1. Kenmerken en toepassingsachtergrond van vloeibaar kaliumsilicaat
Als belangrijke anorganische siliciumverbinding speelt vloeibaar kaliumsilicaat op veel gebieden een sleutelrol vanwege zijn unieke chemische eigenschappen. Als we het vloeibare kaliumsilicaat HLKL-1, geproduceerd door Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd, als voorbeeld nemen, bedraagt de modulus 2,20-2,40. Het heeft de kenmerken van hoge transparantie en sterke alkaliteit. Het wordt veel gebruikt in anorganische coatings, kalimeststoffen, katalysatoren, zeepvullingen, vuurvaste materialen en andere gebieden. In het productieproces is de sleutel tot het waarborgen van de productkwaliteit het vermijden van overmatige polymerisatie of gelering, wat niet alleen verband houdt met de prestatiestabiliteit van het product, maar ook rechtstreeks van invloed is op de productie-efficiëntie en het concurrentievermogen van de onderneming op de markt.
2. Basisprincipes van polymerisatie en gelering van vloeibaar kaliumsilicaat
(I) Polymerisatiereactiemechanisme
Het hoofdbestanddeel van vloeibaar kaliumsilicaat is kaliumsilicaat (K₂O・nSiO₂・mH₂O), en de waterige oplossing bevat complexe silicaatanionen. Onder bepaalde omstandigheden zullen deze anionen polymerisatie ondergaan door de vorming van silicium-zuurstofbindingen (Si-O-Si) om polysilicaten te vormen met verschillende polymerisatiegraden. De modulus (M) is een belangrijke indicator voor het meten van de verhouding tussen de hoeveelheid siliciumdioxide en kaliumoxide in kaliumsilicaat. Voor vloeibaar kaliumsilicaat met een modulus van 2,20-2,40 ligt de polymerisatiegraad van zijn silicium-zuurstoftetraëder op een gemiddeld niveau en is de beheersbaarheid van de polymerisatiereactie cruciaal.
(II) Oorzaken van gelering
Gelatie is het resultaat van overmatige polymerisatie. Wanneer de moleculaire ketens van polysilicaten blijven groeien en verknopen om een driedimensionale netwerkstructuur te vormen, zal het systeem veranderen van vloeistof naar gel. Dit proces wordt meestal beïnvloed door een combinatie van factoren, waaronder temperatuur, concentratie, pH-waarde, onzuiverheidsgehalte en roeromstandigheden. Zodra gelering optreedt, zullen de vloeibaarheid en prestaties van vloeibaar kaliumsilicaat ernstig worden verminderd en kan het zelfs niet voldoen aan de toepassingsvereisten van de klant.
3. Sleutelfactoren die de polymerisatie en gelering tijdens de productie beïnvloeden
(I) Zuiverheid en verhouding van grondstoffen
Grondstoffen van siliciumdioxide: De zuiverheid van de grondstoffen van siliciumdioxide (zoals kwartszand) die worden gebruikt om vloeibaar kaliumsilicaat te produceren, heeft rechtstreeks invloed op de kwaliteit van het product. Als de grondstoffen onzuiverheidionen zoals ijzer, aluminium en calcium bevatten, kunnen deze onzuiverheden fungeren als katalysatoren of verknopingscentra voor polymerisatiereacties, de polymerisatiereactie versnellen en het risico op gelering vergroten. Een overmatig ijzergehalte (zoals meer dan 0,01%) zal bijvoorbeeld de stabiliteit van vloeibaar kaliumsilicaat aanzienlijk verminderen. Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd controleert strikt het ijzergehalte ≤0,01% tijdens het productieproces op basis van deze overweging.
Verhouding kaliumoxide tot siliciumdioxide: Nauwkeurige controle van de modulus is de kern van de productie van gekwalificeerd vloeibaar kaliumsilicaat. De berekening van de modulus is gebaseerd op de verhouding tussen de hoeveelheid kaliumoxide (K₂O) en siliciumdioxide (SiO₂). Als de verhouding onnauwkeurig is, kan de ladingsbalans van silicium-zuurstoftetraëders in het systeem worden vernietigd, waardoor abnormale polymerisatie wordt veroorzaakt. Tijdens het productieproces zijn nauwkeurige dosering en chemische reactiecontrole vereist om ervoor te zorgen dat de modulus binnen het doelbereik van 2,20-2,40 ligt.
(II) Reactietemperatuur en -tijd
De invloed van temperatuur: Temperatuur is een belangrijke factor die de polymerisatiereactiesnelheid beïnvloedt. Het verhogen van de temperatuur zal de moleculaire bewegingssnelheid versnellen en de kans op botsingen tussen reactantmoleculen vergroten, waardoor de polymerisatiereactie wordt versneld. Als bij het bereidingsproces van vloeibaar kaliumsilicaat het reactieproces bij hoge temperatuur en hoge druk wordt toegepast en de temperatuur niet goed wordt geregeld, kan de polymerisatiereactie uit de hand lopen en kunnen polysilicaten met een hoog molecuulgewicht snel worden gegenereerd en kan zelfs gelering optreden. Wanneer de reactietemperatuur bijvoorbeeld de 120°C overschrijdt, kan de polymerisatiereactiesnelheid scherp toenemen, en er moet speciale aandacht worden besteed aan het realtime monitoren en regelen van de temperatuur.
Controle van de reactietijd: De reactietijd hangt nauw samen met de mate van polymerisatie. Bij een bepaalde temperatuur neemt de polymerisatiegraad geleidelijk toe met het verlengen van de reactietijd. Als de reactietijd te lang is, zal de moleculaire keten van polysilicaat blijven groeien en uiteindelijk een gel vormen. Daarom is het noodzakelijk om door middel van experimenten de optimale reactietijd te bepalen om ervoor te zorgen dat het silica volledig reageert en overmatige polymerisatie wordt vermeden. Voor vloeibaar kaliumsilicaat met een modulus van 2,20-2,40 moet de reactietijd gewoonlijk binnen het bereik van 8-12 uur worden gehouden. De specifieke tijd moet worden aangepast aan de reactieapparatuur en de eigenschappen van de grondstoffen.
(III) Oplossingsconcentratie en pH-waarde
Effect van concentratie: Hoe hoger de concentratie van de vloeibare kaliumsilicaatoplossing, hoe groter de concentratie van silicaatanionen per volume-eenheid, hoe groter de kans op intermoleculaire botsing en hoe sneller de polymerisatiereactiesnelheid. Wanneer de concentratie een bepaalde drempel overschrijdt (zoals Baume groter dan 46,0), neemt de viscositeit van het systeem aanzienlijk toe, neemt de efficiëntie van de massaoverdracht en warmteoverdracht af en is het gemakkelijk om lokale oververhitting en ongelijkmatige polymerisatiereacties te veroorzaken, die op hun beurt gelvorming veroorzaken. De Baume-graad van HLKL-1 vloeibaar kaliumsilicaat geproduceerd door Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd wordt gecontroleerd op 44,0-46,0, wat zich in een relatief veilig concentratiebereik bevindt, maar het is nog steeds noodzakelijk om goed te letten op veranderingen in de concentratie tijdens het productieproces.
Regeling van de pH-waarde: Kaliumsilicaatoplossing is sterk alkalisch en de pH-waarde zal de aanwezigheid van silicaatanionen beïnvloeden. Onder omstandigheden met hoge pH komen silicaatanionen voornamelijk voor in de vorm van monomeren of oligomeren, en is de polymerisatiereactiesnelheid laag; wanneer de pH-waarde daalt, neemt de dissociatiegraad van silicaat af en worden gemakkelijk colloïdale silicaatdeeltjes gevormd. Deze deeltjes zullen dienen als de kern van de polymerisatiereactie en de vorming en verknoping van polysilicaat bevorderen. Daarom is het tijdens het productieproces noodzakelijk om de pH-waarde van het systeem stabiel te houden door alkalische stoffen zoals kaliumhydroxide toe te voegen. Over het algemeen wordt de pH-waarde tussen 12 en 13 geregeld om overmatige polymerisatie te voorkomen.
(IV) Roer- en massaoverdrachtseffect
Roeren is een belangrijk middel om de uniformiteit van het reactiesysteem te waarborgen. Als bij het productieproces van vloeibaar kaliumsilicaat het roeren niet voldoende is, kunnen de concentratie van de grondstoffen, de temperatuur en de pH-waarde ter plaatse ongelijkmatig zijn, waardoor plaatselijke overmatige polymerisatie ontstaat. In de dode hoek van de reactor of in de buurt van de roerpeddel kunnen bijvoorbeeld materiaalretentie en overreactie optreden, waardoor een gelkern ontstaat en deze zich geleidelijk over het gehele systeem verspreidt. Daarom is het noodzakelijk om een geschikt roerdertype en roersnelheid te selecteren om ervoor te zorgen dat de materialen volledig gemengd worden tijdens het reactieproces en om de massaoverdracht en warmteoverdrachtefficiëntie te verbeteren. Meestal wordt een ankerroerder of schoepenroerder gebruikt, en de roersnelheid wordt geregeld op 30-60 rpm om het mengeffect en het energieverbruik in evenwicht te brengen.
(V) Onzuiverheden en katalysatoren
Naast de onzuiverheidionen in de grondstoffen zal de keuze van de materialen voor productieapparatuur ook onzuiverheden introduceren. Als de reactor bijvoorbeeld is gemaakt van gewoon koolstofstaal, kunnen ijzerionen onder sterk alkalische omstandigheden oplossen en in de oplossing terechtkomen, waardoor de polymerisatiereactie wordt versneld. Daarom worden meestal roestvrijstalen of geëmailleerde reactoren gebruikt om de introductie van onzuiverheden te verminderen. Bovendien kunnen bepaalde metaalionen (zoals natriumionen en calciumionen) fungeren als katalysatoren om polymerisatiereacties te bevorderen en moeten deze tijdens de voorbehandeling en productie van grondstoffen zoveel mogelijk worden verwijderd.
4. Belangrijke technische maatregelen om overmatige polymerisatie of gelering te voorkomen
(I) Voorbehandeling van grondstoffen en kwaliteitscontrole
Selecteer zeer zuivere grondstoffen: selecteer kwartszand met een laag onzuiverheidsgehalte zoals ijzer en aluminium als grondstoffen voor silica, en voer strikte chemische analyses uit op de grondstoffen om ervoor te zorgen dat hun zuiverheid voldoet aan de productievereisten. Gebruik tegelijkertijd kaliumhydroxide of kaliumcarbonaat van hoge kwaliteit als kaliumbron om de introductie van onzuiverheidionen te voorkomen.
Controleer nauwkeurig de grondstofverhouding: gebruik geavanceerde meetapparatuur (zoals elektronische weegschalen, debietmeters) om de voedingshoeveelheid kaliumoxide en siliciumdioxide nauwkeurig te regelen om ervoor te zorgen dat de modulus binnen het doelbereik ligt. Tijdens het productieproces kunnen online analytische instrumenten worden gebruikt om de modulus en concentratie van de oplossing in realtime te volgen en de grondstofverhouding op tijd aan te passen.
(II) Optimaliseer de reactieprocesparameters
Gesegmenteerd temperatuurcontroleproces: Gebruik een gesegmenteerde temperatuurcontrolestrategie om de temperatuur (zoals 100-110℃) aan het begin van de reactie op de juiste manier te verhogen om het oplossen en de initiële polymerisatiereactie van siliciumdioxide te versnellen; verlaag in de middelste en late stadia van de reactie geleidelijk de temperatuur (zoals 80-90 ℃) om de polymerisatiereactiesnelheid te vertragen en overpolymerisatie te voorkomen. Op deze manier kan de polymerisatiegraad beter worden gecontroleerd terwijl de reactie-efficiëntie wordt gewaarborgd.
Houd de reactietijd strikt onder controle: afhankelijk van de kenmerken van de grondstoffen en de prestaties van de reactieapparatuur, wordt het optimale reactietijdvenster bepaald door middel van experimenten. Installeer tijdens het productieproces een tijdrelais of automatisch besturingssysteem om ervoor te zorgen dat de reactietijd nauwkeurig regelbaar is en om buitensporige reactietijden als gevolg van menselijke bedieningsfouten te voorkomen.
Controleer de concentratie van de oplossing en de pH-waarde: Controleer tijdens het reactieproces regelmatig de Baume-graad en de pH-waarde van de oplossing en pas deze aan door gedeïoniseerd water of een kaliumhydroxideoplossing toe te voegen. Wanneer de Baume-graad dicht bij de bovengrens (46,0) ligt, voeg dan gedeïoniseerd water toe om het op tijd te verdunnen; wanneer de pH-waarde lager is dan 12, voeg dan een geschikte hoeveelheid kaliumhydroxideoplossing toe om de alkalische omgeving van het systeem te behouden.
(III) Versterk het ontwerp van het roerwerk en de apparatuur
Optimaliseer het roersysteem: Selecteer afhankelijk van het volume en de materiaaleigenschappen van de reactor het juiste type en de juiste installatiepositie van het roerwerk. Voor grote reactoren kunnen bijvoorbeeld meerlaagse roerschoepen of gecombineerde roerders (zoals turbineroerders op de bovenste laag en ankerroerders op de onderste laag) worden gebruikt om het mengeffect van materialen in verschillende gebieden te verbeteren. Tegelijkertijd zijn de snelheid en richting van de roerpeddel redelijkerwijs ontworpen om wervelingen en materiaalretentie te voorkomen.
Verbeter de structuur van de reactor: Gebruik een reactorontwerp met een gladde binnenwand en geen dode hoeken om de hechting en retentie van materialen aan de reactorwand te verminderen. De bodem van de reactor kan bijvoorbeeld conisch of elliptisch worden ontworpen om het afvoeren en reinigen van materialen te vergemakkelijken; In de reactor wordt een geleidebuis geplaatst om de stroomrichting van het materiaal te geleiden en de menguniformiteit te verbeteren.
Introductie van ultrasone of mechanische trillingen: Tijdens het roerproces kunnen ultrasone of mechanische trillingsapparaten worden geïntroduceerd om de meng- en massaoverdrachtseffecten van de materialen door middel van energie-invoer verder te verbeteren. Ultrasone golven kunnen cavitatie-effecten veroorzaken, agglomeraten en gelkernen in de materialen vernietigen en overmatige polymerisatiereacties remmen; mechanische trillingen kunnen de hechting van materialen aan de roerpeddel en de reactorwand verminderen en de uniformiteit van het reactiesysteem verbeteren.
(IV) Het toevoegen van stabilisatoren en remmers
De rol van stabilisatoren: het toevoegen van een geschikte hoeveelheid stabilisatoren, zoals organische alcoholen (methanol, ethanol), polyolen (ethyleenglycol, propyleenglycol) of polyethyleenglycol, aan de vloeibare kaliumsilicaatoplossing. Deze stabilisatoren kunnen waterstofbruggen vormen met silicaatanionen, de vorming van silicium-zuurstofbindingen belemmeren en zo de polymerisatiereactie remmen. De hoeveelheid toegevoegde stabilisator bedraagt gewoonlijk 0,5%-2% van de oplossingsmassa, en de optimale toevoegingsverhouding moet door middel van experimenten worden bepaald.
Selectie van remmers: Voor vloeibaar kaliumsilicaat met een lage modulus (zoals M=2,20-2,40) kan een kleine hoeveelheid zuurzout (zoals kaliumdiwaterstoffosfaat, kaliumbicarbonaat) als remmer worden toegevoegd. Zure zouten kunnen sommige hydroxide-ionen neutraliseren en de pH-waarde van de oplossing op passende wijze verlagen, maar de hoeveelheid toevoeging moet strikt worden gecontroleerd om de precipitatie van silicacolloïde als gevolg van een te lage pH-waarde te voorkomen. In het algemeen bedraagt de toegevoegde hoeveelheid zuurzout niet meer dan 0,1% van de massa kaliumoxide in de oplossing.
(V) Realtime monitoring en procescontrole
Online analysetechnologie: gebruik online infraroodspectrometers, viscometers en andere analytische instrumenten om de samenstelling, viscositeit, polymerisatiegraad en andere parameters van het reactiesysteem in realtime te controleren. Infraroodspectroscopie kan bijvoorbeeld de karakteristieke absorptiepieken van silicium-zuurstofbindingen in realtime detecteren om de mate van polymerisatie te bepalen; de viscometer kan de veranderingen in de vloeibaarheid van de oplossing in realtime weergeven. Wanneer de viscositeit abnormaal toeneemt, kunnen tijdig maatregelen worden genomen om de procesparameters aan te passen.
Automatisch controlesysteem: Zet een automatisch controlesysteem op gebaseerd op PLC (programmable logic controller) of DCS (distributed control system), en neem belangrijke procesparameters zoals temperatuur, druk, concentratie, pH-waarde, roersnelheid, enz. op in de reikwijdte van automatische controle. Via het vooraf ingestelde regelalgoritme en de drempelwaarde wordt de bedrijfsstatus van het verwarmings-/koelapparaat, de voedingspomp, het roerwerk en andere apparatuur automatisch aangepast om een stabiele controle over het productieproces te bereiken en de impact van menselijke bedieningsfouten op de productkwaliteit te verminderen.
(VI) Nabewerking en opslagbeheer
Filtratie en klaring: Nadat de reactie is voltooid, wordt de vloeibare kaliumsilicaatoplossing gefilterd om onopgeloste onzuiverheidsdeeltjes en mogelijke geldeeltjes te verwijderen. Plaat- en framefilters, centrifugaalfilters of membraanfiltratieapparatuur kunnen worden gebruikt om de transparantie en zuiverheid van het product te garanderen. De gefilterde oplossing kan verder worden geklaard, zoals statische sedimentatie of het toevoegen van vlokmiddelen om kleine zwevende deeltjes te verwijderen.
Controle van de opslagomstandigheden: Vloeibaar kaliumsilicaat moet worden bewaard in afgesloten plastic vaten of roestvrijstalen tanks om contact met lucht te vermijden. De opslagomgeving moet koel en droog zijn, waarbij de temperatuur binnen het bereik van 5-30℃ moet worden gehouden, waarbij direct zonlicht en omgevingen met hoge temperaturen worden vermeden. Tijdens de opslag wordt de productkwaliteit regelmatig gecontroleerd. Als er tekenen van gelering zijn, moet deze op tijd worden verwerkt of gesloopt om te voorkomen dat niet-gekwalificeerde producten op de markt komen.
5. Praktijkervaring
Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd heeft als professionele fabrikant van anorganische siliciumproducten een rijke ervaring opgebouwd in het productieproces van vloeibaar kaliumsilicaat. Het bedrijf besteedt altijd aandacht aan de controle van de productkwaliteit en heeft een compleet kwaliteitsmanagementsysteem opgezet door geavanceerde productieapparatuur en testinstrumenten te introduceren. Om overmatige polymerisatie of gelering van vloeibaar kaliumsilicaat te voorkomen, heeft het bedrijf de volgende maatregelen genomen:
Strikte grondstoffencontrole: Selecteer hoogzuiver kwartszand en kaliumhydroxide als grondstoffen en ga langdurige samenwerkingsrelaties aan met hoogwaardige leveranciers om de stabiliteit van de grondstoffenkwaliteit te garanderen. Tegelijkertijd wordt elke partij grondstoffen strikt geïnspecteerd voordat deze de fabriek binnengaat, om te voorkomen dat niet-gekwalificeerde grondstoffen in productie worden genomen.
Geoptimaliseerd productieproces: het zelfontwikkelde gesegmenteerde reactieproces met temperatuurregeling en het efficiënte roersysteem worden toegepast om een nauwkeurige controle van de polymerisatiereactie te bereiken. Door jarenlange procesoptimalisatie kan het bedrijf op stabiele wijze vloeibare kaliumsilicaatproducten produceren met een modulus van 2,20-2,40 en uitstekende prestaties.
Perfecte testmethoden: Uitgerust met geavanceerde chemische analyse-instrumenten en fysieke prestatietestapparatuur, wordt elke schakel in het productieproces in realtime bewaakt en geanalyseerd. Door bijvoorbeeld de Baume-graad, dichtheid, silicagehalte, kaliumoxidegehalte en andere indicatoren van de oplossing te meten, kunnen de procesparameters tijdig worden aangepast om ervoor te zorgen dat de productkwaliteit aan de standaardvereisten voldoet.
Gepersonaliseerde oplossingen: Afhankelijk van de verschillende behoeften van klanten kan het bedrijf op maat gemaakte vloeibare kaliumsilicaatproducten en -oplossingen leveren. Tijdens het communicatieproces met klanten zal het technische personeel van het bedrijf de toepassingsscenario's en prestatie-eisen van de klant volledig begrijpen, geschikte productmodellen aan klanten aanbevelen en professionele technische ondersteuning bieden om klanten te helpen bij het oplossen van problemen die ze tijdens het gebruik tegenkomen.
