1. Karakteristike i pozadina primjene tekućeg kalijevog silikata
Kao važan anorganski spoj silicija, tekući kalijev silikat ima ključnu ulogu u mnogim područjima zbog svojih jedinstvenih kemijskih svojstava. Uzimajući za primjer tekući kalijev silikat HLKL-1 koji proizvodi Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd, njegov modul iznosi 2,20-2,40. Ima karakteristike visoke prozirnosti i jake alkalnosti. Naširoko se koristi u anorganskim premazima, kalijevim gnojivima, katalizatorima, punilima sapuna, vatrostalnim materijalima i drugim područjima. U procesu proizvodnje, ključ za osiguranje kvalitete proizvoda je izbjegavanje pretjerane polimerizacije ili geliranja, što nije samo povezano sa stabilnošću performansi proizvoda, već također izravno utječe na učinkovitost proizvodnje i tržišnu konkurentnost poduzeća.
2. Osnovni principi polimerizacije i geliranja tekućeg kalijevog silikata
(I) Mehanizam reakcije polimerizacije
Glavna komponenta tekućeg kalijevog silikata je kalijev silikat (K₂O・nSiO₂・mH₂O), au njegovoj vodenoj otopini postoje složeni silikatni anioni. Pod određenim uvjetima, ovi anioni će proći polimerizaciju kroz stvaranje veza silicij-kisik (Si-O-Si) kako bi se formirali polisilikati s različitim stupnjevima polimerizacije. Modul (M) važan je pokazatelj za mjerenje omjera količine silicijevog dioksida i kalijevog oksida u kalijevom silikatu. Za tekući kalijev silikat s modulom od 2,20-2,40, stupanj polimerizacije njegovog tetraedra silicij-kisik je na srednjoj razini, a mogućnost kontrole reakcije polimerizacije je ključna.
(II) Uzroci geliranja
Želiranje je rezultat pretjerane polimerizacije. Kada molekularni lanci polisilikata nastave rasti i umrežavaju se kako bi formirali trodimenzionalnu mrežnu strukturu, sustav će se promijeniti iz tekućeg u gel. Na ovaj proces obično utječe kombinacija čimbenika, uključujući temperaturu, koncentraciju, pH vrijednost, sadržaj nečistoća i uvjete miješanja. Nakon što dođe do geliranja, fluidnost i izvedba tekućeg kalijevog silikata bit će ozbiljno smanjena i možda čak neće zadovoljiti zahtjeve korisnika.
3. Ključni čimbenici koji utječu na polimerizaciju i geliranje tijekom proizvodnje
(I) Čistoća i omjer sirovine
Sirovine silicijevog dioksida: Čistoća sirovina silicijevog dioksida (kao što je kvarcni pijesak) koja se koristi za proizvodnju tekućeg kalijevog silikata izravno utječe na kvalitetu proizvoda. Ako sirovine sadrže ione nečistoća kao što su željezo, aluminij i kalcij, te nečistoće mogu djelovati kao katalizatori ili centri za umrežavanje za reakcije polimerizacije, ubrzati reakciju polimerizacije i povećati rizik od geliranja. Na primjer, prekomjerni sadržaj željeza (kao što je više od 0,01%) značajno će smanjiti stabilnost tekućeg kalijevog silikata. Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd strogo kontrolira sadržaj željeza ≤0,01% tijekom proizvodnog procesa na temelju ovog razmatranja.
Omjer kalijevog oksida i silicijevog dioksida: Precizna kontrola modula je srž proizvodnje kvalificiranog tekućeg kalijevog silikata. Izračun modula temelji se na omjeru količine kalijevog oksida (K₂O) i silicijevog dioksida (SiO₂). Ako je omjer netočan, ravnoteža naboja tetraedra silicij-kisik u sustavu može biti uništena, izazivajući tako abnormalnu polimerizaciju. Tijekom proizvodnog procesa potrebno je precizno mjerenje i kontrola kemijske reakcije kako bi se osiguralo da je modul unutar ciljanog raspona od 2,20-2,40.
(II) Temperatura i vrijeme reakcije
Utjecaj temperature: Temperatura je važan faktor koji utječe na brzinu reakcije polimerizacije. Povećanje temperature će ubrzati brzinu kretanja molekula i povećati mogućnost sudara između molekula reaktanata, čime se ubrzava reakcija polimerizacije. U procesu pripreme tekućeg kalijevog silikata, ako se usvoji proces reakcije visoke temperature i visokog tlaka, ako temperatura nije pravilno kontrolirana, reakcija polimerizacije može biti izvan kontrole, a polisilikati velike molekularne težine mogu se brzo generirati, pa čak može doći i do geliranja. Na primjer, kada temperatura reakcije prijeđe 120°C, brzina reakcije polimerizacije može se naglo povećati, a posebnu pozornost treba obratiti na praćenje i regulaciju temperature u stvarnom vremenu.
Kontrola vremena reakcije: Vrijeme reakcije usko je povezano sa stupnjem polimerizacije. Pri određenoj temperaturi stupanj polimerizacije postupno raste s produljenjem vremena reakcije. Ako je vrijeme reakcije predugo, molekularni lanac polisilikata nastavit će rasti i na kraju formirati gel. Stoga je potrebno odrediti optimalno vrijeme reakcije putem pokusa kako bi se osiguralo da silicij potpuno reagira uz izbjegavanje pretjerane polimerizacije. Za tekući kalijev silikat s modulom od 2,20-2,40, vrijeme reakcije obično treba kontrolirati unutar raspona od 8-12 sati. Specifično vrijeme potrebno je prilagoditi prema reakcijskoj opremi i karakteristikama sirovina.
(III) Koncentracija otopine i pH vrijednost
Učinak koncentracije: Što je veća koncentracija tekuće otopine kalijevog silikata, veća je koncentracija silikatnih aniona po jedinici volumena, veća je vjerojatnost međumolekularnog sudara i brža je brzina reakcije polimerizacije. Kada koncentracija prijeđe određeni prag (kao što je Baume veći od 46,0), viskoznost sustava se značajno povećava, prijenos mase i učinkovitost prijenosa topline se smanjuju, te je lako izazvati lokalno pregrijavanje i neravnomjernu reakciju polimerizacije, što zauzvrat pokreće geliranje. Baumeov stupanj HLKL-1 tekućeg kalijevog silikata kojeg proizvodi Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd kontrolira se na 44,0-46,0, što je u relativno sigurnom rasponu koncentracije, ali je ipak potrebno obratiti veliku pozornost na promjene koncentracije tijekom proizvodnog procesa.
Regulacija pH vrijednosti: Otopina kalijevog silikata je jako alkalna, a pH vrijednost će utjecati na postojanje oblika silikatnih aniona. Pod visokim pH uvjetima, silikatni anioni uglavnom postoje u obliku monomera ili oligomera, a brzina reakcije polimerizacije je spora; kada se pH vrijednost smanji, stupanj disocijacije silikata se smanjuje, te se lako stvaraju koloidne čestice silikata. Te će čestice služiti kao jezgra reakcije polimerizacije i pospješiti stvaranje i umrežavanje polisilikata. Stoga je tijekom proizvodnog procesa potrebno održavati stabilnu pH vrijednost sustava dodavanjem alkalnih tvari poput kalijevog hidroksida. Općenito, pH vrijednost se kontrolira između 12-13 kako bi se spriječila prekomjerna polimerizacija.
(IV) Učinak miješanja i prijenosa mase
Miješanje je važno sredstvo za osiguranje ujednačenosti reakcijskog sustava. U procesu proizvodnje tekućeg kalijevog silikata, ako miješanje nije dovoljno, koncentracija sirovine, temperatura i pH vrijednost u lokalnom području mogu biti neujednačeni, uzrokujući tako lokalnu prekomjernu polimerizaciju. Na primjer, u mrtvom kutu reaktora ili u blizini lopatice za miješanje može doći do zadržavanja materijala i prekomjerne reakcije, formirajući jezgru gela i postupno se šireći na cijeli sustav. Stoga je potrebno odabrati prikladnu vrstu mješalice i brzinu miješanja kako bi se osiguralo da se materijali potpuno izmiješaju tijekom procesa reakcije i poboljša prijenos mase i učinkovitost prijenosa topline. Obično se koristi sidrena mješalica ili lopatičasta mješalica, a brzina miješanja se kontrolira na 30-60 okretaja u minuti kako bi se uravnotežio učinak miješanja i potrošnja energije.
(V) Nečistoće i katalizatori
Osim iona nečistoća u sirovinama, izbor materijala za proizvodnu opremu također će unijeti nečistoće. Na primjer, ako je reaktor izrađen od običnog ugljičnog čelika, u jakim alkalnim uvjetima ioni željeza mogu se otopiti i ući u otopinu, ubrzavajući reakciju polimerizacije. Stoga se obično koriste reaktori od nehrđajućeg čelika ili emajla kako bi se smanjilo unošenje nečistoća. Osim toga, određeni metalni ioni (kao što su natrijevi ioni i kalcijevi ioni) mogu djelovati kao katalizatori za poticanje reakcija polimerizacije i moraju se ukloniti što je više moguće tijekom predobrade sirovina i proizvodnje.
4. Ključne tehničke mjere za izbjegavanje pretjerane polimerizacije ili geliranja
(I) Predobrada sirovina i kontrola kvalitete
Odaberite sirovine visoke čistoće: odaberite kvarcni pijesak s niskim udjelom nečistoća kao što su željezo i aluminij kao silikatne sirovine i provedite strogu kemijsku analizu sirovina kako biste osigurali da njihova čistoća zadovoljava proizvodne zahtjeve. Istodobno koristite visokokvalitetni kalijev hidroksid ili kalijev karbonat kao izvor kalija kako biste izbjegli unošenje iona nečistoće.
Precizno kontrolirajte omjer sirovina: Koristite naprednu opremu za mjerenje (kao što su elektroničke vage, mjerači protoka) za točnu kontrolu količine kalijevog oksida i silicijevog dioksida kako biste osigurali da je modul unutar ciljanog raspona. Tijekom procesa proizvodnje, online analitički instrumenti mogu se koristiti za praćenje modula i koncentracije otopine u stvarnom vremenu, te prilagođavanje omjera sirovina na vrijeme.
(II) Optimizirati parametre reakcijskog procesa
Proces segmentirane kontrole temperature: upotrijebite strategiju segmentirane kontrole temperature za odgovarajuće povećanje temperature (kao što je 100-110 ℃) na početku reakcije kako biste ubrzali otapanje i početnu reakciju polimerizacije silicijeva dioksida; u srednjoj i kasnoj fazi reakcije, postupno smanjite temperaturu (kao što je 80-90 ℃) kako biste usporili brzinu reakcije polimerizacije i izbjegli pretjeranu polimerizaciju. Na taj se način može bolje kontrolirati stupanj polimerizacije, a pritom se osigurava učinkovitost reakcije.
Strogo kontrolirajte vrijeme reakcije: Prema karakteristikama sirovina i performansama opreme za reakciju, optimalni prozor vremena reakcije određuje se eksperimentima. Tijekom proizvodnog procesa postavite vremenski relej ili automatski kontrolni sustav kako biste osigurali da se vrijeme reakcije može točno kontrolirati i izbjegli prekomjerno vrijeme reakcije zbog ljudskih grešaka u radu.
Kontrolirajte koncentraciju otopine i pH vrijednost: Tijekom procesa reakcije redovito pratite Baumeov stupanj i pH vrijednost otopine te ih prilagodite dodavanjem deionizirane vode ili otopine kalijevog hidroksida. Kada je Baumeov stupanj blizu gornje granice (46,0), dodajte deioniziranu vodu da je na vrijeme razrijedite; kada je pH vrijednost niža od 12, dodajte odgovarajuću količinu otopine kalijevog hidroksida kako biste održali alkalno okruženje sustava.
(III) Ojačati miješanje i dizajn opreme
Optimizirajte sustav miješanja: U skladu s volumenom i karakteristikama materijala reaktora, odaberite odgovarajući tip i položaj ugradnje mješalice. Na primjer, za velike reaktore, višeslojne lopatice za miješanje ili kombinirane mješalice (kao što su turbinske mješalice na gornjem sloju i sidrene mješalice na donjem sloju) mogu se koristiti za poboljšanje učinka miješanja materijala u različitim područjima. U isto vrijeme, brzina i smjer lopatice za miješanje razumno su dizajnirani kako bi se izbjegli vrtlozi i zadržavanje materijala.
Poboljšajte strukturu reaktora: Koristite dizajn reaktora s glatkom unutarnjom stijenkom i bez mrtvih kutova kako biste smanjili prianjanje i zadržavanje materijala na stijenci reaktora. Na primjer, dno reaktora može biti konusno ili eliptično kako bi se olakšalo pražnjenje i čišćenje materijala; vodeća cijev postavljena je u reaktor kako bi vodila smjer protoka materijala i poboljšala ujednačenost miješanja.
Uvođenje ultrazvučne ili mehaničke vibracije: Tijekom procesa miješanja mogu se uvesti uređaji za ultrazvučnu ili mehaničku vibraciju kako bi se dodatno poboljšali učinci miješanja i prijenosa mase materijala putem unosa energije. Ultrazvučni valovi mogu proizvesti učinke kavitacije, uništiti aglomerate i jezgre gela u materijalima i spriječiti pretjerane reakcije polimerizacije; mehaničke vibracije mogu smanjiti prianjanje materijala na lopaticu za miješanje i stijenku reaktora i poboljšati ujednačenost reakcijskog sustava.
(IV) Dodavanje stabilizatora i inhibitora
Uloga stabilizatora: Dodavanje odgovarajuće količine stabilizatora, kao što su organski alkoholi (metanol, etanol), polioli (etilen glikol, propilen glikol) ili polietilen glikol, u tekuću otopinu kalijevog silikata. Ovi stabilizatori mogu formirati vodikove veze sa silikatnim anionima, spriječiti stvaranje veza silicij-kisik i tako inhibirati reakciju polimerizacije. Količina dodanog stabilizatora obično je 0,5%-2% mase otopine, a optimalni omjer dodavanja potrebno je odrediti eksperimentima.
Odabir inhibitora: Za tekući kalijev silikat s niskim modulom (kao što je M=2,20-2,40), mala količina kisele soli (kao što je kalijev dihidrogenfosfat, kalijev bikarbonat) može se dodati kao inhibitor. Kisele soli mogu neutralizirati neke hidroksidne ione i odgovarajuće smanjiti pH vrijednost otopine, ali količina dodatka mora biti strogo kontrolirana kako bi se izbjeglo taloženje koloida silicijevog dioksida zbog preniske pH vrijednosti. Općenito govoreći, količina dodane kisele soli ne prelazi 0,1% mase kalijevog oksida u otopini.
(V) Praćenje i kontrola procesa u stvarnom vremenu
Tehnologija online analize: Koristite online infracrvene spektrometre, viskozimetre i druge analitičke instrumente za praćenje sastava, viskoznosti, stupnja polimerizacije i drugih parametara reakcijskog sustava u stvarnom vremenu. Na primjer, infracrvena spektroskopija može detektirati karakteristične vrhove apsorpcije veza silicij-kisik u stvarnom vremenu kako bi se odredio stupanj polimerizacije; viskozimetar može odražavati promjene u fluidnosti otopine u stvarnom vremenu. Kada se viskoznost nenormalno poveća, mogu se poduzeti pravovremene mjere za podešavanje parametara procesa.
Automatski upravljački sustav: Uspostavite automatski upravljački sustav temeljen na PLC-u (programabilni logički kontroler) ili DCS-u (distribuirani upravljački sustav), te uključite ključne procesne parametre kao što su temperatura, tlak, koncentracija, pH vrijednost, brzina miješanja itd. u opseg automatskog upravljanja. Preko unaprijed postavljenog algoritma upravljanja i praga, radni status uređaja za grijanje/hlađenje, pumpe za napajanje, mješalice i druge opreme automatski se prilagođava kako bi se postigla stabilna kontrola proizvodnog procesa i smanjio utjecaj pogrešaka u ljudskom radu na kvalitetu proizvoda.
(VI) Naknadna obrada i upravljanje skladištenjem
Filtriranje i bistrenje: Nakon što je reakcija završena, tekuća otopina kalijevog silikata se filtrira kako bi se uklonile neotopljene čestice nečistoća i moguće čestice gela. Pločasti i okvirni filtar, centrifugalni filtar ili oprema za membransku filtraciju mogu se koristiti kako bi se osigurala prozirnost i čistoća proizvoda. Filtrirana otopina može se dodatno razbistriti, poput statičkog taloženja ili dodavanja flokulanata za uklanjanje sitnih suspendiranih tvari.
Kontrola uvjeta skladištenja: Tekući kalijev silikat treba čuvati u zatvorenim plastičnim bačvama ili spremnicima od nehrđajućeg čelika kako bi se izbjegao kontakt sa zrakom. Okruženje za skladištenje treba biti hladno i suho, s temperaturom kontroliranom u rasponu od 5-30 ℃, izbjegavajući izravnu sunčevu svjetlost i okruženje visoke temperature. Tijekom skladištenja redovito se kontrolira kvaliteta proizvoda. Ako postoje znakovi geliranja, treba ga na vrijeme preraditi ili odbaciti kako bi se spriječio ulazak nekvalificiranih proizvoda na tržište.
5. Praktično iskustvo
Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd, kao profesionalni proizvođač proizvoda od anorganskog silicija, skupio je bogato iskustvo u procesu proizvodnje tekućeg kalijevog silikata. Tvrtka uvijek posvećuje pozornost kontroli kvalitete proizvoda, te je uspostavila potpuni sustav upravljanja kvalitetom uvođenjem napredne proizvodne opreme i instrumenata za ispitivanje. U smislu izbjegavanja pretjerane polimerizacije ili geliranja tekućeg kalijevog silikata, tvrtka je poduzela sljedeće mjere:
Stroga kontrola sirovina: odaberite kvarcni pijesak visoke čistoće i kalijev hidroksid kao sirovine i uspostavite dugoročne odnose suradnje s visokokvalitetnim dobavljačima kako biste osigurali stabilnost kvalitete sirovina. Istodobno, svaka se serija sirovina strogo kontrolira prije ulaska u tvornicu kako bi se spriječilo stavljanje nekvalificiranih sirovina u proizvodnju.
Optimiziran proizvodni proces: Samorazvijeni segmentirani reakcijski proces kontrole temperature i učinkovit sustav miješanja usvojeni su za postizanje precizne kontrole reakcije polimerizacije. Kroz godine optimizacije procesa, tvrtka može stabilno proizvoditi tekuće proizvode od kalijevog silikata s modulom od 2,20-2,40 i izvrsnim performansama.
Savršene metode testiranja: Opremljen naprednim instrumentima za kemijsku analizu i opremom za testiranje fizičke učinkovitosti, svaka se karika u proizvodnom procesu prati i analizira u stvarnom vremenu. Na primjer, mjerenjem Baumeovog stupnja, gustoće, sadržaja silicijevog dioksida, sadržaja kalijevog oksida i drugih pokazatelja otopine, parametri procesa mogu se prilagoditi na vrijeme kako bi se osiguralo da kvaliteta proizvoda zadovoljava standardne zahtjeve.
Personalizirana rješenja: u skladu s različitim potrebama kupaca, tvrtka može ponuditi prilagođene proizvode i rješenja od tekućeg kalijevog silikata. U procesu komuniciranja s kupcima, tehničko osoblje tvrtke će u potpunosti razumjeti klijentove scenarije primjene i zahtjeve za performansama, preporučiti kupcima odgovarajuće modele proizvoda i pružiti profesionalnu tehničku podršku kako bi pomogli korisnicima u rješavanju problema nastalih tijekom korištenja.
