CN113149021B - 一种节能降耗生产硅溶胶的方法 - Google Patents

一种节能降耗生产硅溶胶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于硅溶胶制备技术领域，具体涉及一种节能降耗生产硅溶胶的方法。所述方法包括：在常压下溶解固体水玻璃得到液体水玻璃，溶解温度为50℃～100℃；将得到的液体水玻璃逐渐加入到含有二氧化硅晶种的合成釜内进行颗粒增长并进行超滤浓缩，分别得硅溶胶和超滤液；超滤液经阳离子树脂交换，得去离子水；去离子水用于继续溶解固体水玻璃。本发明方法中固体水玻璃不需要在高温高压下溶解、放料冷却，且无需进行稀硅酸加热合成稀硅溶胶、再放料冷却的步骤，此外，过程产生的去离子水得到回用，因此该方法具有节能、降耗的优点。

Description

一种节能降耗生产硅溶胶的方法
技术领域
本发明属于硅溶胶制备技术领域，具体涉及一种节能降耗生产硅溶胶的方法。
背景技术
硅溶胶是纳米级的二氧化硅颗粒在水中的分散液，具有颗粒均匀、无毒无污染、比表面积大、反应活性高、吸附能力和粘结性能强等特点，广泛用于建筑涂料、精密铸造、耐火材料、催化剂载体和造纸等诸多行业。
工业上生产硅溶胶主要有以下几种方法：1)金属硅溶解法，2)有机硅水解法，3)气相白炭黑分散法，4)水玻璃离子交换法。水玻璃离子交换法由于原料成本低，品种丰富而成为目前商品硅溶胶生产的主流方法。通常，水玻璃离子交换法生产硅溶胶包括以下几个步骤：
1)固体水玻璃(按《工业硅酸钠》GB/T4209-2008，固-1、固-2)加水在压力为7kg/cm2～8kg/cm2和温度为170℃～180℃下溶解，然后放料冷却至温度<35℃，得到液体水玻璃，其中液体水玻璃中的固含量为35％～36％；
2)液体水玻璃稀释得到稀水玻璃溶液，其中稀水玻璃溶液中固含量为6％～7％；
3)稀水玻璃溶液在温度<35℃下经阳离子树脂交换得硅酸，其中硅酸中二氧化硅的含量为5％～6％；
4)反应釜内加入硅酸，搅拌，再加入适量的碱性溶液(如氢氧化钠)，升温至100℃得到硅溶胶晶种；
5)逐渐加入稀硅酸至含有晶种的反应釜内，保持温度85～100℃，进行二氧化硅颗粒增长，直至得到所需粒径与浓度的稀硅溶胶；
6)冷却稀硅溶胶，超滤浓缩至所需浓度的成品，超滤液经废水处理排放。
目前，采用传统工艺生产1吨含有二氧化硅质量百分数为30％的硅溶胶，在固体水玻璃溶解和合成过程中共需消耗蒸气约1.3吨，超滤浓缩稀硅溶胶所产生的废水约5.3m3。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种节能降耗生产硅溶胶的方法，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。
本发明的目的之一在于提供一种节能降耗生产硅溶胶的方法，包括：
在常压下溶解固体水玻璃得到液体水玻璃，溶解温度为50℃～100℃。
优选地，还包括：得到的液体水玻璃直接加入到含有硅溶胶晶种的合成釜内进行颗粒增长。优选地，所述硅溶胶晶种中二氧化硅的含量为3wt％～7wt％，所述硅溶胶晶种的粒径为3nm～7nm。
优选地，在颗粒增长同时进行超滤以移除合成釜溶液中的氢氧化钠获得超滤液。
优选地，在颗粒增长的过程中，通过调节超滤速率与合成温度来实现对合成过程中pH的控制，控制pH为8.5～10.7，控制合成温度为85℃～100℃。
优选地，所述超滤液未经冷却经阳离子树脂交换获得去离子水。
优选地，经阳离子交换获得去离子水用于溶解固体水玻璃或稀释水玻璃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明方法中固体水玻璃不需要在高温高压下溶解，仅在常压下于50℃～100℃即可溶解于水中。
2、本发明方法中无需进行稀硅酸加热合成稀硅溶胶、再放料冷却的步骤，整个过程受热物料仅仅为补充的水。
3、本发明方法可以使超滤产生的废水得到回用，具有节能、降耗的优点。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
本申请中申请人提供一种节能降耗生产硅溶胶的方法：固体水玻璃经50℃～100℃水溶解，得液体水玻璃；将获得的液体水玻璃逐渐加入到含有硅溶胶晶种的合成釜内进行颗粒增长并进行超滤浓缩，分别得硅溶胶和超滤液，超滤液为稀氢氧化钠溶液；超滤液经阳离子树脂交换得去离子水；交换得去离子水用于溶解固体水玻璃或稀释水玻璃。
本发明通过研究意外发现，在50℃～100℃条件下，固体水玻璃在水中不仅有较高的溶解速率，而且能得到固含量>40％的液体水玻璃，此外还发现在二氧化硅颗粒增长过程中，加入水玻璃，水玻璃中的二氧化硅同样能聚合在晶种上，控制pH为8.5-10.7，聚合过程可持续进行。本发明在此基础上，在二氧化硅颗粒增长过程中，通过超滤以移出体系中的氢氧化钠，并通过超滤的出液量和所述聚合反应的温度以保持体系的pH值为8.5～10.7，从而使得制备获得的硅溶胶的粒径为13～14nm；二氧化硅的质量百分数为25～35％。
鉴于以上两项研究成果，本发明设计了以下工艺路线生产硅溶胶，以减少蒸气消耗，实现超滤液的零排放。本发明设计的工艺路线如下：
1)水玻璃常压溶解
在水玻璃溶解釜(槽、柱)内加入固体水玻璃和去离子水，泵循环，加热循环液，溶解水玻璃，得液体水玻璃；在循环的同时，移出部分液体水玻璃去硅溶胶合成，同时补充去离子水维持循环液数量(补充分两部分：A)新增去离子水，B)经3)步骤获得的去离子水)，逐渐补充固体水玻璃消耗量。
2)颗粒增长
将1)步骤获得的液体水玻璃加入到合成硅溶胶的合成釜内，同时开启超滤器(泵循环)，收集超滤液去树脂交换。
3)去离子水回用
将2)步骤收集的超滤液经阳离子树脂交换得去离子水，作为1)步骤中的B)部分泵至水玻璃溶解釜内，交换柱失效后同传统工艺再生。
4)结束
持续2)步骤至所需粒径、浓度的成品硅溶胶，移出成品，进行下一釜合成。
分析以上工艺，不难看出，与传统工艺相比，整个过程受热物料仅为补充去离子水A)部分，超滤液得到回用。
经生产统计，采用本发明的制备方法，生产1吨含SiO2的质量百分数为30％的硅溶胶，所需蒸汽<0.2吨，比传统工艺节省1吨，大约节省85％，同时实现了超滤液零排放。
与传统方法相比：1)未经固体水玻璃高温高压溶解、放料冷却，2)未经稀硅酸加热合成稀硅溶胶、再放料冷却，3)过程产生的水得到回用，因此该方法具有节能、降耗的优点。
采用上述方法，在合成釜中硅溶胶的粒径与浓度达到所需需求时，放料，移出成品，进行下一釜合成。具体来说，采用上述方法可以形成的硅溶胶的平均粒径为13～14nm；硅溶胶中二氧化硅的质量百分数为25～35％。
在颗粒增长的过程中，通过调节超滤速率与合成温度来实现对合成过程中pH的控制，控制pH为8.5～10.7，控制合成温度为85～100℃。更优选地，溶解温度为95～100℃。更优选地，控制合成温度为95～98℃。更优选地，控制pH为9.5～10.3。
优选地，为了让常压和较低温度下固体水玻璃能够持续的溶解形成液体水玻璃，可以通过控制溶解系统中液体水玻璃的移出量、固体水玻璃的补充量或新增去离子水的补充量。在一个具体的实施方式中，当液体水玻璃的移出量为15m3/h～16m3/h时，固体水玻璃的补充量为0.20t/h～0.45t/h，新增去离子水的补充量为0.35m3/h～0.75m3/h。
优选地，所述硅溶胶晶种中二氧化硅的含量为3wt％～7wt％，所述硅溶胶晶种的粒径为3nm～7nm。
具体地，本申请中超滤膜可以将溶液中的氢氧化钠从聚合反应体系中移出，确保聚合反应体系的pH值在8.5～10.7之内，避免了聚合反应过程中积累的氢氧化钠对聚合反应的不利影响，使得聚合反应能够在上述pH范围内持续进行。优选地，所述超滤采用内压管式超滤膜进行。更优选地，所述内压管式超滤膜选自湖北沙市水处理设备厂。
以下通过具体的方法实验来体现本发明上述技术方案及其达到的技术效果。
实施例1
本实施例中，按本申请上述的工艺路线如下：
A)在装有固体水玻璃的溶解釜中，加入去离子水，泵循环，通过板式换热器加热循环液，使得去离子水温度维持在95-100℃；为了保证持续有足够量的液体水玻璃溶解，按0.75m3/hr的速度补充新增去离子水，按0.45t/hr速度补充固体水玻璃；按15-16m3/hr的速度将液体水玻璃加入到5m3的合成釜内，合成釜内预先加入SiO2含量5％，粒径5nm的硅溶胶晶种溶液1.5吨；C)工序获得的去离子水全部进入水玻璃溶解釜内中。
B)接A)工序，在液体水玻璃加入合成釜同时，开启超滤循环泵，控制超滤液出液量在14-15m3/hr，维持合成温度在95-100℃，监测溶液pH在9.8-10.5，如溶液pH升高，则通过控制水玻璃溶解温度与合成温度适当调节；温度升高时pH升高，反之也然；超滤液泵入交换塔。
C)将B)工序获得的超滤液流经交换塔，经阳离子树脂进行离子交换后获得去离子水泵入到水玻璃溶解釜内，继续溶解水玻璃。
约5小时后，合成釜内可得成品硅溶胶约5.0吨；成品硅溶胶中，SiO2含量为30wt％，平均粒径为14nm，pH为10.2。在这一制备过程中，每吨硅溶胶的蒸气消耗量0.16吨。
实施例2
本实施例中，按本申请上述的工艺路线如下：
A)在装有固体水玻璃溶解釜中，加入去离子水，泵循环，通过板式换热器加热循环液，使得去离子水温度维持在85-95℃；按0.6m3/hr的速度补充新增去离子水，按0.38t/hr速度补充固体水玻璃；按15-16m3/hr的速度将液体水玻璃加入到5m3的合成釜内；合成釜内预先加入SiO2含量5％，粒径5nm的硅溶胶晶种溶液1.5吨；C)工序获得的去离子水全部进入水玻璃溶解釜内。
B)接A)工序，在液体水玻璃加入同时，开启超滤循环泵，控制超滤液出液量在14-15m3/hr，维持合成釜温度在85-95℃，监测溶液pH在9.8-10.5，如溶液pH升高，则通过控制水玻璃溶解温度与合成温度适当调节；温度升高时pH升高，反之也然；超滤液泵入交换塔。
C)将B)工序获得的超滤液流经交换塔，经阳离子树脂进行离子交换后泵入到水玻璃溶解釜内，继续溶解水玻璃。
约6小时后，合成釜内可得成品硅溶胶5.0吨；成品硅溶胶中，SiO2含量30％，平均粒径13-14nm，pH为9.9。在这一制备过程中，每吨硅溶胶蒸气消耗量0.16吨。
实施例3
本实施例中，按本申请上述的工艺路线如下：
A)在装有固体水玻璃溶解釜中，加入去离子水，泵循环，通过板式换热器加热循环液，使得去离子水温度维持在75-85℃；为了保证持续有足够量的液体水玻璃溶解，按0.5m3/hr的速度补充新增去离子水，按0.32t/hr速度补充固体水玻璃；按15-16m3/hr的速度将液体水玻璃加入到5m3的合成釜内，合成釜内预先加入SiO2含量5％，粒径5nm的硅溶胶晶种溶液1.5吨)，C)工序获得的去离子水全部进入溶解水玻璃的容器中。
B)接A)工序，在液体水玻璃加入同时，开启超滤循环泵控制超滤液出液量在14-15m3/hr，维持合成釜温度在75-85℃，监测溶液pH在8.5-9.8，如溶液pH升高，则通过控制水玻璃溶解温度与合成温度适当调节；温度升高时pH升高，反之也然；超滤液泵入交换塔。
C)将B)工序获得的超滤液流经交换塔，经阳离子树脂进行离子交换后泵入到溶解水玻璃的容器内，继续水玻璃溶解。
约7小时后，合成釜内可得成品硅溶胶约5.0吨；成品硅溶胶中，SiO2含量为30％，平均粒径为14nm，pH为9.6。在这一制备过程中，每吨硅溶胶的蒸气消耗量0.17吨。
实施例4
本实施例中，按本申请上述的工艺路线如下：
A)在装有固体水玻璃溶解釜中，加入去离子水，泵循环，通过板式换热器加热循环液，使得去离子水温度维持在50-75℃；为了保证持续有足够量的液体水玻璃溶解，按0.35m3/hr的速度补充新增去离子水，按0.22t/hr速度补充固体水玻璃；按15-16m3/hr的速度将液体水玻璃加入到5m3的合成釜内，合成釜内预先加入SiO2含量5％，粒径5nm的硅溶胶晶种溶液1.5吨；C)工序获得的去离子水全部进入水玻璃溶解釜中。
B)接A)工序，在液体水玻璃加入合成釜同时，开启超滤循环泵，控制超滤液出液量在14-15m3/hr，维持合成釜温度在50-75℃，监测溶液pH在8.5-9.8，如溶液pH升高，则通过控制水玻璃溶解温度与合成温度适当调节；温度升高时pH升高，反之也然；超滤液泵入交换塔。
C)将B)工序获得的超滤液流经交换塔，经阳离子树脂进行离子交换后获得去离子水泵入到水玻璃溶解釜内，继续溶解水玻璃。
约10小时后，合成釜内可得成品硅溶胶约5吨；成品硅溶胶中，SiO2含量为30wt％，平均粒径为13-14nm，pH为8.9。在这一制备过程中，每吨硅溶胶蒸气消耗量0.18吨。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种节能降耗生产硅溶胶的方法，其特征在于，包括：
在常压下溶解固体水玻璃得到液体水玻璃，溶解温度为50℃~100℃；
所述液体水玻璃直接加入到含有硅溶胶晶种的合成釜内进行颗粒增长，在颗粒增长同时进行超滤以移除合成釜溶液中的氢氧化钠获得超滤液；
通过调节超滤速率与合成温度来实现对合成过程中pH的控制，控制pH为8.5~10.7，控制合成温度为85℃~100℃；
在常压下溶解固体水玻璃得到液体水玻璃是通过如下步骤获得：
在水玻璃溶解系统内加入固体水玻璃和去离子水，泵循环，加热循环液，溶解固体水玻璃，得到液体水玻璃；在循环的同时，移出部分液体水玻璃去硅溶胶合成，同时补充去离子水维持循环液数量，所述去离子至少包括新增去离子水；
为了让常压和较低温度下固体水玻璃能够持续的溶解形成液体水玻璃，通过控制溶解系统中液体水玻璃的移出量、固体水玻璃的补充量或新增去离子水的补充量，当液体水玻璃的移出量为15m3/h~16m3/h时，固体水玻璃的补充量为0.20t/h~0.45t/h，新增去离子水的补充量为0.35m3/h~0.75m3/h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超滤液未经冷却经阳离子树脂交换获得去离子水。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，经阳离子交换获得去离子水用于溶解固体水玻璃或稀释水玻璃。
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