1. Charakteristika a aplikačné pozadie tekutého kremičitanu draselného
Kvapalný kremičitan draselný ako dôležitá anorganická zlúčenina kremíka hrá kľúčovú úlohu v mnohých oblastiach vďaka svojim jedinečným chemickým vlastnostiam. Ak vezmeme ako príklad tekutý kremičitan draselný HLKL-1 vyrábaný spoločnosťou Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd., jeho modul je 2,20-2,40. Má vlastnosti vysokej priehľadnosti a silnej zásaditosti. Je široko používaný v anorganických náteroch, potašových hnojivách, katalyzátoroch, mydlových náplniach, žiaruvzdorných materiáloch a iných oblastiach. Vo výrobnom procese je kľúčom k zabezpečeniu kvality produktu vyhnúť sa nadmernej polymerizácii alebo gélovateniu, ktoré nesúvisí len so stabilitou výkonu produktu, ale priamo ovplyvňuje aj efektivitu výroby a trhovú konkurencieschopnosť podniku.
2. Základné princípy polymerizácie a gélovatenia tekutého kremičitanu draselného
(I) Mechanizmus polymerizačnej reakcie
Hlavnou zložkou tekutého kremičitanu draselného je kremičitan draselný (K₂O・nSiO₂・mH2O) a v jeho vodnom roztoku sú zložité silikátové anióny. Za určitých podmienok tieto anióny podstúpia polymerizáciu vytvorením väzieb kremík-kyslík (Si-O-Si) za vzniku polykremičitanov s rôznym stupňom polymerizácie. Modul (M) je dôležitým ukazovateľom na meranie pomeru množstva oxidu kremičitého k oxidu draselnému v kremičitanu draselnom. Pre kvapalný kremičitan draselný s modulom 2,20-2,40 je stupeň polymerizácie jeho kremíkovo-kyslíkového štvorstenu na strednej úrovni a rozhodujúca je regulovateľnosť polymerizačnej reakcie.
(II) Príčiny gélovatenia
Gélizácia je výsledkom nadmernej polymerizácie. Keď molekulárne reťazce polysilikátov pokračujú v raste a zosieťovaní, aby vytvorili trojrozmernú sieťovú štruktúru, systém sa zmení z kvapaliny na gél. Tento proces je zvyčajne ovplyvnený kombináciou faktorov, vrátane teploty, koncentrácie, hodnoty pH, obsahu nečistôt a podmienok miešania. Akonáhle dôjde ku gélovateniu, tekutosť a výkonnosť tekutého kremičitanu draselného sa výrazne zníži a môže dokonca zlyhať pri splnení požiadaviek zákazníckej aplikácie.
3. Kľúčové faktory ovplyvňujúce polymerizáciu a gélovatenie počas výroby
(I) Čistota a pomer surovín
Suroviny oxidu kremičitého: Čistota surovín oxidu kremičitého (ako je kremenný piesok) používaných na výrobu tekutého kremičitanu draselného priamo ovplyvňuje kvalitu produktu. Ak suroviny obsahujú ióny nečistôt, ako je železo, hliník a vápnik, tieto nečistoty môžu pôsobiť ako katalyzátory alebo zosieťovacie centrá pre polymerizačné reakcie, urýchliť polymerizačnú reakciu a zvýšiť riziko gélovatenia. Napríklad nadmerný obsah železa (ako je viac ako 0,01 %) výrazne zníži stabilitu tekutého kremičitanu draselného. Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd prísne kontroluje obsah železa ≤0,01% počas výrobného procesu na základe tejto úvahy.
Pomer oxidu draselného k oxidu kremičitému: Presná kontrola modulu je jadrom výroby kvalifikovaného tekutého kremičitanu draselného. Výpočet modulu je založený na pomere množstva oxidu draselného (K2O) k oxidu kremičitému (SiO₂). Ak je pomer nepresný, rovnováha náboja kremík-kyslíkových štvorstenov v systéme môže byť zničená, čím sa vyvolá abnormálna polymerizácia. Počas výrobného procesu je potrebné presné meranie a kontrola chemickej reakcie, aby sa zabezpečilo, že modul bude v cieľovom rozsahu 2,20-2,40.
(II) Reakčná teplota a čas
Vplyv teploty: Teplota je dôležitým faktorom ovplyvňujúcim rýchlosť polymerizačnej reakcie. Zvýšenie teploty urýchli rýchlosť pohybu molekúl a zvýši možnosť kolízie medzi molekulami reaktantov, čím sa urýchli polymerizačná reakcia. V procese prípravy tekutého kremičitanu draselného, ak sa použije vysokoteplotný a vysokotlakový reakčný proces, ak teplota nie je správne kontrolovaná, polymerizačná reakcia môže byť mimo kontroly a môžu sa rýchlo generovať polysilikáty s vysokou molekulovou hmotnosťou a dokonca môže dôjsť k gélovateniu. Napríklad, keď reakčná teplota prekročí 120 °C, rýchlosť polymerizačnej reakcie sa môže prudko zvýšiť a osobitná pozornosť by sa mala venovať monitorovaniu a regulácii teploty v reálnom čase.
Kontrola reakčného času: Reakčný čas úzko súvisí so stupňom polymerizácie. Pri určitej teplote sa stupeň polymerizácie postupne zvyšuje s predlžovaním reakčného času. Ak je reakčný čas príliš dlhý, molekulárny reťazec polykremičitanu bude pokračovať v raste a nakoniec vytvorí gél. Preto je potrebné určiť optimálny reakčný čas pomocou experimentov, aby sa zabezpečilo, že oxid kremičitý úplne zreaguje, pričom sa zabráni nadmernej polymerizácii. V prípade kvapalného kremičitanu draselného s modulom 2,20 až 2,40 je zvyčajne potrebné riadiť reakčný čas v rozsahu 8 až 12 hodín. Špecifický čas je potrebné upraviť podľa reakčného zariadenia a charakteristík surovín.
(III) Koncentrácia roztoku a hodnota pH
Vplyv koncentrácie: Čím vyššia je koncentrácia kvapalného roztoku kremičitanu draselného, tým väčšia je koncentrácia silikátových aniónov na jednotku objemu, tým väčšia je pravdepodobnosť medzimolekulovej kolízie a tým rýchlejšia je rýchlosť polymerizačnej reakcie. Keď koncentrácia prekročí určitú prahovú hodnotu (napríklad Baume vyššiu ako 46,0), viskozita systému sa výrazne zvýši, prenos hmoty a účinnosť prenosu tepla sa zníži a je ľahké spôsobiť lokálne prehriatie a nerovnomernú polymerizačnú reakciu, ktorá následne spustí gélovatenie. Baume stupeň tekutého kremičitanu draselného HLKL-1 vyrábaného spoločnosťou Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd je kontrolovaný na 44,0-46,0, čo je v relatívne bezpečnom koncentračnom rozmedzí, ale stále je potrebné venovať veľkú pozornosť zmenám koncentrácie počas výrobného procesu.
Regulácia hodnoty pH: Roztok kremičitanu draselného je silne alkalický a hodnota pH ovplyvní existenciu formy silikátových aniónov. V podmienkach vysokého pH existujú silikátové anióny hlavne vo forme monomérov alebo oligomérov a rýchlosť polymerizačnej reakcie je pomalá; keď sa hodnota pH zníži, stupeň disociácie kremičitanu sa zníži a ľahko sa tvoria koloidné častice kremičitanu. Tieto častice budú slúžiť ako jadro polymerizačnej reakcie a budú podporovať tvorbu a zosieťovanie polykremičitanov. Preto je počas výrobného procesu potrebné udržiavať stabilnú hodnotu pH systému pridávaním alkalických látok, ako je hydroxid draselný. Vo všeobecnosti sa hodnota pH reguluje medzi 12-13, aby sa inhibovala nadmerná polymerizácia.
(IV) Miešanie a efekt prenosu hmoty
Miešanie je dôležitým prostriedkom na zabezpečenie rovnomernosti reakčného systému. V procese výroby tekutého kremičitanu draselného, ak miešanie nie je dostatočné, koncentrácia suroviny, teplota a hodnota pH v miestnej oblasti môžu byť nerovnomerné, čo spôsobuje lokálnu nadmernú polymerizáciu. Napríklad v mŕtvom rohu reaktora alebo v blízkosti miešacej lopatky môže dôjsť k zadržaniu materiálu a nadmernej reakcii, pričom sa vytvorí gélové jadro a postupne sa rozšíri do celého systému. Preto je potrebné zvoliť vhodný typ miešadla a rýchlosť miešania, aby sa zabezpečilo úplné premiešanie materiálov počas reakčného procesu a zlepšila sa účinnosť prenosu hmoty a prenosu tepla. Zvyčajne sa používa kotvové miešadlo alebo lopatkové miešadlo a rýchlosť miešania sa reguluje na 30-60 ot./min., aby sa vyrovnal účinok miešania a spotreba energie.
(V) Nečistoty a katalyzátory
Okrem iónov nečistôt v surovinách sa pri výbere materiálov výrobného zariadenia objavia aj nečistoty. Napríklad, ak je reaktor vyrobený z obyčajnej uhlíkovej ocele, v silne alkalických podmienkach sa ióny železa môžu rozpustiť a vstúpiť do roztoku, čím sa urýchli polymerizačná reakcia. Preto sa na zníženie vnášania nečistôt zvyčajne používajú reaktory z nehrdzavejúcej ocele alebo smaltované. Okrem toho môžu určité kovové ióny (ako sú sodné a vápenaté ióny) pôsobiť ako katalyzátory na podporu polymerizačných reakcií a je potrebné ich čo najviac odstrániť počas predúpravy a výroby surovín.
4. Kľúčové technické opatrenia na zabránenie nadmernej polymerizácii alebo gélovateniu
(I) Predúprava surovín a kontrola kvality
Vyberte si suroviny s vysokou čistotou: vyberte kremenný piesok s nízkym obsahom nečistôt, ako je železo a hliník, ako suroviny pre oxid kremičitý a vykonajte prísnu chemickú analýzu surovín, aby ste sa uistili, že ich čistota spĺňa výrobné požiadavky. Súčasne používajte ako zdroj draslíka kvalitný hydroxid draselný alebo uhličitan draselný, aby ste sa vyhli vnášaniu iónov nečistôt.
Presná kontrola pomeru surovín: Použite pokročilé meracie zariadenia (ako sú elektronické váhy, prietokomery) na presné riadenie dávkovaného množstva oxidu draselného a oxidu kremičitého, aby ste sa uistili, že modul je v cieľovom rozsahu. Počas výrobného procesu je možné použiť online analytické nástroje na monitorovanie modulu a koncentrácie roztoku v reálnom čase a úpravu pomeru surovín v čase.
(II) Optimalizácia parametrov reakčného procesu
Proces segmentovaného riadenia teploty: Použite stratégiu segmentovaného riadenia teploty na primerané zvýšenie teploty (napríklad 100-110 °C) na začiatku reakcie, aby sa urýchlilo rozpúšťanie a počiatočná polymerizačná reakcia oxidu kremičitého; v strednom a neskorom štádiu reakcie postupne znižujte teplotu (napríklad 80-90 °C), aby ste spomalili rýchlosť polymerizačnej reakcie a zabránili nadmernej polymerizácii. Týmto spôsobom je možné lepšie kontrolovať stupeň polymerizácie pri zabezpečení účinnosti reakcie.
Prísne kontrolujte reakčný čas: Podľa charakteristík surovín a výkonu reakčného zariadenia sa pomocou experimentov určí optimálne reakčné časové okno. Počas výrobného procesu nastavte časové relé alebo automatický riadiaci systém, aby ste zabezpečili, že reakčný čas je presne kontrolovateľný a vyhnete sa nadmernému reakčnému času v dôsledku chýb ľudskej obsluhy.
Koncentrácia kontrolného roztoku a hodnota pH: Počas reakčného procesu pravidelne sledujte stupeň Baume a hodnotu pH roztoku a upravte ich pridaním deionizovanej vody alebo roztoku hydroxidu draselného. Keď sa stupeň Baume blíži k hornej hranici (46,0), pridajte deionizovanú vodu, aby ste ju včas rozriedili; keď je hodnota pH nižšia ako 12, pridajte primerané množstvo roztoku hydroxidu draselného na udržanie alkalického prostredia systému.
(III) Posilnenie miešania a konštrukcie zariadenia
Optimalizujte systém miešania: Podľa objemu a materiálových charakteristík reaktora vyberte vhodný typ a montážnu polohu miešadla. Napríklad pre veľké reaktory sa môžu použiť viacvrstvové miešacie lopatky alebo kombinované miešadlá (ako sú turbínové miešadlá na hornej vrstve a kotvové miešadlá na spodnej vrstve) na zlepšenie miešacieho účinku materiálov v rôznych oblastiach. Súčasne sú rýchlosť a smer miešacej lopatky primerane navrhnuté tak, aby sa zabránilo víreniu a zadržiavaniu materiálu.
Zlepšite štruktúru reaktora: Použite dizajn reaktora s hladkou vnútornou stenou a bez mŕtvych rohov, aby ste znížili priľnavosť a zadržiavanie materiálov na stene reaktora. Napríklad dno reaktora môže byť navrhnuté tak, aby bolo kužeľovité alebo eliptické, aby sa uľahčilo vypúšťanie a čistenie materiálov; v reaktore je umiestnená vodiaca rúrka, ktorá vedie smer toku materiálu a zlepšuje rovnomernosť miešania.
Zavedenie ultrazvukových alebo mechanických vibrácií: Počas procesu miešania je možné zaviesť ultrazvukové alebo mechanické vibračné zariadenia, aby sa ďalej posilnili účinky miešania a prenosu hmoty materiálov prostredníctvom vstupu energie. Ultrazvukové vlny môžu produkovať kavitačné účinky, ničiť aglomeráty a gélové jadrá v materiáloch a inhibovať nadmerné polymerizačné reakcie; mechanické vibrácie môžu znížiť priľnavosť materiálov k miešacej lopatke a stene reaktora a zlepšiť rovnomernosť reakčného systému.
(IV) Pridanie stabilizátorov a inhibítorov
Úloha stabilizátorov: Pridanie vhodného množstva stabilizátorov, ako sú organické alkoholy (metanol, etanol), polyoly (etylénglykol, propylénglykol) alebo polyetylénglykol, do tekutého roztoku kremičitanu draselného. Tieto stabilizátory môžu vytvárať vodíkové väzby so silikátovými aniónmi, brániť tvorbe väzieb kremík-kyslík, a tak inhibovať polymerizačnú reakciu. Množstvo pridaného stabilizátora je zvyčajne 0,5 % až 2 % hmotnosti roztoku a optimálny pomer pridávania je potrebné určiť pomocou experimentov.
Výber inhibítorov: Pre tekutý kremičitan draselný s nízkym modulom (ako M=2,20-2,40) sa môže ako inhibítor pridať malé množstvo kyslej soli (ako je dihydrogenfosforečnan draselný, hydrogénuhličitan draselný). Kyslé soli môžu neutralizovať niektoré hydroxidové ióny a primerane znížiť hodnotu pH roztoku, ale množstvo pridávania musí byť prísne kontrolované, aby sa zabránilo zrážaniu koloidu oxidu kremičitého v dôsledku príliš nízkej hodnoty pH. Všeobecne povedané, množstvo pridanej kyslej soli nepresahuje 0,1 % hmotnosti oxidu draselného v roztoku.
(V) Monitorovanie a riadenie procesov v reálnom čase
Technológia online analýzy: Použite online infračervené spektrometre, viskozimetre a iné analytické nástroje na monitorovanie zloženia, viskozity, stupňa polymerizácie a ďalších parametrov reakčného systému v reálnom čase. Napríklad infračervená spektroskopia môže detegovať charakteristické absorpčné píky väzieb kremík-kyslík v reálnom čase na určenie stupňa polymerizácie; viskozimeter môže odrážať zmeny tekutosti roztoku v reálnom čase. Keď sa viskozita abnormálne zvýši, môžu sa prijať včasné opatrenia na úpravu parametrov procesu.
Automatický riadiaci systém: Vytvorte automatický riadiaci systém založený na PLC (programovateľný logický ovládač) alebo DCS (distribuovaný riadiaci systém) a zahrňte kľúčové parametre procesu, ako je teplota, tlak, koncentrácia, hodnota pH, rýchlosť miešania atď. do rozsahu automatického riadenia. Prostredníctvom prednastaveného riadiaceho algoritmu a prahu sa prevádzkový stav vykurovacieho/chladiaceho zariadenia, napájacieho čerpadla, miešadla a ďalších zariadení automaticky nastavuje tak, aby sa dosiahla stabilná kontrola výrobného procesu a znížil sa vplyv chýb ľudskej prevádzky na kvalitu produktu.
(VI) Riadenie následného spracovania a skladovania
Filtrácia a čírenie: Po ukončení reakcie sa kvapalný roztok kremičitanu draselného prefiltruje, aby sa odstránili nerozpustené častice nečistôt a prípadné gélové častice. Na zabezpečenie transparentnosti a čistoty produktu možno použiť doskový a rámový filter, odstredivý filter alebo membránové filtračné zariadenie. Prefiltrovaný roztok je možné ďalej prečistiť, napríklad statickou sedimentáciou alebo pridaním flokulantov na odstránenie drobných suspendovaných látok.
Kontrola podmienok skladovania: Kvapalný kremičitan draselný by sa mal skladovať v uzavretých plastových sudoch alebo nádržiach z nehrdzavejúcej ocele, aby sa zabránilo kontaktu so vzduchom. Skladovacie prostredie by malo byť chladné a suché, s teplotou regulovanou v rozsahu 5-30 ℃, vyhýbajúc sa priamemu slnečnému žiareniu a prostrediu s vysokou teplotou. Počas skladovania je kvalita produktu pravidelne kontrolovaná. Ak sa objavia známky gélovatenia, mal by byť včas spracovaný alebo zošrotovaný, aby sa zabránilo vstupu nekvalifikovaných produktov na trh.
5. Praktické skúsenosti
Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd, ako profesionálny výrobca produktov z anorganického kremíka, nazbieral bohaté skúsenosti s výrobným procesom tekutého kremičitanu draselného. Spoločnosť vždy venuje pozornosť kontrole kvality výrobkov a zaviedla kompletný systém riadenia kvality zavedením moderných výrobných zariadení a testovacích nástrojov. Pokiaľ ide o zabránenie nadmernej polymerizácii alebo gélovateniu tekutého kremičitanu draselného, spoločnosť prijala nasledujúce opatrenia:
Prísna kontrola surovín: Vyberte si vysoko čistý kremenný piesok a hydroxid draselný ako suroviny a vytvorte dlhodobé vzťahy spolupráce s vysokokvalitnými dodávateľmi, aby ste zaistili stabilitu kvality surovín. Zároveň je každá šarža surovín pred vstupom do továrne prísne kontrolovaná, aby sa zabránilo tomu, že sa do výroby dostanú nekvalifikované suroviny.
Optimalizovaný výrobný proces: Vlastne vyvinutý segmentovaný reakčný proces regulácie teploty a účinný systém miešania sú prijaté na dosiahnutie presnej kontroly polymerizačnej reakcie. Počas rokov optimalizácie procesov môže spoločnosť stabilne vyrábať tekuté produkty z kremičitanu draselného s modulom 2,20-2,40 a vynikajúcim výkonom.
Dokonalé testovacie metódy: Vybavené pokročilými nástrojmi na chemickú analýzu a zariadením na testovanie fyzického výkonu, každý článok vo výrobnom procese je monitorovaný a analyzovaný v reálnom čase. Napríklad meraním stupňa Baume, hustoty, obsahu oxidu kremičitého, obsahu oxidu draselného a iných ukazovateľov roztoku možno parametre procesu včas upraviť, aby sa zabezpečilo, že kvalita produktu spĺňa štandardné požiadavky.
Personalizované riešenia: Podľa rôznych potrieb zákazníkov môže spoločnosť poskytnúť prispôsobené produkty a riešenia tekutého kremičitanu draselného. V procese komunikácie so zákazníkmi bude technický personál spoločnosti plne rozumieť aplikačným scenárom a požiadavkám zákazníka, odporučí zákazníkom vhodné modely produktov a poskytne profesionálnu technickú podporu, ktorá pomôže zákazníkom vyriešiť problémy, ktoré sa vyskytnú počas používania.
