Главная → Статьи

Жидкие и растворимые стекла

«Жидкое стекло» относят к водным растворам щелочных силикатов—силикатам натрия, калия и лития. Натриевые и калиевые жидкие стекла чаще всего являются продуктами растворения в воде стекловидных растворимых силикатов натрия и калия (растворимых стекол). Растворимые силикаты натрия и калия в виде растворимых стекол имеют также техническое название «силикат-глыба».

Жидкие натриевые и калиевые стекла могут быть получены и прямым растворением кремнезема в едкой щелочи, а также растворением в воде и щелочах кристаллических и аморфных силикатов или гидросиликатов.

В случае литиевого жидкого стекла прямое растворение кремнезема в литиевой едкой щелочи является единственно возможным способом синтеза.

Таким образом, понятие «жидкое стекло» относят к водным растворам щелочных силикатов, независимо от способа получения этих растворов, тогда как под «растворимым стеклом» следует понимать только растворимые силикаты натрия и калия в стеклообразном состоянии.

Промышленностью выпускаются в основном натриевые жидкие стекла, в меньших масштабах производятся калиевые жидкие стекла, и в незначительных объемах —литиевые.

В соответствии с действующей нормативно-технической документацией, отечественная промышленность выпускает «стекло натриевое жидкое», «стекло калиевое жидкое», а также смешанные калиево-натриевые и натриево-калиевые жидкие стекла. Основное количество жидкого стекла получают растворением стекловидных силикатов натрия и калия, в ограниченных масштабах применяется прямое растворение в щелочах природных или искусственных кремнеземсодержащих веществ. В отдельных случаях жидкое стекло является попутным продуктом синтеза или переработки материалов.

Выпуск стекловидных растворимых силикатов натрия и калия осуществляют на стекольных заводах. Производство жидкого стекла (растворение силикат-глыбы) рассредоточено по многочисленным предприятиям — потребителям жидкого стекла, относящимся к различным отраслям народного хозяйства.

Силикаты натрия и калия растворимые. В виде товарного продукта в нашей стране натриевая силикат-глыба выпускается по ГОСТ 13079 «Силикат натрия растворимый», а калиевая силикат-глыба—по ГОСТ 21-3 «Силикат калия растворимый».

Общая характеристика силикат-глыбы включает химический состав, определяющий содержание основных оксидов (R2O, Si02), силикатный модуль (n = Si02/R20 мольн.) и содержание примесных компонентов стекла (БегОз, AI2O3, CaO, SO3). Для силикат-глыбы указываются также тип исходного сырья (содовая, содово-сульфатная), внешний вид, размеры кусков стекла, отгружаемого стекольными заводами.

Процессы силикатообразования и последующего формирования силикат-глыбы являются многостадийными и включают последовательно и одновременно протекающие высокотемпературные процессы взаимодействия компонентов как в твердом, так и , в жидком расплавленном состоянии. При последовательном повышении температуры происходят: удаление влаги гигроскопической (110—120 °С) и кристаллогидратной (выше 200 °С), которая формируется, в частности, при увлажнении шихты; полимерные превращения кварца, сульфата натрия (aj£/?-Na2S04, при 235 °С); термическая диссоциация карбоната калия (при 410 °С); плавление компонентов шихты (КагСОз, при 855 °С); твердофазные образования силикатов натрия и калия (при 800—900 °С); образование эвтектических расплавов в системах R2O — SiC>2; формирование спеков силикатов щелочных металлов и кварца; плавление образовавшихся спеков и растворение кремнезема в щелочно-силикатном расплаве; формирование стекломассы (1400 °С) и ее охлаждение.

Полное связывание соды завершается при температуре 920— 950 °С, продукты реакции представляют собой спекшую массу высокоосновных силикатов натрия (метасиликата натрия), кремнезема и щелочно-силикатного стекла переменного состава. Наиболее интенсивное образование силикатов калия фиксируется в температурном интервале 1000—1100 °С.

Технологический процесс получения силикат-глыбы (растворимых силикатов натрия и калия) включает следующие переделы производства:
1. Прием, складирование, подготовка сырьевых материалов и приготовление стекольной шихты.
2. Варка силикат-глыбы в ванной стекловаренной печи.
3. Выработка и грануляция стекломассы, ее хранение и отгрузка.

Песок поступает на склад цеха навалом в железнодорожных платформах и полувагонах, разгружается в траншеи склада, из которых забирается грейферным краном и штабелируется в на-мольном складе. Со склада он подается в производство краном через бункера. Для сушки песка используются два сушильных барабана 0 10 м, для просеивания — ситобураты. Высушенный и просеянный песок хранится в бункерах над весовыми линиями.

Сода поступает на завод навалом или в мешках в крытых вагонах, а также в вагонах типа «хоппер». Выгрузка соды, поступающей навалом в крытых вагонах, осуществляется пневмораз-грузчиком на склад, из хопперов — самотеком в бункера, расположенные под железнодорожным путем, а затем пневматическими насосами — в силос для хранения. Тарная сода в мешках разгружается электропогрузчиком на склад. Из силоса системой шнеков она выдается на просев и в бункера над весовыми линиями.

Просеянная сода, высушенный и просеянный песок хранятся в бункерах над весовыми линиями. В каждой линии предусмотрено двое весов ДВСТ и два смесителя ВА-248. Подготовленная шихта элеваторами подается в бункера запаса, откуда по мере надобности системой ленточных конвейеров транспортируется в бункера над загрузчиками шихты.

Для производства силикат-глыбы установлена ванная печь для варки стекломассы. Характеристика печи: непрерывного действия, регенеративная, с поперечным направлением пламени, тепловая мощность —7 • 107 кДж/ч, производительность—280 т в сутки, площадь варочной части печи — 100 м2. Удельный съем стекломассы с 1 м2 варочной печи — 2800 кг в сутки, расход тепла на один килограмм сваренной стекломассы — 6 • 103 кДж/кг. Ширина варочного бассейна — 7,8 м, глубина—1,4 м. По газовой среде выработочная часть печи полностью отделена от варочной.

Дно выработочной и варочной частей печи футеруется многошамотным брусом, стены варочного бассейна выполняются из бакора 33. Для футеровки агрегата предусмотрена также теплоизоляция из фосфатного ячеистого бетона, фосфатных плит, легковесного динаса.

Жидкие стекла. Представляют собой густые вязкие прозрачные жидкости без механических включений и примесей, видимых невооруженным глазом. Жидкое стекло может быть бесцветным, однако в большинстве случаев оно окрашено примесями в слабо-желтый или серый цвет. Содово-сульфатное жидкое стекло окрашено в более темные тона, это связано с влиянием остаточных количеств углеродного восстановителя в составе силикат-глыбы. В ряде случаев наблюдается легкая опалесценция растворов жидких стекол, обусловленная появлением в них полимерных разновидностей кремнезема.

Промышленное жидкое стекло выпускается в виде растворов высокой плотности: натриевых—1,36-*-1,45 г/см3, калиевых — 1,4ч-1,56 г/см3. Для некоторых потребителей изготавливаются еще более концентрированные натрий-силикатные растворы (с плотностью 1,47—1,52 г/см3, для литейного производства и производства сварочных материалов).

Плотность жидкого стекла неоднозначно определяется концентрацией растворенного силиката щелочного металла, поскольку такой силикат может характеризоваться различным соотношением Si02 и Na20 (разным модулем) и вклад этих оксидов в плотность раствора неодинаков.

Плотность растворов жидкого стекла зависит от его химического состава (соотношения оксидов Si02 и R20) и общего содержания растворенного твердого вещества. Таким образом, плотность стекла определяется значением кремнеземистого (силикатного) модуля и абсолютным содержанием Si02 и R20. Для однозначного нахождения любой из этих трех характеристик необходимо знать значения двух других. Так, зная модуль жидкого стекла и плотность, можно однозначно определить содержание в растворе оксидов R20 и Si02, а по модулю и абсолютному содержанию оксидов — плотность раствора. Вычислив содержание в жидком стекле Na20 и плотность, при известной величине модуля можно рассчитать количество в нем Si02.

Наряду с такими характеристиками жидкого стекла, как плотность, концентрация щелочного катиона (R20, ) и кремнезема (Si02,), однозначно определяющими его состав, важнейшей характеристикой является вязкость стекла — функция концентрации, типа щелочного катиона и температуры.
Характерно очень резкое изменение вязкости растворов при определенных значениях их концентрации и модуля. Вязкость растворов силикатов калия растет при увеличении концентрации еще более быстро, чем натриевых силикатных растворов. Калиевые жидкие стекла при одинаковой концентрации и одинаковом модуле значительно более вязкие. Щелочность промышленных растворов щелочных силикатов натрия и калия характеризуется значениями рН«11ч-12.

Основными способами производства жидкого стекла, реализованными в больших промышленных масштабах, являются: растворение силикат-глыбы во вращающихся автоклавах, растворение силикат-глыбы в стационарных автоклавах.

В значительно меньших масштабах реализованы: растворение силикат-глыбы безавтоклавным способом, растворение кремнеземсодержащих компонентов в едких щелочах; комплексная переработка кремнеземсодержащего сырья на жидкое стекло и другие продукты; получение жидкого стекла в качестве побочного продукта (отхода) на непрофильных предприятиях.

Технология жидкого стекла в общем виде включает следующие переделы производства: прием и подготовку исходных сырьевых материалов; растворение исходных сырьевых материалов в воде или в щелочных растворах; корректирование состава жидкого стекла в процессе варки или после ее завершения (при необходимости); отстаивание жидкого стекла в бассейне-отстойнике; фильтрацию и концентрирование жидкого стекла упариванием; хранение и отгрузку жидкого стекла потребителю.

В ряде случаев требуемый уровень свойств жидкого стекла обеспечивается непосредственно при автоклавном растворении и тогда технология упрощается за счет исключения таких операций, как фильтрация или упаривание.

Основными агрегатами для растворения силикат-глыбы являются автоклавы (стационарные и вращающиеся) и аппараты для безавтоклавного растворения. Как в стационарных, так и во вращающихся автоклавах разогрев силикат-глыбы, а также поддержание требуемых температуры и давления осуществляются острым паром. Процесс растворения идет при 0,3—0,7 МПа и температуре 120—150 °С. Длительность варки стационарных автоклавах составляет 5—6 ч и превышает продолжительность растворения силикат-глыбы во вращающихся автоклавах (1—2 ч). Кроме более длительного цикла растворения, к недостаткам стационарных автоклавов следует отнести возможность образования значительных нерастворимых осадков, что делает необходимым их систематическое удаление.

Процесс варки включают засыпку в автоклав силикат-глыбы, залив в него воды (обычно горячей) для получения раствора нужной концентрации, герметизацию автоклава, включение механизма вращения (для вращающихся автоклавов) и подачу острого пара до достижения необходимых параметров растворения. При этом вода, образовавшаяся во время прогрева автоклава за счет конденсации пара, участвует в процессе растворения силикат-глыбы. После прогрева всей системы до заданной температуры подачу пара, прекращают, и процесс осуществляется благодаря экзотермии реакции. Соотношение количества воды, подаваемой непосредственно на силикат-глыбу, и воды, полученной при последующей конденсации острого пара, зависит от конструкции автоклава, температуры исходной воды, объема загрузки, параметров растворения и т. д. Обычно массовое соотношение исходной воды и силикат-глыбы близко к 2:1.

После достижения раствором требуемой плотности растворение прекращают и жидкое стекло за счет давления в автоклаве передавливают в расширительную емкость — отстойник.

Силикат натрия (силикат-глыба) доставляется на склад по железной дороге в полувагонах (вагоны с нижней выгрузкой) и выгружается в завальные ямы. Из ям силикат-глыба грейферным краном 1 и засыпается в штабеля 2 по всей площади склада. По мере потребления силикат-глыба из штабеля грейферным краном подается через бункер-воронку 3 в поточно-транспортную систему, состоящую из питателя 4, ленточного конвейера 5 с железоотделителем 6, элеватора 7, и поступает в бункер-весы 8. На весах отвешивается заданная порция силикат-глыбы, которая реверсивным конвейером 9 транспортируется во вращающийся автоклав 10 вместимостью 5 м3. В автоклав подается горячая вода из мерника 11.

По окончании загрузки автоклава его люк закрывают, крепят болтами и начинают процесс варки. Для этого в автоклав подают острый пар под давлением 1 МПа и включают механизм вращения. Подача пара производится до достижения давления в автоклаве 0,8 МПа, затем ее прекращают и далее процесс идет за счет тепла реакции, при этом давление в автоклаве вновь поднимается до 1 МПа. Для поддержания постоянного давления в процессе растворения силиката натрия автоклав периодически подпитывают паром. Длительность варки составляет 1 ч 30 мин — 1 ч 50 мин (включая загрузку). По окончании процесса раствор жидкого стекла сливают. Для этого прекращают подачу пара, вращение автоклава останавливают в таком положении, чтобы фланец сливного устройства совпал с фланцем сливного коллектора и жестко соединяют фланцы, после этого открывают спускную задвижку на автоклаве. Жидкое стекло передавливается в промежуточную емкость 11 под остаточным давлением в автоклаве. Паровоздушная смесь, сопровождающая раствор жидкого стекла, удаляется из емкости 11 в атмосферу через ловушку, где происходит расширение смеси и улавливание брызг; из ловушки предусмотрен слив промышленных вод в сборник. Время окончания выпуска жидкого стекла определяют по быстрому падению давления в автоклаве (по манометру).

Из емкости отбирают пробу раствора жидкого стекла, определяют его плотность и силикатный модуль. Из промежуточной емкости жидкое стекло направляют в один из отстойников, где и происходит отстаивание жидкого стекла от механических примесей в течение 24 ч.

По мере накопления шлама в отстойнике производят его чистку: шлам выгружают 1 раз в 2—3 месяца. Для этого в отстойник подают горячую воду и перемешивают шлам с водой сжатым воздухом. Промытый шлам насосом подают на фильтр-пресс. Фильтрат, представляющий собой слабый раствор силиката натрия, с фильтр-пресса самотеком поступает в сборник, из которого насосом через теплообменник подается в мерник вместо свежей воды, используемой на растворение силикат-глыбы в автоклаве. По мере накопления шлама фильтр периодически чистят, шлам через корыто-течку выгружают в автомашину и вывозят в отвал.

Существуют три области практического применения силикатов вообще и жидкого стекла в частности.

Первая область применения жидкого стекла связана с его вяжущими свойствами — способностью к самопроизвольному отвердеванию с образованием искусственного силикатного камня. Уникальной способностью жидкого стекла является также проявление им высоких адгезионных свойств к подложкам различной химической природы. В этих случаях жидкое стекло выступает в качестве химической связки для склеивания различных материалов, изготовления покрытий и производства композиционных материалов широкого назначения.

Вторая область использования жидких стекол предусматривает их применение как источника растворимого кремнезема, т. е. в качестве исходного сырьевого компонента для синтеза различных кремнеземсодержащих веществ — силикагеля, белой сажи, цеолитов, катализаторов, золя кремнезема и др.

Третья область применения жидкого стекла связана с необходимостью использования силикатов щелочных металлов в качестве химических реагентов в составе различных веществ. Это направление предусматривает включение жидкого стекла в состав синтетических моющих средств, для отбеливания и окрашивания тканей, при производстве бумаги.

Предпосылками для широкого применения жидкого стекла в различных отраслях народного хозяйства являются следующие:
1. Высокий уровень вяжущих свойств, обеспечивающий получение необходимых технических характеристик композиционного материала при небольшом расходе связующего. Возможность получения широкого диапазона технических свойств композиционных материалов на основе жидкого стекла: водостойкости, химической стойкости, атмосферостойкости, термических свойств и др.
2. Дешевизна и недефицитность исходного сырья для производства растворимого и жидкого стекла (кварцевый песок, сода, поташ), сравнительная простота технологии. Эти обстоятельства делают жидкое стекло доступным и недорогим материалом.
3. Нетоксичность жидкого стекла обеспечивает хорошие санитарно-гигиенические условия труда рабочих как при производстве стекла, так и при получении композиционных материалов на его основе.
4. Абсолютная негорючесть и отсутствие выделения каких-либо газообразных веществ (кроме водяных паров) при нагреве до сравнительно высоких температур (выше 600 °С), возможность использования жидкого стекла для получения термостойких и огнеупорных материалов.
Негорючесть и нетоксичность жидкого стекла делают его конкурентоспособным по сравнению со связующими органического происхождения. В некоторых случаях эти обстоятельства предопределяют выбор жидкого стекла в качестве связующего даже в ущерб уровню технических свойств композиционного материала.
5. Жидкие стекла являются единственным широко доступным источником растворимого кремнезема, необходимого для синтеза неорганических и кремнеорганических соединений. Такой источник растворимого кремнезема не имеет природных аналогов.

Современные области применения водорастворимых силикатов в промышленности и строительстве обширны: машиностроение (связующие для литейных формовочных смесей и противопригарных красок); целлюлозно-бумажная промышленность (пропитка бумажной массы, склеивание); производство жароупорных (растворы и бетоны) и кислотоупорных материалов, а также катализаторов, цеолитов, силикагеля, белой сажи, синтетических моющих средств, электросварочных материалов (штучных сварочных электродов и керамических флюсов), силикатных лакокрасочных материалов; приготовление инъекционных составов для укрепления грунтов при строительстве и т. д.

1. Отличная статья, но ничего не сказано о литиевом стекле.

   — Василий · апр 7, 07:46 · #

Ваш отзыв