1. Präzise Gestaltung des Rohstoffverhältnisses
(I) Chemische Messkontrolle von Grundrohstoffen
Der Modul (M) von Natriumsilikat ist definiert als das Verhältnis der Menge an Siliziumdioxid zu Natriumoxid (M = n (SiO₂)/n (Na₂O)). Daher ist das genaue Verhältnis von Siliziumquelle zu Natriumquelle im Rohmaterial die Grundlage für die Modulsteuerung. In der Produktionspraxis wird üblicherweise flüssiges Wasserglas als Vorläufer verwendet, dessen Anfangsmodul durch die Reaktion von Natriumhydroxid und Quarzsand reguliert werden muss. Am Beispiel des von Hengli Chemical hergestellten pulverförmigen Wasserglases HLNAP-1 beträgt sein Zielmodul 2,0 ± 0,1, und das Molverhältnis von SiO₂ zu Na₂O in der Natriumsilikatlösung muss während der Herstellungsphase des flüssigen Wasserglases streng kontrolliert werden.
Im konkreten Verfahren kann Quarzsand (Reinheit ≥ 95 %, Hauptbestandteil ist SiO₂) als Siliziumquelle und Natriumhydroxid in Industriequalität (NaOH-Gehalt ≥ 99 %) als Natriumquelle verwendet werden.
Gemäß der Moduldefinition ist M = m/n, wenn der Zielmodul 2,0 beträgt, ist m/n = 2,0, d. h. theoretisch müssen alle 2 Mol SiO₂ mit 1 Mol NaOH reagieren. Bei der tatsächlichen Produktion müssen jedoch die Umwandlungsrate von Quarzsand (normalerweise 85–95 %) und der Verlust des Reaktionssystems berücksichtigt werden. Daher muss die Konzentration von SiO₂ und Na₂O in der Reaktionslösung in Echtzeit durch Titration überwacht und das Rohstoffeinsatzverhältnis dynamisch angepasst werden. Wenn beispielsweise der anfängliche Lösungsmodul von 2,0 abweicht, kann dies durch Zugabe von NaOH (Verringerung des Moduls) oder Kieselsol (Erhöhung des Moduls) korrigiert werden.
(II) Synergistischer Effekt von Zusatzstoffen
Um die Reaktionskinetik und Produktstruktur zu verbessern, können geringe Mengen an Additiven eingebracht werden. Beispielsweise kann die Zugabe von 0,1 % bis 0,5 % Natriumsulfat (Na₂SO₄) während der Herstellung von flüssigem Wasserglas die übermäßige Polymerisation von Silizium-Sauerstoff-Bindungen durch Anpassung der Ionenstärke hemmen und Modulschwankungen vermeiden; Gleichzeitig kann die Zugabe von etwa 0,2 % Natriumpolyacrylat als Dispergiermittel die Dispergierbarkeit von Quarzsand in alkalischer Lösung verbessern und die Gleichmäßigkeit der Reaktion fördern, wodurch die Stabilität des Moduls gewährleistet wird. Darüber hinaus können für Produkte in speziellen Anwendungsszenarien, wie z. B. pulverförmiges Natriumsilikat für hochtemperaturbeständige Bindemittel, die eine hohe Modulstabilität erfordern, Spurenmengen von Lithiumsalzen (wie Li₂CO₃, hinzugefügt in einer Menge von 0,05 % bis 0,1 %) eingeführt werden, um die starke Polarisationsfähigkeit von Lithiumionen zur Regulierung der Silikatnetzwerkstruktur und zur Verbesserung der Genauigkeit der Modulsteuerung zu nutzen.
2. Wichtige Kontrollglieder des Produktionsprozesses
(I) Herstellungsprozess von flüssigem Wasserglas
Reaktionstemperatur und -druck
Die Reaktion von Quarzsand und Natriumhydroxid ist eine heterogene Fest-Flüssigkeits-Reaktion, und Temperatur und Druck wirken sich direkt auf die Reaktionsgeschwindigkeit und die Umwandlungsrate von Quarzsand aus. Im Prozesssystem von Hengli Chemical wird flüssiges Wasserglas in einem Hochdruckreaktor hergestellt, wobei die Reaktionstemperatur auf 120–150 °C und der Druck auf 1,0–1,5 MPa kontrolliert werden. Unter dieser Bedingung kann die Auflösungsrate von Quarzsand 1,2–1,5 g/(min・L) erreichen und die Umwandlungsrate kann bei mehr als 92 % stabilisiert werden. Eine zu niedrige Temperatur führt zu einer unvollständigen Reaktion, einem niedrigen Modul und großen Schwankungen. Eine zu hohe Temperatur kann zu einer übermäßigen Polymerisation führen, was zu Abweichungen bei der Modulmessung führt. Das PID-Temperaturregelsystem wird verwendet, um Temperaturschwankungen auf ±2℃ und Druckschwankungen auf ±0,05 MPa zu kontrollieren, um die Stabilität des Reaktionsprozesses sicherzustellen.
Rührgeschwindigkeit und Reaktionszeit
Die Rührgeschwindigkeit muss bei 150–200 U/min gehalten werden, um einen vollständigen Kontakt zwischen der festen und flüssigen Phase sicherzustellen. Die Reaktionszeit beträgt normalerweise 4–6 Stunden und muss entsprechend der Quarzsand-Partikelgröße angepasst werden (wenn die Quarzsand-Partikelgröße ≤ 0,1 mm beträgt, kann die Reaktionszeit auf 3 Stunden verkürzt werden). Die Viskositätsänderung der Reaktionsflüssigkeit wird durch ein Online-Viskosimeter überwacht. Wenn die Viskosität 15–20 mPa·s erreicht, wird der Endpunkt der Reaktion bestimmt. Zu diesem Zeitpunkt liegt der Lösungsmodul nahe am Zielwert von 2,0.
(II) Optimierung der Sprühtrocknungsprozessparameter
Wenn flüssiges Wasserglas durch Sprühtrocknung in ein pulverförmiges Produkt umgewandelt wird, wirken sich die Wärmeübertragungs- und Stoffübertragungseigenschaften des Trocknungsprozesses auf die Mikrostruktur des Produkts aus und haben dann einen indirekten Einfluss auf den Modul. Zu den wichtigsten Prozessparametern gehören:
Einlasstemperatur und Auslasstemperatur
Die Einlasstemperatur wird auf 300–350 °C und die Auslasstemperatur auf 120–140 °C geregelt. Heißluft mit hoher Temperatur kann die Tröpfchen sofort entwässern (Trocknungszeit <5 Sekunden), wodurch eine sekundäre Polymerisation oder Zersetzung der Silikatstruktur aufgrund langfristiger Erwärmung vermieden wird. Wenn die Einlasstemperatur unter 280 °C liegt, kann es zu Restfeuchtigkeit (Wassergehalt > 5 %) kommen, was die Genauigkeit der Modulmessung beeinträchtigt. Wenn die Temperatur höher als 380℃ ist, kann es zu einer lokalen Überhitzung kommen, wodurch sich Na₂O verflüchtigt und der gemessene Modul höher wird.
Zerstäubungsdruck und Düsenöffnung
Es wird eine Druckzerstäubungsdüse mit einem Zerstäubungsdruck von 6–8 MPa und einer Düsenöffnung von 1,0–1,2 mm verwendet. Unter diesem Parameter kann die durchschnittliche Tröpfchengröße auf 50–80 μm gesteuert werden, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Pulverpartikelgröße nach dem Trocknen gewährleistet wird (100-Mesh-Durchlaufrate ≥95 %, wie z. B. Produkte vom Typ HLNAP-1). Ein zu niedriger Zerstäubungsdruck führt zu einer zu großen Tröpfchengröße, die nach dem Trocknen große Partikelagglomerate bildet, und es können restliche Flüssigkeitsbestandteile vorhanden sein, die im Inneren nicht vollständig getrocknet sind, was die Gleichmäßigkeit des Moduls beeinträchtigt; Ein zu hoher Druck kann zu viel feines Pulver erzeugen (<200 Mesh-Partikel machen >10 % aus), erhöht den Staubverlust und kann die Schüttdichte des Produkts verändern (Zielwert 0,6 kg/l), was sich indirekt auf die Repräsentativität der Probenahme während der Modulprüfung auswirkt.
(III) Alterungs- und Homogenisierungsbehandlung
Das getrocknete pulverförmige Produkt muss 24–48 Stunden lang in einem versiegelten Lagerhaus reifen, wobei die Alterungstemperatur auf 40–50 °C und die Luftfeuchtigkeit < 30 % relative Luftfeuchtigkeit kontrolliert werden müssen. Während des Alterungsprozesses werden die Feuchtigkeitsverteilung und die Mikrostruktur im Inneren des Pulvers weiter ausgeglichen, wodurch die Modulschwankungsspanne um ±0,03 reduziert werden kann. Bei serienmäßig hergestellten Produkten werden Luftstrom-Homogenisierungsgeräte zum Mischen verwendet (Homogenisierungszeit 1–2 Stunden, Luftstromgeschwindigkeit 15–20 m/s), um die Modulgleichmäßigkeit jeder Produktcharge sicherzustellen (Modulabweichung zwischen Chargen ≤ ± 0,05).
3. Analyse von Faktoren, die die Modulkontrolle und Gegenmaßnahmen beeinflussen
(I) Schwankungen der Rohstoffqualität
Reinheit und Partikelgröße von Quarzsand
Wenn der Gehalt an Verunreinigungen wie Fe₂O₃ und Al₂O₃ im Quarzsand 1,0 % übersteigt, reagiert er mit NaOH unter Bildung entsprechender Natriumsalze, verbraucht Natriumquellen und führt dazu, dass der tatsächliche Modul zu hoch ist. Gegenmaßnahmen: Verwenden Sie ein magnetisches Trennbeizverfahren (Einweichen mit 10 %iger Salzsäure für 2 Stunden), um Verunreinigungen zu entfernen und die Reinheit des Quarzsands auf über 98 % zu erhöhen. Eine ungleichmäßige Verteilung der Quarzsand-Partikelgröße (z. B. Partikelgrößenspanne > 0,3 mm) führt zu inkonsistenten Reaktionsgeschwindigkeiten und die lokale Modulabweichung kann ±0,2 erreichen. Lösung: Verwenden Sie Vibrationssiebung, um eine Partikelgrößenklassifizierung zu erreichen, und verwenden Sie Quarzsand mit einer Partikelgröße von 0,05–0,1 mm als Rohmaterial.
Problem mit dem Zerfließen von Natriumhydroxid
Natriumhydroxid in Industriequalität nimmt während der Lagerung leicht Feuchtigkeit auf, was zu einer Verringerung des effektiven NaOH-Gehalts führt (der gemessene Gehalt kann weniger als 95 % betragen), was zu Abweichungen bei der Verhältnisberechnung führt. Gegenmaßnahmen: Kaufen Sie Natriumhydroxid in verschlossenen Fässern, kalibrieren Sie die Konzentration vor der Verwendung durch Säure-Base-Titration neu und passen Sie die Futtermenge entsprechend dem gemessenen Wert an.
(II) Schwankungen der Prozessparameter
Änderungen der Wärmeübertragungseffizienz des Reaktors
Nach längerem Gebrauch kann es zu Ablagerungen an der Innenwand des Reaktors kommen (Hauptbestandteil ist Kalziumsilikat), was zu einer Abnahme des Wärmeübergangskoeffizienten und einer Verzögerung der Reaktionstemperatur führt. Lösung: Führen Sie regelmäßig (vierteljährlich) eine chemische Reinigung durch (verwenden Sie 5 %ige Flusssäurelösung für 2 Stunden Zirkulationsreinigung), um die Wärmeübertragungseffizienz wieder auf mehr als 90 % des Anfangswerts zu bringen.
Phänomen der Materialansammlung im Sprühtrocknungsturm
Wenn sich übermäßig viel Pulver an der Innenwand des Trockenturms ansammelt (Verweilzeit > 24 Stunden), kann es aufgrund der Feuchtigkeitsaufnahme zerfließen und hochviskose Agglomerate bilden, was die Stabilität des nachfolgenden Zerstäubungstrocknungsprozesses beeinträchtigt. Gegenmaßnahmen: Installieren Sie ein automatisches Vibrationsgerät (Vibration 5–10 Mal pro Stunde, Amplitude 5–8 mm) und reinigen Sie die Innenwand nach jeder Schicht, um die Dicke des angesammelten Materials auf ≤ 1 mm zu kontrollieren.
(III) Systematischer Fehler der Nachweismethode
Bei der Modulerkennung wird in der Regel eine Säure-Base-Titration verwendet, die Details des Betriebsprozesses können jedoch zu Fehlern führen. Wenn beispielsweise die Wassertemperatur beim Auflösen der Probe 60 °C überschreitet, beschleunigt dies die Hydrolyse des Silikats, was zu einem niedrigen SiO₂-Messwert und einem kleinen Modulberechnungswert führt. Verbesserungsmethode: Verwenden Sie zum Auflösen der Probe entionisiertes Wasser bei 30℃±2℃ (z. B. Auflösungsgeschwindigkeit des Produkts vom Typ HLNAP-1 ≤60s/30℃) und verwenden Sie einen Magnetrührer für schnelles Rühren (Geschwindigkeit 300 U/min), um eine vollständige Auflösung innerhalb von 2 Minuten sicherzustellen und Hydrolyseverluste zu reduzieren. Darüber hinaus wirkt sich auch die Wahl des Indikators (z. B. der Unterschied im Farbumschlagsbereich von Methylorange und Phenolphthalein) auf die Bestimmung des Titrationsendpunkts aus. Es wird empfohlen, anstelle der herkömmlichen Indikatormethode die potentiometrische Titration (Endpunktbestimmungsfehler < 0,1 ml) zu verwenden, um die Genauigkeit der Analog-Digital-Detektion zu verbessern (Abweichung bei wiederholten Messungen ≤ ±0,02).
