1. Thiết kế chính xác tỷ lệ nguyên liệu thô
(I) Kiểm soát đo lường hóa học của nguyên liệu thô cơ bản
Mô đun (M) của natri silicat được định nghĩa là tỷ lệ giữa lượng silicon dioxide và natri oxit (M = n (SiO₂)/n (Na₂O)), do đó tỷ lệ chính xác giữa nguồn silicon và nguồn natri trong nguyên liệu thô là cơ sở của việc kiểm soát mô đun. Trong thực tế sản xuất, thủy tinh nước lỏng thường được sử dụng làm tiền chất và mô đun ban đầu của nó cần được điều chỉnh bằng phản ứng của natri hydroxit và cát silic. Lấy thủy tinh dạng bột HLNAP-1 do Hengli Chemical sản xuất làm ví dụ, mô đun mục tiêu của nó là 2,0±0,1 và tỷ lệ mol của SiO₂ so với Na₂O trong dung dịch natri silicat cần phải được kiểm soát chặt chẽ trong giai đoạn chuẩn bị thủy tinh lỏng.
Trong hoạt động cụ thể, cát thạch anh (độ tinh khiết ≥ 95%, thành phần chính là SiO₂) có thể được sử dụng làm nguồn silicon và natri hydroxit cấp công nghiệp (hàm lượng NaOH ≥ 99%) có thể được sử dụng làm nguồn natri.
Theo định nghĩa mô đun M = m/n, khi mô đun mục tiêu là 2,0 thì m/n = 2,0, tức là về mặt lý thuyết cứ 2 mol SiO₂ cần phản ứng với 1 mol NaOH. Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, cần phải xem xét tỷ lệ chuyển đổi của cát silic (thường là 85% -95%) và sự mất mát của hệ thống phản ứng. Do đó, nồng độ SiO₂ và Na₂O trong dung dịch phản ứng cần được theo dõi theo thời gian thực bằng phương pháp chuẩn độ và tỷ lệ nguyên liệu đầu vào cần được điều chỉnh linh hoạt. Ví dụ, khi mô đun dung dịch ban đầu lệch khỏi 2,0, có thể điều chỉnh bằng cách thêm NaOH (hạ mô đun) hoặc silica sol (tăng mô đun).
(II) Tác dụng hiệp đồng của phụ gia
Để cải thiện động học phản ứng và cấu trúc sản phẩm, có thể thêm một lượng nhỏ chất phụ gia. Ví dụ, thêm 0,1%-0,5% natri sunfat (Na₂SO₄) trong quá trình chuẩn bị thủy tinh lỏng có thể ức chế quá trình trùng hợp quá mức của liên kết silicon-oxy bằng cách điều chỉnh cường độ ion và tránh biến động mô đun; đồng thời, thêm khoảng 0,2% natri polyacrylate làm chất phân tán có thể cải thiện khả năng phân tán của cát silic trong dung dịch kiềm và thúc đẩy tính đồng nhất của phản ứng, từ đó đảm bảo tính ổn định của mô đun. Ngoài ra, đối với các sản phẩm trong các trường hợp ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn như natri silicat dạng bột cho chất kết dính chịu nhiệt độ cao đòi hỏi độ ổn định mô đun cao, có thể thêm một lượng nhỏ muối lithium (chẳng hạn như Li₂CO₃, được thêm vào với lượng 0,05%-0,1%) để sử dụng khả năng phân cực mạnh của các ion lithium để điều chỉnh cấu trúc mạng silicat và nâng cao độ chính xác kiểm soát mô đun.
2. Các liên kết điều khiển chính của quá trình sản xuất
(I) Quy trình pha chế ly nước lỏng
Nhiệt độ và áp suất phản ứng
Phản ứng của cát silic và natri hydroxit là phản ứng không đồng nhất giữa chất lỏng và rắn, nhiệt độ và áp suất ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng và tốc độ chuyển đổi cát silic. Trong hệ thống quy trình của Hengli Chemical, thủy tinh lỏng được điều chế bằng lò phản ứng áp suất cao, với nhiệt độ phản ứng được kiểm soát ở 120-150oC và áp suất 1,0-1,5MPa. Trong điều kiện này, tốc độ hòa tan của cát silic có thể đạt 1,2-1,5g/(min・L) và tỷ lệ chuyển đổi có thể ổn định ở mức hơn 92%. Nhiệt độ quá thấp sẽ dẫn đến phản ứng không hoàn toàn, mô đun thấp và dao động lớn; nhiệt độ quá cao có thể gây ra hiện tượng trùng hợp quá mức, dẫn đến sai lệch đo mô đun. Hệ thống điều khiển nhiệt độ PID được sử dụng để kiểm soát dao động nhiệt độ ở ±2oC và dao động áp suất ở ±0,05MPa để đảm bảo sự ổn định của quá trình phản ứng.
Tốc độ khuấy và thời gian phản ứng
Tốc độ khuấy cần duy trì ở mức 150-200 vòng/phút để đảm bảo tiếp xúc hoàn toàn giữa pha rắn và lỏng. Thời gian phản ứng thường là 4 - 6 giờ, cần điều chỉnh theo kích thước hạt cát silic (khi kích thước hạt cát silic ≤0,1mm, thời gian phản ứng có thể rút ngắn xuống còn 3 giờ). Sự thay đổi độ nhớt của chất lỏng phản ứng được theo dõi bằng nhớt kế trực tuyến. Khi độ nhớt đạt 15-20mPa・s, điểm cuối phản ứng được xác định. Tại thời điểm này, mô đun giải pháp gần với giá trị mục tiêu là 2.0.
(II) Tối ưu hóa các thông số của quá trình sấy phun
Khi thủy tinh nước lỏng được chuyển thành sản phẩm dạng bột bằng cách sấy phun, đặc tính truyền nhiệt và truyền khối của quá trình sấy sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của sản phẩm, sau đó tác động gián tiếp đến mô đun. Các tham số quy trình chính bao gồm:
Nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ đầu ra
Nhiệt độ đầu vào được kiểm soát ở mức 300-350oC và nhiệt độ đầu ra là 120-140oC. Không khí nóng ở nhiệt độ cao có thể khử nước ngay lập tức các giọt (thời gian sấy <5 giây), tránh hiện tượng trùng hợp thứ cấp hoặc phân hủy cấu trúc silicat do gia nhiệt trong thời gian dài. Nếu nhiệt độ đầu vào thấp hơn 280oC, có thể gây ra độ ẩm dư (hàm lượng nước> 5%), ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo mô đun; nếu nhiệt độ cao hơn 380oC, nó có thể gây quá nhiệt cục bộ, khiến Na₂O bay hơi, làm cho mô đun đo được cao hơn.
Áp suất phun và khẩu độ vòi phun
Một vòi phun nguyên tử hóa áp suất được sử dụng, với áp suất nguyên tử hóa 6-8MPa và khẩu độ vòi phun 1,0-1,2mm. Theo thông số này, kích thước giọt trung bình có thể được kiểm soát ở mức 50-80μm, đảm bảo phân bố đồng đều kích thước hạt bột sau khi sấy (tỷ lệ vượt qua 100 lưới ≥95%, chẳng hạn như các sản phẩm loại HLNAP-1). Áp suất nguyên tử hóa quá thấp sẽ dẫn đến kích thước giọt quá lớn, tạo thành các khối kết tụ hạt lớn sau khi sấy và có thể có các thành phần chất lỏng còn sót lại không được sấy khô hoàn toàn bên trong, ảnh hưởng đến tính đồng nhất của mô đun; áp suất quá cao có thể tạo ra quá nhiều bột mịn (<200 hạt lưới chiếm >10%), tăng thất thoát bụi và có thể thay đổi mật độ khối của sản phẩm (giá trị mục tiêu 0,6Kg/L), ảnh hưởng gián tiếp đến tính đại diện của việc lấy mẫu trong quá trình thử nghiệm mô đun.
(III) Xử lý lão hóa và đồng nhất
Sản phẩm dạng bột khô cần được ủ trong kho kín từ 24-48 giờ, nhiệt độ lão hóa được kiểm soát ở 40-50oC và độ ẩm <30% RH. Trong quá trình lão hóa, sự phân bổ độ ẩm và cấu trúc vi mô bên trong bột được cân bằng hơn, điều này có thể làm giảm phạm vi dao động mô đun xuống ± 0,03. Đối với các sản phẩm sản xuất theo lô, sử dụng thiết bị đồng nhất luồng không khí để trộn (thời gian đồng nhất 1-2 giờ, tốc độ dòng không khí 15-20m/s) để đảm bảo tính đồng nhất về mô đun của từng lô sản phẩm (độ lệch mô đun giữa các lô ≤±0,05).
3. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến việc kiểm soát mô đun và biện pháp đối phó
(I) Biến động chất lượng nguyên liệu thô
Độ tinh khiết và kích thước hạt cát silic
Nếu hàm lượng tạp chất như Fe₂O₃ và Al₂O₃ trong cát silic vượt quá 1,0%, nó sẽ phản ứng với NaOH để tạo ra muối natri tương ứng, tiêu thụ nguồn natri và khiến mô đun thực tế quá cao. Biện pháp khắc phục: Sử dụng quy trình tẩy phân tách từ tính (ngâm axit clohydric 10% trong 2 giờ) để loại bỏ tạp chất và tăng độ tinh khiết của cát silic lên hơn 98%. Sự phân bố không đồng đều của kích thước hạt cát silic (chẳng hạn như khoảng kích thước hạt > 0,3mm) sẽ dẫn đến tốc độ phản ứng không nhất quán và độ lệch mô đun cục bộ có thể đạt tới ± 0,2. Giải pháp: Sử dụng sàng lọc rung để đạt được phân loại kích thước hạt và sử dụng cát silic có kích thước hạt 0,05-0,1mm làm nguyên liệu thô.
Vấn đề mất nước natri hydroxit
Natri hydroxit cấp công nghiệp dễ hấp thụ độ ẩm trong quá trình bảo quản, dẫn đến hàm lượng NaOH hiệu quả giảm (hàm lượng đo được có thể nhỏ hơn 95%), dẫn đến sai lệch trong tính toán tỷ lệ. Biện pháp đối phó: Mua natri hydroxit trong thùng kín, hiệu chỉnh lại nồng độ bằng phương pháp chuẩn độ axit-bazơ trước khi sử dụng và điều chỉnh lượng thức ăn theo giá trị đo được.
(II) Biến động tham số quy trình
Sự thay đổi hiệu suất truyền nhiệt của lò phản ứng
Sau khi sử dụng lâu dài, thành trong của lò phản ứng có thể bị đóng cặn (thành phần chính là canxi silicat), dẫn đến hệ số truyền nhiệt giảm và nhiệt độ phản ứng bị trễ. Giải pháp: Thực hiện vệ sinh hóa học thường xuyên (mỗi quý một lần) (dùng dung dịch axit flohydric 5% trong 2 giờ làm sạch tuần hoàn) để khôi phục hiệu suất truyền nhiệt lên hơn 90% giá trị ban đầu.
Hiện tượng tích tụ vật chất trong tháp sấy phun
Nếu bột tích tụ quá nhiều trên thành trong của tháp sấy (thời gian lưu trú > 24 giờ), nó có thể bị phân hủy do hấp thụ độ ẩm, hình thành các chất kết tụ có độ nhớt cao, ảnh hưởng đến sự ổn định của quá trình sấy nguyên tử hóa tiếp theo. Biện pháp khắc phục: Lắp đặt thiết bị rung tự động (rung 5-10 lần/giờ, biên độ 5-8mm) và vệ sinh thành trong sau mỗi ca để kiểm soát độ dày của vật liệu tích tụ đến 1mm.
(III) Sai số hệ thống của phương pháp phát hiện
Việc phát hiện mô đun thường sử dụng phương pháp chuẩn độ axit-bazơ, nhưng các chi tiết của quy trình vận hành có thể gây ra lỗi. Ví dụ: nếu nhiệt độ nước vượt quá 60oC khi hòa tan mẫu, nó sẽ đẩy nhanh quá trình thủy phân silicat, dẫn đến giá trị đo SiO₂ thấp và giá trị tính toán mô đun nhỏ. Phương pháp cải tiến: Sử dụng nước khử ion ở 30oC ± 2oC khi hòa tan mẫu (chẳng hạn như tốc độ hòa tan của sản phẩm loại HLNAP-1 60s/30oC) và sử dụng máy khuấy từ để khuấy nhanh (tốc độ 300 vòng / phút) để đảm bảo hòa tan hoàn toàn trong vòng 2 phút và giảm tổn thất thủy phân. Ngoài ra, việc lựa chọn chất chỉ thị (chẳng hạn như sự khác biệt trong khoảng thay đổi màu của metyl da cam và phenolphtalein) cũng sẽ ảnh hưởng đến việc xác định điểm cuối chuẩn độ. Nên sử dụng phương pháp chuẩn độ điện thế (sai số xác định điểm cuối < 0,1mL) thay vì phương pháp chỉ thị truyền thống để cải thiện độ chính xác của phát hiện tương tự sang kỹ thuật số (độ lệch đo lặp lại ≤ ± 0,02).
