gestaltet werden, um den Austrag und die Reinigung von Materialien zu erleichtern; Im Reaktor ist ein Führungsrohr angebracht, um die Fließrichtung des Materials zu lenken und die Gleichmäßigkeit der Mischung zu verbessern.
Einbringen von Ultraschall- oder mechanischen Vibrationen: Während des Rührvorgangs können Ultraschall- oder mechanische Vibrationsgeräte eingesetzt werden, um die Misch- und Stoffübertragungseffekte der Materialien durch Energiezufuhr weiter zu verbessern. Ultraschallwellen können Kavitationseffekte erzeugen, Agglomerate und Gelkeime in den Materialien zerstören und übermäßige Polymerisationsreaktionen hemmen; Mechanische Vibrationen können die Anhaftung von Materialien am Rührpaddel und an der Reaktorwand verringern und die Gleichmäßigkeit des Reaktionssystems verbessern.
(IV) Zugabe von Stabilisatoren und Inhibitoren
Die Rolle von Stabilisatoren: Zugabe einer geeigneten Menge an Stabilisatoren, wie zum Beispiel organische Alkohole (Methanol, Ethanol), Polyole (Ethylenglykol, Propylenglykol) oder Polyethylenglykol, zur flüssigen Kaliumsilikatlösung. Diese Stabilisatoren können Wasserstoffbrückenbindungen mit Silicatanionen bilden, die Bildung von Silizium-Sauerstoff-Bindungen behindern und so die Polymerisationsreaktion hemmen. Die Menge des zugesetzten Stabilisators beträgt normalerweise 0,5–2 % der Lösungsmasse, und das optimale Zugabeverhältnis muss durch Experimente ermittelt werden.
Auswahl der Inhibitoren: Bei flüssigem Kaliumsilikat mit niedrigem Modul (z. B. M=2,20–2,40) kann eine kleine Menge saures Salz (z. B. Kaliumdihydrogenphosphat, Kaliumbicarbonat) als Inhibitor zugesetzt werden. Saure Salze können einige Hydroxidionen neutralisieren und den pH-Wert der Lösung entsprechend senken, die Zugabemenge muss jedoch streng kontrolliert werden, um die Ausfällung von Silica-Kolloid aufgrund eines zu niedrigen pH-Werts zu vermeiden. Im Allgemeinen beträgt die Menge des zugesetzten Säuresalzes nicht mehr als 0,1 % der Kaliumoxidmasse in der Lösung.
(V) Echtzeitüberwachung und Prozesssteuerung
Online-Analysetechnologie: Verwenden Sie Online-Infrarotspektrometer, Viskosimeter und andere Analyseinstrumente, um die Zusammensetzung, Viskosität, den Polymerisationsgrad und andere Parameter des Reaktionssystems in Echtzeit zu überwachen. Beispielsweise kann die Infrarotspektroskopie die charakteristischen Absorptionspeaks von Silizium-Sauerstoff-Bindungen in Echtzeit erfassen und so den Polymerisationsgrad bestimmen; Das Viskosimeter kann die Änderungen in der Fließfähigkeit der Lösung in Echtzeit widerspiegeln. Wenn die Viskosität ungewöhnlich ansteigt, können rechtzeitig Maßnahmen zur Anpassung der Prozessparameter ergriffen werden.
Automatisches Steuerungssystem: Richten Sie ein automatisches Steuerungssystem ein, das auf einer SPS (speicherprogrammierbaren Steuerung) oder einem DCS (verteiltes Steuerungssystem) basiert, und beziehen Sie wichtige Prozessparameter wie Temperatur, Druck, Konzentration, pH-Wert, Rührgeschwindigkeit usw. in den Bereich der automatischen Steuerung ein. Durch den voreingestellten Steueralgorithmus und Schwellenwert wird der Betriebsstatus des Heiz-/Kühlgeräts, der Förderpumpe, des Rührwerks und anderer Geräte automatisch angepasst, um eine stabile Steuerung des Produktionsprozesses zu erreichen und die Auswirkungen menschlicher Bedienfehler auf die Produktqualität zu reduzieren.
(VI) Nachbearbeitung und Speicherverwaltung
Filtration und Klärung: Nach Abschluss der Reaktion wird die flüssige Kaliumsilikatlösung filtriert, um ungelöste Verunreinigungspartikel und mögliche Gelpartikel zu entfernen. Um die Transparenz und Reinheit des Produkts sicherzustellen, können Platten- und Rahmenfilter, Zentrifugalfilter oder Membranfiltrationsgeräte eingesetzt werden. Die gefilterte Lösung kann weiter geklärt werden, beispielsweise durch statische Sedimentation oder durch Zugabe von Flockungsmitteln zur Entfernung kleinster Schwebstoffe.
Kontrolle der Lagerbedingungen: Flüssiges Kaliumsilikat sollte in verschlossenen Kunststofffässern oder Edelstahltanks gelagert werden, um Kontakt mit Luft zu vermeiden. Die Lagerumgebung sollte kühl und trocken sein, die Temperatur sollte im Bereich von 5–30 °C liegen und direkte Sonneneinstrahlung und Umgebungen mit hohen Temperaturen vermieden werden. Während der Lagerung wird die Produktqualität regelmäßig überprüft. Bei Anzeichen einer Gelierung sollte diese rechtzeitig verarbeitet oder entsorgt werden, um zu verhindern, dass unqualifizierte Produkte auf den Markt gelangen.
5. Praktische Erfahrung
Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd verfügt als professioneller Hersteller anorganischer Siliziumprodukte über umfangreiche Erfahrungen im Produktionsprozess von flüssigem Kaliumsilikat. Das Unternehmen achtet stets auf die Kontrolle der Produktqualität und hat durch die Einführung fortschrittlicher Produktionsanlagen und Prüfinstrumente ein umfassendes Qualitätsmanagementsystem eingerichtet. Um eine übermäßige Polymerisation oder Gelierung von flüssigem Kaliumsilikat zu vermeiden, hat das Unternehmen folgende Maßnahmen ergriffen:
Strenge Rohstoffkontrolle: Wählen Sie hochreinen Quarzsand und Kaliumhydroxid als Rohstoffe und bauen Sie langfristige Kooperationsbeziehungen mit hochwertigen Lieferanten auf, um die Stabilität der Rohstoffqualität sicherzustellen. Gleichzeitig wird jede Rohstoffcharge vor dem Eintreffen im Werk streng kontrolliert, um zu verhindern, dass unqualifizierte Rohstoffe in die Produktion gelangen.
Optimierter Produktionsprozess: Der selbst entwickelte segmentierte Temperaturkontrollreaktionsprozess und das effiziente Rührsystem werden eingesetzt, um eine präzise Kontrolle der Polymerisationsreaktion zu erreichen. Durch jahrelange Prozessoptimierung kann das Unternehmen stabil flüssige Kaliumsilikatprodukte mit einem Modul von 2,20–2,40 und hervorragender Leistung herstellen.
Perfekte Testmethoden: Ausgestattet mit fortschrittlichen Instrumenten zur chemischen Analyse und Geräten zur Prüfung der physikalischen Leistung wird jeder Schritt im Produktionsprozess in Echtzeit überwacht und analysiert. Beispielsweise können durch Messung des Baume-Grades, der Dichte, des Kieselsäuregehalts, des Kaliumoxidgehalts und anderer Indikatoren der Lösung die Prozessparameter rechtzeitig angepasst werden, um sicherzustellen, dass die Produktqualität den Standardanforderungen entspricht.
Personalisierte Lösungen: Entsprechend den unterschiedlichen Bedürfnissen der Kunden kann das Unternehmen maßgeschneiderte Produkte und Lösungen für flüssiges Kaliumsilikat anbieten. Im Prozess der Kommunikation mit Kunden versteht das technische Personal des Unternehmens die Anwendungsszenarien und Leistungsanforderungen des Kunden vollständig, empfiehlt den Kunden geeignete Produktmodelle und bietet professionellen technischen Support, um Kunden bei der Lösung von während des Gebrauchs auftretenden Problemen zu unterstützen.
