فرآیند تولید پیچیده سدیم متاسیلیکات 5 آبه مدت هاست که با چالش هایی بهویژه از نظر هزینه و کارایی انرژی همراه بوده است. در این مقاله یک روش نوآورانه برای تولید سدیم متاسیلیکات 5 آبه ارائه میکنیم که که به طور قابل توجهی منابع و مواد اولیه موردنیاز برای واکنش و تولید را کاهش می دهد.
ویژگی های شیمیایی متاسیلیکات سدیم
قبل از پرداختن به روش تولید، شناخت ویژگی های شیمیایی متاسیلیکات سدیم در محلول های آبی بسیار مهم است. این ماده شیمیایی در غلظت 57.5 درصد و 72.2 درجه سانتیگراد، محلولی اشباع شده است. در دمای بالاتر از این، حلالیت سدیم متاسیلیکات 5 آبه کاهش می یابد.
فرایند کلی تولید سدیم متاسیلیکات 5 آبه
فرآیند تولید محلولی از متاسیلیکات سدیم که شامل مخلوط کردن محلول آبی سیلیکات سدیم حاوی حدود 50 تا حدود 65 درصد وزنی مواد جامد در محلول است. نسبت مولکولی اکسید سدیم و سیلیس دی اکسید در حدود 1:2 تا حدود 121.5 تنظیم شده است. سپس، یک محلول آبی حاوی 50٪ تا حدود 73٪ هیدروکسید سدیم به محلول سیلیکات سدیم اضافه می شود تا محلول متا سیلیکات سدیم حاصل حاوی حدود 50 تا 60 درصد وزنی مواد جامد محلول با نسبت مولکولی اکسید سدیم به دی اکسید سیلیس 1:1 باشد. زمانی که درصد وزنی جامدات محلول بین 57 تا 58 باشد، متاسیلیکات سدیم 5 آبه به راحتی از محلول متبلور می شود.
خلوص متاسیلیکات سدیم اشباع شده
در خلوص 57.5٪ متاسیلیکات سدیم و در دمای 72.2 درجه سانتیگراد، محلول نسبت به متاسیلیکات سدیم اشباع شده و ترکیب کلی بر پایه آب به متاسیلیکات سدیم ۵ آبه اطلاق میشود. در واقع، این تبلوری از ذوب شدن متا سیلیکات سدیم در آب خود است. در حضور پایه جامد، حلالیت متاسیلیکات سدیم در دمای بالاتر از 72.2 درجه سانتیگراد کاهش مییابد، که همان نقطه ذوب متاسیلیکات سدیم ۵ آبه است. حلالیت مایع در دمای 90 درجه سانتیگراد تنها 47.5٪ وزنی آن خواهد بود.
مرحله تبخیر در تولید گرانول های متاسیلیکات
محلول مایعات متاسیلیکات سدیم در شرایط عدم وجود پایه جامد میتواند بصورت کاملاً اشباع در بیاید. مایعات متاسیلیکات سدیم تا 75٪ متاسیلیکات سدیم بدون آب را می توان با تبخیر محلول های متاسیلیکات سدیم به دست آورد. متاسیلیکات سدیم کریستالی با بیش از ۳۵ تا ۴۰٪ جامدات را نمی توان در آب حل کرد، پدیده ای که دلیل واضحی ندارد! بنابراین برای رسیدن به یک متاسیلیکات سدیم کریستالی با غلضت ۵۷.۵ ٪ ، باید یک محلول متاسیلیکات سدیم ۵ آبه را تبخیر کرد. متاسیلیکات سدیم ۵ آبه ذوب شده یا محلول با سرد کردن تا حدود 60 درجه سانتیگراد، فرایند تشکیل کریستال به همراه مخلوط کردن مداوم و در نهایت خنک شدن تا حدود 48 تا 52 درجه سانتیگراد به محصول جامد کریستالی تبدیل می شود. فرایند مخلوط کردن تا افزایش دوباره دما ادامه مییابد تا اینکه فرایند تبلور آغاز شود و محصول نهایی با توجه به اینکه در نقطه ی افزایش دما هم زدن تا پایان فرایند کریستال سازی ادامه یابد، یا اینکه متوقف شود، به یک توده یا گرانول سخت متبلور تبدیل می شود.
تولید سدیم متاسیلیکات ۵ آبه تجاری
سدیم متاسیلیکات ۵ آبه به صورت تجاری با واکنش سیلیس با محلول غلیظ هیدروکسید سدیم ساخته می شود که نتیجه آن بدست آمدن محلول سیلیکات سدیم با حدود 40 درصد وزنی مواد جامد و نسبت مولی Na O:SiO حدود 1:1 است. این شامل غلیظ کردن محلول سیلیکات سدیم یخ با تبخیر حدود 57.5 ٪ وزنی جامدات محلول، و متبلور کردن سدیم متاسیلیکات ۵ آبه نیز میشود. منظور از جامدات محلول، میزان Na O-SiO یا سیلیکات سدیم در محلول است. این روش تجاری از نسبت مولی Na O:SiO بالا در حدود ۱:۱ استفاده میکند که محتوای جامدات محلول سیلیکات سدیم را به همین میزان یا کمتر از این درصد وزنی محدود می کند.
اشباع محلول متاسیلیکات برای کریستال سدیم متاسیلیکات
در حدود 40 درصد وزنی محتوای جامد، واکنش کند خواهد شد زیرا به نقطه اشباع متاسیلیکات در آب نزدیک می شود. چنین محلول های متاسیلیکات سدیم، دارای نسبت مولی حدود 1:1 و غلظت محدودی در حدود 40 تا 42 ٪ وزنی مواد جامد محلول دارند که بالاتر از آن متاسیلیکات بدون آب رسوب می کند. یکی از چالش های تولید عدم امکان جداسازی متاسیلیکات ماسه واکنش نداده است. از طرفی برای کریستال کردن سدیم متاسیلیکات ۵ آبه باید محلولی از متاسیلیکات سدیم حاوی حدود 57.5 ٪ وزنی مواد جامد محلول و دارای نسبت مولی 1:1 ایجاد کرد. بنابراین مشاهده می شود که این روش تجاری نیازمند تبخیر مقدار زیادی آب از محلول 40 ٪ وزنی است تا محلولی 5/57 ٪ وزنی حاصل شود که از آن می توان متاسیلیکات سدیم ۵ آبه را متبلور کرد.
روشی مناسب برای تبلور متاسیلیکات سدیم
این روش نوآورانه تولید عملیات تبخیر پرهزینه برای این واکنش را به طور قابل ملاحظهای کاهش میدهد. در این روش تولید محلول متاسیلیکات سدیم را می توان با آمیختن محلول سیلیکات سدیم غیر اشباع و محلول کاستیک غیر اشباع تشکیل داد. طبق این روش، این محلول با آمیختن (۱) محلول غلیظ سیلیکات سدیم حاوی حدود 65 ٪ وزنی مواد جامد دارای نسبت مولی Na O:SiO بین حدود 1:2 تا حدود 121.5، و (۲) محلول غلیظ سدیم هیدروکسید حاوی حدود 50 تا حدود 73 ٪ وزنی هیدروکسید سدیم تولید میشود.
غلظت موردنیاز در محلول هیدروکسید سدیم
محلول هیدروکسید سدیم که در این واکنش استفاده شده دارای حدود 50 ٪ وزنی مواد جامد محلول نسبت به محلول سیلیکات سدیم و با نسبت مولی Na O:SiO حدود 1:1 میباشد. هنگامی که مقدار جامدات در محلول متاسیلیکات سدیم بین 57 تا 58 ٪ وزنی باشد، همانطور که به راحتی می توان با استفاده از محلول هیدروکسید سدیم 70 تا 73 ٪ به دست آورد، نیازی به تبخیر نیست. وقتی که مقدار مواد جامد در محلول متاسیلیکات سدیم بین 50 تا کمتر از حدود 57 ٪ وزنی باشد، و در شرایطی که محلول (۲) کمتر از حدود 70 ٪ هیدروکسید سدیم استفاده شود، آب از محلول تبخیر شده تا غلظتی به میزان 57 تا 58 ٪ وزنی را فراهم کند. که در مقایسه با محلول های 40 ٪ وزنی قبلی، میزان تبخیر مورد نیاز را کاهش میدهد. هنگامی که مقدار مواد جامد در محلول متا سیلیکات سدیم از حدود 57 درصد فراتر رفت، می توان آن را با آب رقیق کرد تا غلظت 57 تا 58 درصدی مورد نظر به دست آید.
مشخصات شیمیایی محلول متاسیلیکات سدیم
محلول غلیظ سیلیکات سدیم (۱) که برای تولید محلول متاسیلیکات سدیم استفاده شد، می تواند در یک راکتور از هیدروکسید سدیم و ماسه تولید شود. این فرایند با محلول سازی سیلیس با حدود نیمی از میزان استوکیومتری هیدروکسید سدیم برای تشکیل محلول متاسیلیکات سدیم غلیظ با نسبت مولی 1:2 تا حدود 1:1.5 دارای حدود تقریباً 50 ٪ وزنی مواد جامد محلول انجام میپذیرد. سپس این محلول سیلیکات با مقادیر کافی حدود 50 تا 73 ٪ وزنی محلول هیدروکسید سدیم (۲) ترکیب می شود تا محلولی از متاسیلیکات سدیم حاوی حدود 50 تا 60 ٪ وزنی مواد جامد محلول و دارای نسبت مولی حدود ۱:۱ بدست آید.
تولید متاسیلیکات سدیم جامد بدون نیاز به تبخیر
در شرایطی که نیازی به مرحله تبخیر نیست، محلول سیلیکات (۱) با نسبت مولی 1:2 تا حدود 1:1.5 تهیه می شود و دارای حدود 56 تا 60 ٪ وزنی مواد جامد در محلول است. سپس این محلول سیلیکات با مقادیر کافی از حدود 70 تا حدود 73 ٪ وزنی محلول هیدروکسید سدیم (۲) ترکیب شده تا محلولی از متاسیلیکات سدیم حاوی حدود 57 تا 58 ٪ وزنی مواد جامد محلول و دارای نسبت مولی حدود ۱:۱ بدست آید.
تبلور متاسیلیکات ۵ آبه با محلول هیدروکسید سدیم
با تنظیم نسبت مولی Na O:SiO محلول سیلیکات (۱) به حدود 1:1 با محلول هیدروکسید سدیم بسیار غلیظ (۲)، یعنی حدود 70 تا حدود 73 درصد ٪ هیدروکسید سدیم، با محتوای جامدات محلول تقریباً 57.5 ٪ وزنی متاسیلیکات سدیم ۵ آبه می تواند متبلور شود. این امر با کاهش نسبت مولی Na O:SiO در ترکیبات اولیه واکنش امکانپذیر میشود که به موجب آن سطح جامدات محلول مورد نظر به دست میآید و سپس با افزودن هیدروکسید سدیم غلیظ نسبت مولی را به حدود 1:1 افزایش میدهد.
دمای مطلوب برای واکنش محلول سیلیکات و کاستیک
آمیختن محلول سیلیکات (۱) و محلول کاستیک (۲) ترجیحاً در منطقه ای جدا از راکتور مورد استفاده برای تهیه محلول سیلیکات انجام می شود. زیرا این امر امکان جداسازی بهتر ماسه و سایر ناخالصی ها از محلول سیلیکات را قبل از افزودن فراهم می کند. محلول کاستیک با این حال میتواند به محلول سیلیکات در راکتور اضافه و ماسه واکنش نداده از محلول نهایی فیلتر شود. محلول ها ترجیحاً در دمای حدود 80 تا 90 درجه سانتیگراد ترکیب می شوند، اگرچه می توان از دمای حدود 50 تا حدود 120 درجه سانتیگراد نیز استفاده کرد. ترجیحاً محلول کاستیک با هم زدن مداوم به محلول سیلیکات اضافه می شود تا واکنش کامل شود. محلولی از متاسیلیکات سدیم، همانطور که در بالا توضیح داده شد، تشکیل و بازیابی می شود. محلول پنج آبه از متاسیلیکات به آسانی با روش های معمولی تشکیل کریستال و خنک سازی متبلور می شود.
غلظت کاستیک سودا در تولید سیلیکات سدیم
محلول سیلیکات سدیم (۱) ترجیحاً در یک راکتور از ماسه و کاستیک به شرح زیر تهیه می شود. سیلیس باید ماسه ای باشد که دارای ناخالصی کمی باشد، مثلاً آهن که باعث ایجاد رنگ نامطلوب متاسیلیکات سدیم می شود. همچنین از آنجایی که میزان ناخالصی موجود در ماسه، میزان نامحلول بودن محصول در سیلیکات را کنترل می کند، باید در کنترل خلوص ماسه دقت شود. محلول هیدروکسید سدیم مورد استفاده یک محلول غلیظ است و به عنوان مثال یک محلول 50 درصد وزنی برای ایجاد نتایج رضایت بخشی از کارکرد و واکنش نشان داده شده است. محلول کاستیک 50 درصد وزنی برای این واکنش ترجیح داده می شود زیرا در غلظت های پایین تر ، سرعت واکنش را کاهش می داده و برای رسیدن به غلظت مورد نظر محلول نیاز به مقداری تبخیر دارد.
تنظیمات بهینه در راکتور شیمیایی
راکتور ترجیحاً در دمای حدود 210 درجه سانتیگراد کار می کند، اگرچه می توان از دما های بین 190 تا حدود 220 درجه سانتیگراد استفاده کرد. در بالای حدود 220 درجه سانتیگراد تمایل به رسوب سیلیکات های خاص وجود دارد. دمای عملیاتی تأثیر مشخصی بر سرعت واکنش دارد و دمای عملیاتی حدود 210 درجه سانتیگراد سرعت بهینه واکنش را ایجاد می کند و طراحی تجهیزات مطلوبی را ارائه می دهد. راکتور ترجیحاً در فشار حدود 225 p.s.i.g کار می کند. اگرچه فشار های بین حدود 215 تا حدود 225 p.s.i.g. می تواند به کار رود.