1. Caractéristiques et contexte d'application du silicate de potassium liquide
En tant que composé inorganique important du silicium, le silicate de potassium liquide joue un rôle clé dans de nombreux domaines en raison de ses propriétés chimiques uniques. En prenant comme exemple le silicate de potassium liquide HLKL-1 produit par Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd, son module est de 2,20 à 2,40. Il présente les caractéristiques d’une transparence élevée et d’une forte alcalinité. Il est largement utilisé dans les revêtements inorganiques, les engrais potassiques, les catalyseurs, les remplissages de savon, les matériaux réfractaires et d'autres domaines. Dans le processus de production, la clé pour garantir la qualité du produit est d'éviter une polymérisation ou une gélification excessive, qui n'est pas seulement liée à la stabilité des performances du produit, mais affecte également directement l'efficacité de la production et la compétitivité du marché de l'entreprise.
2. Principes de base de la polymérisation et de la gélification du silicate de potassium liquide
(I) Mécanisme de réaction de polymérisation
Le composant principal du silicate de potassium liquide est le silicate de potassium (K₂O・nSiO₂・mH₂O), et sa solution aqueuse contient des anions de silicate complexes. Dans certaines conditions, ces anions subiront une polymérisation par formation de liaisons silicium-oxygène (Si-O-Si) pour former des polysilicates avec différents degrés de polymérisation. Le module (M) est un indicateur important pour mesurer le rapport entre la quantité de dioxyde de silicium et l'oxyde de potassium dans le silicate de potassium. Pour le silicate de potassium liquide avec un module de 2,20 à 2,40, le degré de polymérisation de son tétraèdre silicium-oxygène est à un niveau moyen et la contrôlabilité de la réaction de polymérisation est cruciale.
(II) Causes de la gélification
La gélification est le résultat d'une polymérisation excessive. Lorsque les chaînes moléculaires des polysilicates continuent de croître et de se réticuler pour former une structure de réseau tridimensionnelle, le système passe du liquide au gel. Ce processus est généralement affecté par une combinaison de facteurs, notamment la température, la concentration, la valeur du pH, la teneur en impuretés et les conditions d'agitation. Une fois la gélification effectuée, la fluidité et les performances du silicate de potassium liquide seront considérablement réduites et pourraient même ne pas répondre aux exigences des applications des clients.
3. Facteurs clés affectant la polymérisation et la gélification pendant la production
(I) Pureté et rapport des matières premières
Matières premières de dioxyde de silicium : La pureté des matières premières de dioxyde de silicium (telles que le sable de quartz) utilisées pour produire du silicate de potassium liquide affecte directement la qualité du produit. Si les matières premières contiennent des ions d'impuretés tels que le fer, l'aluminium et le calcium, ces impuretés peuvent agir comme catalyseurs ou centres de réticulation pour les réactions de polymérisation, accélérer la réaction de polymérisation et augmenter le risque de gélification. Par exemple, une teneur excessive en fer (par exemple supérieure à 0,01 %) réduira considérablement la stabilité du silicate de potassium liquide. Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd contrôle strictement la teneur en fer ≤0,01 % pendant le processus de production sur la base de cette considération.
Rapport entre l'oxyde de potassium et le dioxyde de silicium : un contrôle précis du module est au cœur de la production de silicate de potassium liquide qualifié. Le calcul du module est basé sur le rapport entre la quantité d'oxyde de potassium (K₂O) et le dioxyde de silicium (SiO₂). Si le rapport est inexact, l’équilibre des charges des tétraèdres silicium-oxygène dans le système peut être détruit, induisant ainsi une polymérisation anormale. Pendant le processus de production, un dosage précis et un contrôle de la réaction chimique sont nécessaires pour garantir que le module se situe dans la plage cible de 2,20 à 2,40.
(II) Température et durée de réaction
L'influence de la température : La température est un facteur important affectant la vitesse de réaction de polymérisation. L'augmentation de la température accélérera le taux de mouvement moléculaire et augmentera le risque de collision entre les molécules réactives, accélérant ainsi la réaction de polymérisation. Dans le processus de préparation du silicate de potassium liquide, si le processus de réaction à haute température et haute pression est adopté, si la température n'est pas correctement contrôlée, la réaction de polymérisation peut être incontrôlable et des polysilicates de poids moléculaire élevé peuvent être rapidement générés, et même une gélification peut se produire. Par exemple, lorsque la température de réaction dépasse 120 °C, la vitesse de réaction de polymérisation peut augmenter fortement et une attention particulière doit être accordée à la surveillance et à la régulation en temps réel de la température.
Contrôle du temps de réaction : Le temps de réaction est étroitement lié au degré de polymérisation. À une certaine température, le degré de polymérisation augmente progressivement avec l'allongement du temps de réaction. Si le temps de réaction est trop long, la chaîne moléculaire du polysilicate continuera à croître et finira par former un gel. Il est donc nécessaire de déterminer expérimentalement le temps de réaction optimal pour s’assurer que la silice réagit pleinement tout en évitant une polymérisation excessive. Pour le silicate de potassium liquide avec un module de 2,20 à 2,40, le temps de réaction doit généralement être contrôlé dans la plage de 8 à 12 heures. Le temps spécifique doit être ajusté en fonction de l'équipement de réaction et des caractéristiques des matières premières.
(III) Concentration de la solution et valeur du pH
Effet de la concentration : plus la concentration de la solution liquide de silicate de potassium est élevée, plus la concentration d'anions silicates par unité de volume est élevée, plus la probabilité de collision intermoléculaire est grande et plus la vitesse de réaction de polymérisation est rapide. Lorsque la concentration dépasse un certain seuil (comme Baume supérieur à 46,0), la viscosité du système augmente considérablement, l'efficacité du transfert de masse et du transfert de chaleur diminue, et il est facile de provoquer une surchauffe locale et une réaction de polymérisation inégale, qui à son tour déclenche la gélification. Le degré Baume du silicate de potassium liquide HLKL-1 produit par Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd est contrôlé entre 44,0 et 46,0, ce qui se situe dans une plage de concentration relativement sûre, mais il est toujours nécessaire de prêter une attention particulière aux changements de concentration au cours du processus de production.
Régulation de la valeur du pH : la solution de silicate de potassium est fortement alcaline et la valeur du pH affectera la forme d'existence des anions silicates. Dans des conditions de pH élevé, les anions silicates existent principalement sous forme de monomères ou d'oligomères, et la vitesse de réaction de polymérisation est lente ; lorsque la valeur du pH diminue, le degré de dissociation du silicate diminue et des particules colloïdales de silicate se forment facilement. Ces particules serviront de noyau à la réaction de polymérisation et favoriseront la formation et la réticulation du polysilicate. Par conséquent, pendant le processus de production, il est nécessaire de maintenir la valeur du pH du système stable en ajoutant des substances alcalines telles que l'hydroxyde de potassium. Généralement, la valeur du pH est contrôlée entre 12 et 13 pour empêcher une polymérisation excessive.
(IV) Effet d'agitation et de transfert de masse
L'agitation est un moyen important pour assurer l'uniformité du système réactionnel. Dans le processus de production de silicate de potassium liquide, si l'agitation n'est pas suffisante, la concentration des matières premières, la température et la valeur du pH dans la zone locale peuvent être inégales, provoquant ainsi une polymérisation locale excessive. Par exemple, dans le coin mort du réacteur ou à proximité de la palette d'agitation, une rétention de matière et une réaction excessive peuvent se produire, formant un noyau de gel et se propageant progressivement à l'ensemble du système. Par conséquent, il est nécessaire de sélectionner un type d'agitateur et un taux d'agitation appropriés pour garantir que les matériaux sont entièrement mélangés pendant le processus de réaction et améliorer l'efficacité du transfert de masse et du transfert de chaleur. Un agitateur à ancre ou un agitateur à palette est généralement utilisé, et le taux d'agitation est contrôlé entre 30 et 60 tr/min pour équilibrer l'effet de mélange et la consommation d'énergie.
(V) Impuretés et catalyseurs
En plus des ions d'impuretés présents dans les matières premières, le choix des matériaux des équipements de production introduira également des impuretés. Par exemple, si le réacteur est en acier au carbone ordinaire, dans des conditions fortement alcalines, les ions fer peuvent se dissoudre et pénétrer dans la solution, accélérant ainsi la réaction de polymérisation. Par conséquent, des réacteurs en acier inoxydable ou en émail sont généralement utilisés pour réduire l’introduction d’impuretés. De plus, certains ions métalliques (tels que les ions sodium et les ions calcium) peuvent agir comme catalyseurs pour favoriser les réactions de polymérisation et doivent être éliminés autant que possible lors du prétraitement et de la production des matières premières.
4. Mesures techniques clés pour éviter une polymérisation ou une gélification excessive
(I) Prétraitement des matières premières et contrôle qualité
Sélectionnez des matières premières de haute pureté : sélectionnez du sable de quartz à faible teneur en impuretés telles que le fer et l'aluminium comme matières premières de silice, et effectuez une analyse chimique stricte des matières premières pour garantir que leur pureté répond aux exigences de production. Dans le même temps, utilisez de l'hydroxyde de potassium ou du carbonate de potassium de haute qualité comme source de potassium pour éviter l'introduction d'ions d'impuretés.
Contrôlez avec précision le rapport des matières premières : utilisez des équipements de mesure avancés (tels que des balances électroniques, des débitmètres) pour contrôler avec précision la quantité d'oxyde de potassium et de dioxyde de silicium afin de garantir que le module se situe dans la plage cible. Pendant le processus de production, des instruments analytiques en ligne peuvent être utilisés pour surveiller le module et la concentration de la solution en temps réel et ajuster le ratio de matières premières en temps réel.
(II) Optimiser les paramètres du processus de réaction
Processus de contrôle de température segmenté : utilisez une stratégie de contrôle de température segmenté pour augmenter de manière appropriée la température (par exemple 100-110 ℃) au début de la réaction afin d'accélérer la dissolution et la réaction de polymérisation initiale du dioxyde de silicium ; aux stades intermédiaire et avancé de la réaction, réduisez progressivement la température (par exemple 80 à 90 ℃) pour ralentir la vitesse de réaction de polymérisation et éviter une surpolymérisation. De cette manière, le degré de polymérisation peut être mieux contrôlé tout en garantissant l’efficacité de la réaction.
Contrôlez strictement le temps de réaction : en fonction des caractéristiques des matières premières et des performances de l'équipement de réaction, la fenêtre de temps de réaction optimale est déterminée par des expériences. Pendant le processus de production, configurez un relais temporisé ou un système de contrôle automatique pour garantir que le temps de réaction est contrôlable avec précision et éviter un temps de réaction excessif dû à des erreurs de fonctionnement humaines.
Concentration de la solution de contrôle et valeur du pH : pendant le processus de réaction, surveillez régulièrement le degré de Baume et la valeur du pH de la solution et ajustez-les en ajoutant de l'eau déminéralisée ou une solution d'hydroxyde de potassium. Lorsque le degré Baume est proche de la limite supérieure (46,0), ajoutez de l'eau déminéralisée pour la diluer dans le temps ; lorsque la valeur du pH est inférieure à 12, ajoutez une quantité appropriée de solution d'hydroxyde de potassium pour maintenir l'environnement alcalin du système.
(III) Renforcer l'agitation et la conception des équipements
Optimiser le système d'agitation : en fonction des caractéristiques du volume et du matériau du réacteur, sélectionnez le type et la position d'installation appropriés de l'agitateur. Par exemple, pour les grands réacteurs, des palettes d'agitation multicouches ou des agitateurs combinés (tels que des agitateurs à turbine sur la couche supérieure et des agitateurs à ancre sur la couche inférieure) peuvent être utilisés pour améliorer l'effet de mélange des matériaux dans différentes zones. Dans le même temps, la vitesse et la direction de la palette d'agitation sont raisonnablement conçues pour éviter les vortex et la rétention de matière.
Améliorer la structure du réacteur : utilisez une conception de réacteur avec une paroi intérieure lisse et sans coins morts pour réduire l'adhérence et la rétention des matériaux sur la paroi du réacteur. Par exemple, le fond du réacteur peut être conçu pour être conique ou elliptique pour faciliter la décharge et le nettoyage des matériaux ; un tube de guidage est placé dans le réacteur pour guider la direction d'écoulement du matériau et améliorer l'uniformité du mélange.
Introduction de vibrations ultrasoniques ou mécaniques : pendant le processus d'agitation, des dispositifs de vibrations ultrasoniques ou mécaniques peuvent être introduits pour améliorer encore les effets de mélange et de transfert de masse des matériaux grâce à l'apport d'énergie. Les ondes ultrasoniques peuvent produire des effets de cavitation, détruire les agglomérats et les noyaux de gel dans les matériaux et inhiber les réactions de polymérisation excessives ; les vibrations mécaniques peuvent réduire l'adhérence des matériaux à la palette d'agitation et à la paroi du réacteur et améliorer l'uniformité du système réactionnel.
(IV) Ajout de stabilisants et d'inhibiteurs
Le rôle des stabilisants : Ajouter une quantité appropriée de stabilisants, tels que des alcools organiques (méthanol, éthanol), des polyols (éthylène glycol, propylène glycol) ou du polyéthylène glycol, à la solution liquide de silicate de potassium. Ces stabilisants peuvent former des liaisons hydrogène avec les anions silicates, empêcher la formation de liaisons silicium-oxygène et ainsi inhiber la réaction de polymérisation. La quantité de stabilisant ajoutée est généralement de 0,5 à 2 % de la masse de la solution, et le rapport d'ajout optimal doit être déterminé par des expériences.
Sélection des inhibiteurs : Pour le silicate de potassium liquide à faible module (tel que M = 2,20-2,40), une petite quantité de sel acide (tel que le dihydrogénophosphate de potassium, le bicarbonate de potassium) peut être ajoutée comme inhibiteur. Les sels acides peuvent neutraliser certains ions hydroxyde et réduire de manière appropriée la valeur du pH de la solution, mais la quantité ajoutée doit être strictement contrôlée pour éviter la précipitation du colloïde de silice en raison d'un pH trop faible. D'une manière générale, la quantité de sel d'acide ajoutée ne dépasse pas 0,1 % de la masse d'oxyde de potassium dans la solution.
(V) Surveillance en temps réel et contrôle des processus
Technologie d'analyse en ligne : utilisez des spectromètres infrarouges, des viscosimètres et d'autres instruments analytiques en ligne pour surveiller la composition, la viscosité, le degré de polymérisation et d'autres paramètres du système de réaction en temps réel. Par exemple, la spectroscopie infrarouge peut détecter en temps réel les pics d’absorption caractéristiques des liaisons silicium-oxygène pour déterminer le degré de polymérisation ; le viscosimètre peut refléter les changements de fluidité de la solution en temps réel. Lorsque la viscosité augmente anormalement, des mesures opportunes peuvent être prises pour ajuster les paramètres du processus.
Système de contrôle automatique : établissez un système de contrôle automatique basé sur un PLC (automate programmable) ou un DCS (système de contrôle distribué) et incluez les paramètres clés du processus tels que la température, la pression, la concentration, la valeur du pH, le taux d'agitation, etc. dans le cadre du contrôle automatique. Grâce à l'algorithme de contrôle et au seuil prédéfinis, l'état de fonctionnement du dispositif de chauffage/refroidissement, de la pompe d'alimentation, de l'agitateur et d'autres équipements est automatiquement ajusté pour obtenir un contrôle stable du processus de production et réduire l'impact des erreurs d'opération humaine sur la qualité du produit.
(VI) Post-traitement et gestion du stockage
Filtration et clarification : Une fois la réaction terminée, la solution liquide de silicate de potassium est filtrée pour éliminer les particules d'impuretés non dissoutes et les éventuelles particules de gel. Un filtre à plaques et à cadre, un filtre centrifuge ou un équipement de filtration sur membrane peuvent être utilisés pour garantir la transparence et la pureté du produit. La solution filtrée peut être davantage clarifiée, par exemple par sédimentation statique ou par ajout de floculants pour éliminer les minuscules matières en suspension.
Contrôle des conditions de stockage : Le silicate de potassium liquide doit être stocké dans des fûts en plastique scellés ou dans des réservoirs en acier inoxydable pour éviter tout contact avec l'air. L'environnement de stockage doit être frais et sec, avec une température contrôlée dans la plage de 5 à 30 ℃, en évitant la lumière directe du soleil et les environnements à haute température. Pendant le stockage, la qualité du produit est régulièrement contrôlée. S'il y a des signes de gélification, il doit être traité ou mis au rebut à temps pour empêcher des produits non qualifiés d'entrer sur le marché.
5. Expérience pratique
Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd, en tant que fabricant professionnel de produits à base de silicium inorganique, a accumulé une riche expérience dans le processus de production de silicate de potassium liquide. L'entreprise prête toujours attention au contrôle de la qualité des produits et a établi un système complet de gestion de la qualité en introduisant des équipements de production et des instruments de test avancés. Afin d'éviter une polymérisation ou une gélification excessive du silicate de potassium liquide, l'entreprise a pris les mesures suivantes :
Contrôle strict des matières premières : sélectionnez du sable de quartz de haute pureté et de l'hydroxyde de potassium comme matières premières et établissez des relations de coopération à long terme avec des fournisseurs de haute qualité pour garantir la stabilité de la qualité des matières premières. Dans le même temps, chaque lot de matières premières est strictement inspecté avant d'entrer dans l'usine pour empêcher la mise en production de matières premières non qualifiées.
Processus de production optimisé : le processus de réaction de contrôle de température segmenté auto-développé et le système d'agitation efficace sont adoptés pour obtenir un contrôle précis de la réaction de polymérisation. Grâce à des années d'optimisation des processus, l'entreprise peut produire de manière stable des produits liquides à base de silicate de potassium avec un module de 2,20 à 2,40 et d'excellentes performances.
Méthodes de test parfaites : équipé d’instruments d’analyse chimique avancés et d’équipements de test de performances physiques, chaque maillon du processus de production est surveillé et analysé en temps réel. Par exemple, en mesurant le degré de Baume, la densité, la teneur en silice, la teneur en oxyde de potassium et d'autres indicateurs de la solution, les paramètres du processus peuvent être ajustés à temps pour garantir que la qualité du produit répond aux exigences standard.
Solutions personnalisées : selon les différents besoins des clients, l'entreprise peut fournir des produits et des solutions personnalisés à base de silicate de potassium liquide. Dans le processus de communication avec les clients, le personnel technique de l'entreprise comprendra parfaitement les scénarios d'application et les exigences de performances du client, recommandera des modèles de produits appropriés aux clients et fournira une assistance technique professionnelle pour aider les clients à résoudre les problèmes rencontrés lors de l'utilisation.
