矽石化學加工

矽石化學加工

矽石大量用作建築材料的原料,也是無機鹽工業的重要原料。用化學方法可將矽石加工成一系列矽化合物。矽石一般指純度較高的天然石英砂即二氧化矽,在自然界中分布廣,儲藏量大,很多國家都有大型優質礦,開採量大。

矽石化學加工

加工方法 矽石經化學加工,除還原生產單質矽外,首先得到矽化合物的母體產品矽酸鈉(俗稱水玻璃),主要有鹼法和硫酸鈉法兩種(見圖)。
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鹼法 矽石不溶於水和酸,但易與鹼反應生成矽酸鈉,所以鹼法是矽石化學加工的主要方法。鹼法又分為乾法(純鹼法)和濕法(燒鹼法)。
①乾法(純鹼法) 將含二氧化矽99%以上的矽石粉碎到50~80目,與純鹼按一定比例配合,在1100~1350℃的高溫下焙燒4~6h,生成熔融態物料,反應式為:

xSiO2+nNa2CO3─→nNa2O·xSiO2+nCO2

式中x和n的摩爾比稱為矽酸鈉的模數,工業用矽酸鈉的模數一般為1.0~3.8。選擇不同的配料比可得到不同模數的產品。在高溫生產中鹼易損失,故配鹼量往往要稍高於模數要求的理論量。
得到的熔融物料除含矽酸鈉外,還含有未反應的矽石等水不溶物,用水溶解分離掉熔融體中不溶物,得到無色透明的粘稠液體即矽酸鈉產品。
乾法易於製造高模數的矽酸鈉產品,生產條件要求不太苛刻,易於工業生產。但能耗大,操作條件差。
②濕法(燒鹼法)  將粉碎至120目以上的矽石粉(SiO2)含量高於99%),與燒鹼按一定比例(由產品模數而定)配合,放入帶攪拌的加壓反應釜中,通蒸汽加熱到175℃以上,壓力控制在811kPa以上,反應4~6h,冷卻後過濾,除去未反應的二氧化矽,即可得到液體矽酸鈉產品,反應式為:

xSiO2+2nNaOH─→nNa2O·xSiO2+nH2O

濕法能耗低,操作環境較好,但不易得高模數產品。
硫酸鈉法 將含二氧化矽達98%的矽石粉碎到80目,與硫酸鈉(其配比按產品的模數定)和煤粉按一定比例配合,在反射爐內反應。首先硫酸鈉還原成硫化鈉,後者與矽石反應得矽酸鈉,同時放出二氧化硫。反應式為:

Na2SO4+4C─→Na2S+4CO

nNa2S+xSiO2+3/2nO2─→nNa2O·xSiO2+nSO2

在反應中硫酸鈉往往還原不完全,在高溫下呈熔融態浮於矽酸鈉熔體表面,稱為硝水,硝水的腐蝕性極強,易腐蝕爐襯,同時遇水易爆炸。並且該反應中產生二氧化硫,污染環境,故工業上很少採用。
產品用途 矽酸鈉和二氧化矽是矽石化學加工得到的主要產品。矽酸鈉是矽石化學加工產品中用途最廣、用量最大的產品,除用於製造多種矽化合物外,還大量用作紙板、膠合板、部分金屬材料及鑄造工業的粘合劑,肥皂、洗滌劑的添加劑,紙張的性能改良劑,在紡織工業中作棉布煮煉和漂白助劑、織物的防火處理劑、染料的顯色劑。此外,還用作水泥助凝劑、木材防腐劑及蛋類的保鮮劑等。矽酸鈉經改性後還可作為內外牆塗料。矽酸鋁可作玻璃、陶瓷的原料,也可作油漆顏料。矽酸鋰可作防腐油漆、金屬表面保護劑。

配圖

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