背景及概述[1]
硅酸鈉又名偏硅酸鈉，俗名水玻璃或泡花堿。Na2SiO3＝122.06，常為玻璃態(tài)，也可為單斜晶體。相對(duì)密度2.40，熔點(diǎn)1088℃，折光率(玻)1.520(25℃)。溶于水，在熱水中分解，析出硅膠。工業(yè)品組成復(fù)雜，常表示為xNa2O·ySiO2，有吸濕性，為無(wú)色、青綠色、棕色固體或粘稠液體，其物理性質(zhì)隨氧化鈉與二氧化硅的比例而不同，水溶液呈強(qiáng)堿性。二硅酸鈉(Na2Si2O5)，熔點(diǎn)874℃。硅酸鈉九水合物為無(wú)色斜方晶體，在空氣中風(fēng)化，熔點(diǎn)40～48℃，加熱至100℃時(shí)失去六分子水。由硅石、純堿與粉狀煤共熔，冷卻后粉碎，用水萃取、濃縮而制得，或由硅石與燒堿共熔而得。用作肥皂填充劑、粘合劑，用于制硅膠、硅鋁凝膠和人造鈉沸石等。
物理性質(zhì)[2]
硅酸鈉溶液呈無(wú)色透明、黃綠色、青灰色、或微紅色，無(wú)色透明的液體質(zhì)量。硅酸鈉溶液中含有的雜質(zhì)如Ｆｅ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ和Ａｌ２Ｏ３等對(duì)其透明度及物理化學(xué)性能均有影響。水玻璃的性能參數(shù)包括模數(shù)ｎ（氧化硅與氧化鈉的摩爾比），密度Ｄ（或波美度°Ｂé）和粘度μ等。用水玻璃溶液作黏合劑時(shí)，其粘度與密度和模數(shù)有關(guān)。密度相同時(shí)，模數(shù)越大粘度越大。模數(shù)相同時(shí)，密度越大粘度越大。模數(shù)越大的水玻璃溶液隨密度增大粘度增大越快，這是因?yàn)槟?shù)越高，膠態(tài)二氧化硅的含量也越高，水玻璃溶液的膠體性質(zhì)就越強(qiáng)。此外，水玻璃溶液的粘度隨溫度升高而降低。
化學(xué)性質(zhì)[2]
1）水解水玻璃是一種強(qiáng)堿弱酸鹽，與水反應(yīng)發(fā)生水解生成氫氧化鈉，從而使水玻璃溶液呈堿性。水玻璃溶液是膠體溶液，其膠粒帶負(fù)電。
2）與酸的反應(yīng)水玻璃溶液顯堿性，所以它能與無(wú)機(jī)酸和有機(jī)酸發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)果是二氧化硅溶膠以凝膠體沉淀析出。水玻璃溶液與鹽酸的反應(yīng)式如下
3）與堿的反應(yīng)：1）與堿金屬離子反應(yīng)只是提高其堿度，使模數(shù)下降，不會(huì)影響水玻璃膠體溶液的穩(wěn)定性。2）與堿土金屬離子反應(yīng)會(huì)發(fā)生絮凝，生成白色凝膠沉淀，水玻璃溶液與氫氧化鋇反應(yīng)式如下
最終生成的水合硅酸鋇是凝膠體。同樣，與其他堿土金屬離子如Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｓｒ２＋會(huì)發(fā)生類似的反應(yīng)。
4）液體水玻璃的硬化液體水玻璃與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，生成無(wú)定形硅酸，逐漸干燥而硬化，與石灰的凝結(jié)硬化類似
這個(gè)反應(yīng)過(guò)程很慢，因此液體水玻璃要密封保存。在使用中經(jīng)常采用加熱或者加入氟硅酸鈉的方法來(lái)加快硬化，氟硅酸鈉適宜的用量為水玻璃質(zhì)量的12％～15％。硬化速度還與模數(shù)和密度有關(guān)。模數(shù)越大，硅膠越易析出，硬化越快；密度越小，粘度越小，硬化越快。硬化速度還與環(huán)境溫度和濕度有關(guān)，溫度越高，濕度越小，硬化越快。
應(yīng)用[2-3]
硅酸鈉是無(wú)機(jī)硅化合物中發(fā)展最廣泛的產(chǎn)品，應(yīng)用已有100多年歷史，應(yīng)用范圍幾乎滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。硅酸鈉是制皂工業(yè)中最有價(jià)值的填料，將硅酸鈉摻入到洗衣皂中可緩沖洗衣皂的堿性，減少洗衣皂在水中的損耗，并可增強(qiáng)洗滌能力和防止肥皂酸敗；硅酸鈉在合成洗滌劑中起助洗、防腐、穩(wěn)定泡沫的作用；可用作造紙的填料；用于制造硅凝膠、硅膠；用作鑄造工業(yè)中粘結(jié)劑，粘接砂和黏土，制作成人們需要的各種各樣的鑄型和型芯；水玻璃涂在金屬表面會(huì)形成堿金屬硅酸鹽及二氧化硅凝膠薄膜，使金屬免受外界酸、堿等的腐蝕；用作粘結(jié)劑來(lái)粘結(jié)玻璃、陶瓷、石棉、木材、膠合板等；用于制造耐火材料、白炭黑、耐酸水泥；在紡織工業(yè)用作漿料、浸漬劑，在紡織物染色和壓花紋時(shí)用作固染劑和媒染劑，以及用于絲綢織物加重；在皮革生產(chǎn)中加入水玻璃，它的分散的膠體二氧化硅用于生產(chǎn)軟皮革；在食品工業(yè)可用于保存蛋類，防止微生物進(jìn)入蛋殼空隙造成變質(zhì)；在制糖工業(yè)，水玻璃可以脫除糖液中的色素和樹(shù)脂質(zhì)；此外硅酸鈉在醫(yī)學(xué)繃帶、蓄電池制造、電焊條制造、煉鋼等行業(yè)都有重要的用途。
1. 硅酸鈉單獨(dú)用作緩蝕劑
1）硅酸鈉在冷鐵防銹中的應(yīng)用：將模數(shù)為2.0～2.8(為2.4)的硅酸鈉，用水稀釋充分?jǐn)嚢韬箪o置，保留上層清液作為防銹液。將除銹去污后的冷鐵浸泡在上述溶液中，取出后使多余的溶液自動(dòng)流下，自然干燥即可。處理后的冷鐵可在普通室內(nèi)保存1～2個(gè)月而不生銹，在此期間可以隨意使用。
2）硅酸鈉為主的堿性清洗液：采用以硅酸鈉為主要緩蝕劑的堿性清洗液對(duì)鐵器文物的脫鹽清洗效果較好。硅酸鹽與鐵表面的氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成部分Fe2O3、Fe2SiO4和Fe7SiO10，這些新生成的物質(zhì)具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力。
3）硅酸鈉對(duì)鋁合金的緩蝕作用：硅酸鈉主要通過(guò)促進(jìn)鋁合金的鈍化或在其表面形成轉(zhuǎn)化膜，抑制鋁合金的點(diǎn)蝕，進(jìn)而減少裂紋源的產(chǎn)生，提高鋁合金在氯化鈉溶液中抗點(diǎn)蝕的能力及腐蝕疲勞壽命而起到緩蝕作用，是一種陽(yáng)極型緩蝕劑。同時(shí)硅酸鈉的濃度對(duì)鋁合金的緩蝕作用有很大的影響，當(dāng)添加0.20mg/g的硅酸鈉時(shí)，鋁合金在3.5%NaCl溶液中具有較好的緩蝕作用。
4）硅酸鈉被膜緩蝕劑：當(dāng)藥劑溶于水后，硅酸鈉被膜緩蝕劑中對(duì)金屬表面有強(qiáng)親和力的成分會(huì)在金屬表面形成一層細(xì)密、堅(jiān)韌的硅鐵穩(wěn)定膜，使金屬與腐蝕環(huán)境隔絕開(kāi)來(lái)，從而可有效地防止金屬腐蝕。另外，所形成的膠態(tài)負(fù)離子吸附水中帶正電的離子構(gòu)成固定層，并向外擴(kuò)散構(gòu)成擴(kuò)散層，兩界面處產(chǎn)生的動(dòng)電位使包圍在擴(kuò)散層中的難溶物質(zhì)過(guò)飽和度加大，不易形成晶核，從而抑制了結(jié)垢的可能。硅酸鈉被膜緩蝕劑的使用效果與藥劑濃度、水溫、水質(zhì)、水流速度、材質(zhì)等因素有關(guān)。
2. 硅酸鈉復(fù)配緩蝕劑
盡管如此，硅酸鈉作為緩蝕劑單獨(dú)使用有一定的缺陷，它成膜慢，所形成的膜有孔隙，易形成硅垢，所以它與其它物質(zhì)復(fù)配使用已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。3.1 1）Njff-Ⅱ緩蝕劑：Njff-Ⅱ緩蝕劑由硅酸鈉、鉬酸鹽、有機(jī)胺復(fù)配而成，是主要控制陽(yáng)極反應(yīng)的混合抑制型緩蝕劑。加量0.2%時(shí)，在鹽水鉆井液濾液中對(duì)G105鋼試片80℃動(dòng)態(tài)腐蝕的緩蝕率達(dá)88.19%。Njff-Ⅱ緩蝕劑目前已在江蘇油田廣泛應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息，使用該緩蝕劑后，鉆桿、鉆具的更換周期明顯延長(zhǎng)。
2）一種銅的緩蝕劑：以硅酸鈉為主，與聚環(huán)氧琥珀酸(PESA)、苯駢三唑(BTA)、Zn2+復(fù)配使用的緩蝕劑當(dāng)其構(gòu)成配比為60∶40∶1∶8時(shí)，顯示出較好的協(xié)同效應(yīng)，此時(shí)對(duì)銅的緩蝕效果好。該復(fù)合水處理劑是以抑制陽(yáng)極腐蝕為主的緩蝕劑，從環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展的角度進(jìn)行研究具有重要意義。
3）用于天然海水中的高效緩蝕劑：腐蝕介質(zhì)取自青島魯迅公園的天然海水，鹽度是32%，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，海水定期更新。將硅酸鈉、硫酸鋅、葡萄糖酸鈣、烷基多糖苷和鎢酸鈉按一定比例置于容器中，攪拌均勻所得的緩蝕劑是一種適用于天然海水中碳鋼的低毒、高效復(fù)合緩蝕劑。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，未預(yù)膜時(shí)緩蝕劑的臨界濃度是280mg/L，此時(shí)對(duì)碳鋼的緩蝕率為93.8%，并且試樣表面光亮如初，沒(méi)有局部腐蝕；預(yù)膜后緩蝕劑的臨界濃度降為210mg/L，此時(shí)對(duì)碳鋼的緩蝕率為93.1%。
4）碳鋼-銅復(fù)合體系緩蝕劑：以硅酸鈉為主，與聚天冬氨酸、苯駢三唑、鉬酸鈉的復(fù)配緩蝕劑是以抑制陽(yáng)極腐蝕為主的復(fù)合型緩蝕劑，對(duì)碳鋼-銅復(fù)合體系有很好的緩蝕效果。在緩蝕劑總濃度為50.5mg/L，其配比為60∶20∶1∶20時(shí)，其緩蝕效果。
5）高Cl-濃度環(huán)境中的復(fù)配緩蝕劑：硅酸鈉與鉬酸鈉復(fù)配后，緩蝕劑毒性降低。硅酸鈉形成的沉淀膜彌補(bǔ)了鉬酸鈉形成的鈍化膜的缺陷，從而在材料表面形成完整致密的保護(hù)膜層，阻止腐蝕的發(fā)生和進(jìn)行。在高Cl-濃度環(huán)境中，此緩蝕劑仍能有效地阻止Cl-通過(guò)膜層向金屬表面的遷移，抑制金屬的腐蝕。
6）鋁-硅聯(lián)合緩蝕劑鋁-硅聯(lián)合緩蝕劑：由預(yù)膜液和封閉液組成。用鋁系復(fù)合緩蝕劑對(duì)水中碳鋼預(yù)膜后，轉(zhuǎn)入含硅酸鈉的水中進(jìn)行封閉處理，在原來(lái)氫氧化鋁膜上又沉積上相當(dāng)?shù)亩趸?，自?dòng)修補(bǔ)了膜的缺陷，進(jìn)一步提高了鋁緩蝕膜的耐蝕性能。鋁-硅聯(lián)合緩蝕劑不僅在淡水中具有好的緩蝕效果，而且在海水中、在溫度較高的鹽水中同樣具有較好的緩蝕效果。
7）鹽酸介質(zhì)中鋁合金復(fù)合緩蝕劑：由鉬酸銨、硅酸鈉和鎢洛托品以一定比例復(fù)合而成的緩蝕劑是冷軋鋁板在1mol/LHCl中的非磷、非鉻高效復(fù)合型緩蝕劑。當(dāng)其總濃度為10.6mg/L，其中鉬酸銨、鎢洛托品和硅酸鈉的復(fù)合比為2.375∶468.750∶1.000時(shí)，緩蝕率達(dá)到99.91%。另外還有很多關(guān)于利用硅酸鈉與其他物質(zhì)復(fù)配制成不同功能的緩蝕劑。
制備[4]
硅酸鈉有干法、濕法兩種生產(chǎn)工藝。干法又包括碳酸鈉法、元明粉（硫酸鈉）法、氯化鈉法；濕法以液體燒堿和石英砂為原料，加溫、加壓反應(yīng)后得到液體產(chǎn)品。
1. 干法
1）碳酸鈉法：根據(jù)所需產(chǎn)品的模數(shù)要求，將純堿（Na2CO3）和粒徑0.180～0.250mm（60~80目）的石英砂（SiO2）按比例混合均勻送入馬蹄焰窯爐，在1450~1500℃下熔融，高溫熔融產(chǎn)物從窯爐出料口流出，通過(guò)模子上面的輥?zhàn)訅褐瞥蓧K或者水淬成顆粒。若需要生產(chǎn)液體產(chǎn)品則需再進(jìn)行高溫溶解或高溫高壓溶解，并經(jīng)沉淀、濃縮制得液體水玻璃。其化學(xué)反應(yīng)方程式：
即：純堿、石英砂→混合→熔融→成型成固體泡花堿→經(jīng)溶化→液體泡花堿，其中成型成固體泡花堿有2種方法：（1）干法成型工藝流程簡(jiǎn)介熔窯采用燃天然氣蓄熱式馬蹄焰熔窯，備用燃料為燃油。投料采用單側(cè)密封式投料口，以減少該處侵蝕延長(zhǎng)熔窯壽命，杜絕粉塵飛揚(yáng)并減少該處熱量散失以節(jié)能。原料車間制備好的配合料經(jīng)配合料帶式輸送機(jī)卸入硅酸鈉聯(lián)合車間熔窯的窯頭料倉(cāng)。熔窯采用單側(cè)加料，窯頭料倉(cāng)下的密封式投料機(jī)將配合料按液面信號(hào)均勻加入熔窯內(nèi)，在高溫下進(jìn)行一系列物理、化學(xué)變化完成原料的熔制和均化。（2）水淬法成型水淬法成型與干法成型工藝不同的是高溫熔融料液從窯內(nèi)流出后直接進(jìn)入冷卻水，高溫熔融料液急冷炸裂，在水中淬冷成1~5mm的顆粒，顏色為綠色或灰色。經(jīng)過(guò)出料機(jī)運(yùn)至皮帶機(jī)，再輸送至料倉(cāng)，包裝入庫(kù)。此法生產(chǎn)的硅酸鈉含水，結(jié)塊嚴(yán)重，難以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，給后續(xù)化料也會(huì)帶來(lái)困難。此法由于熔融料液在水淬時(shí)部分顆粒狀固體硅酸鈉在冷卻水中會(huì)發(fā)生水解，使冷卻水顯堿性，而且冷卻水循環(huán)使用時(shí)溫度越高，水解程度越大，會(huì)產(chǎn)生堿泥，循環(huán)水冷卻效果降低，就需要排出較多的廢水，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。此種工藝已經(jīng)被國(guó)家明令淘汰了。
2. 濕法
將液體苛性鈉和石英砂按適當(dāng)比例混合加入壓熱釜內(nèi)，用蒸汽加熱并進(jìn)行攪拌，使之直接反應(yīng)而成液體水玻璃，經(jīng)過(guò)濾、濃縮制得成品水玻璃。濕法生產(chǎn)水玻璃只能生產(chǎn)模數(shù)小于2.5的產(chǎn)品，難以生產(chǎn)高模數(shù)的產(chǎn)品，而且反應(yīng)速度慢，從而限制了此法的應(yīng)用。我國(guó)采用濕法生產(chǎn)水玻璃僅占全國(guó)總產(chǎn)量的5%。化學(xué)反應(yīng)方程式如下：
主要參考資料
[1] 化學(xué)物質(zhì)辭典
[2] 淺談工業(yè)硅酸鈉行業(yè)現(xiàn)狀
[3] 硅酸鈉緩蝕劑的研究現(xiàn)狀與展望
[4] 淺談硅酸鈉生產(chǎn)工藝及行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)