Существует несколько способов изготовления щелочных силикатов натрия и калия, требующих различных исходных материалов.
Исходные материалы можно разделить на две группы:
- 1) образующие силикатную составляющую;
- 2) образующие щелочные окислы.
Во вторую группу материалов входят соединения натрия и калия: сода Na2CO3, поташ К2СО3, сульфат натрия Na2SO4, едкий натр NaOH, едкое кали КОН, бисульфат натрия NaHSO4, натриевая селитра NaN03, калиевая селитра KNO3, сернистый натрий Na2S, хлористый натрий NaCl, хлористый калий КСl и др.
Сырьевые материалы должны содержать минимальное количество примесей полуторных окислов и окислов щелочноземельных металлов, образующих в растворимом стекле нерастворимые в воде силикаты.
Кварцевые пески являются наиболее распространенным сырьем для производства растворимых силикатов. Чистые пески белого цвета, с содержанием кремнезема 99% и выше наиболее целесообразно применять для этой цели.
К таким пескам можно отнести люберецкие, саблинские, часов-ярские, латнинские и др.
Вследствие малого распространения чистых песков для производства растворимого стекла чаще всего применяются местные пески, сильно загрязненные примесями железистых соединений, карбонатов кальция и магния, а также глинистыми частицами. Эти пески соответствующим обогащением превращают в сырье необходимого качества.
Наиболее легко осуществимым и широко применяемым способом обогащения является промывка песков водой.
Кварц, содержащий до 99% кристаллического кремнезема, является пригодным сырьем для производства щелочных силикатов, так как содержит очень малое количество различных примесей. Однако необходимость введения в технологический процесс операции по измельчению кварца, обладающего большой прочностью, удорожает стоимость получаемого на его основе жидкого стекла.
Уральский пылевидный кварц — тонкораздробленная горная порода с размерами частиц менее 0,01 мм — содержит до 95% кристаллического кремнезема и, несмотря на значительное количество глинистых частиц и примесей окислов щелочноземельных металлов, является хорошим сырьем для производства жидкого стекла.
Кремень обладает более высокой реакционной способностью по сравнению с кварцем, вследствие чего легко сплавляется с содой, поташем и растворяется в едких щелочах. Он содержит большое количество воды, поэтому разрушается при нагревании, превращаясь в рыхлую массу, являющуюся хорошим исходным материалом для производства щелочных силикатов.
Аморфный кремнезем встречается в природе в виде трепела, диатомита, инфузорита и других минералов, близких по своим физико-химическим свойствам.
Содержание SiO2 в природном кремнеземе изменяется в широких пределах; кроме кремнезема, в нем содержится 5—10% полуторных окислов, до 1 % окислов щелочноземельных металлов, а также до 10% воды.
Природный аморфный кремнезем вследствие высокой дисперсности легко реагирует с расплавленными углекислыми и едкими щелочами и их растворами, особенно при нагревании в автоклавах.
Искусственный аморфный кремнезем является промышленным отходом при производстве сернокислого глинозема, суперфосфата и др. Так же, как и природный кремнезем, он хорошо растворим в щелочах.
Наличие в природном и искусственном кремнеземе большого количества полуторных окислов и окислов щелочноземельных металлов приводит к образованию значительного -аморфного остатка в получаемом на их основе жидком стекле.
Сода (Na2CO3) химически чистая содержит 58,53% Na2O и 41,47% СO2.
Сода, получаемая промышленным путем по аммиачному способу из хлористого натрия, аммиака и углекислоты, содержит до 2% примесей, нежелательных в производстве растворимого стекла. В состав такой соды входят 98,52% Na2CO3, 0,66% NaCl, 0,04% Na2SO4, 0,03% Fe2O3, 0,45% H2O и 0,07% нерастворимого остатка.
Кальцинированная сода (обезвоженная нагреванием) в больших количествах поглощает водные пары, поэтому ее следует хранить в закрытой таре и перед употреблением в дело контролировать содержание водных паров.
Поташ (К2СО3) химически чистый содержит 68,2% К2O и 31,8% СO2.
Поташ изготовляют из золы подсолнечников, сахарной свеклы и других растений или из минерала карналлита (КСl·MgCl2·6Н2O).
При производстве из золы растений примерный состав поташа следующий: 89,2—96,5% К2СО3, 2,9—8,6% КСl, 0,4—2,1% K2SO4, 0,1—0,2% SiO2, 0,1—5,6% Н2O.
При производстве поташа из карналлита содержание К2СО3 достигает 99,5%, а количество перечисленных выше примесей, осложняющих технологический процесс получения растворимого стекла, уменьшается до 0,5%.
Вследствие большой гигроскопичности поташ следует хранить в закрытой таре.
Сульфат натрия (Na2SO4) химически чистый содержит 43,66 /о Na2O и 56,34% SO3. Сульфат натрия, природный и получаемый искусственным путем, находит широкое применение в производстве щелочных силикатов. Он содержится в больших количествах в морской воде в виде отложений безводного сульфата натрия (тенардита).
Водный сульфат натрия (Na2SO4·10Н2O — мирабилит) в больших количествах выбрасывается на берег морским прибоем. Содержание воды в нем доходит до 50%. Перед отправкой к месту потребления мирабилит обезвоживается путем сушки на воздухе. В обезвоженном мирабилите содержание Na2SO4 доходит до 99,9%.
В нашей стране насчитывается ряд крупных месторождений природного сульфата натрия: Кара-Богаз-Гол, Узун-Су, озеро Тусколь, озеро Шемели, озеро Селенгинское, Мармышанские озера и др. Эксплуатация этих месторождений позволяет получить огромное количество дешевого сырья для производства растворимых силикатов.
Сульфат натрия в больших количествах добывается искусственным путем как побочный продукт при производстве соляной кислоты и многих других химических продуктов.
Искусственный сульфат натрия содержит 90—98% Na2SO4, 1— 2% NaHSO4, до 1% CaSO4·0,5H2O и сотые доли процента полуторных окислов.
Едкий натр, или каустическая сода (NaOH), добывается промышленным путем несколькими способами.
Наименьшее количество примесей содержит едкий натр, получаемый электролитическим способом из поваренной соли. Примерный химический состав едкого натра, получаемого по этому способу, следующий: 95,5% NaOH, 1,5% Na2CO3, 2,7% NaCl, 0,11% Na2SO4 и 0,02% Na2SiO3.
Едкий натр в твердом состоянии и в виде раствора легко поглощает углекислоту воздуха, образуя карбонат натрия. Это обстоятельство следует учитывать при его хранении.
Едкое кали (КОН) получается преимущественно электролитическим способом. Однако вследствие высокой стоимости едкое кали реже употребляется в производстве щелочных силикатов, чем едкий натр.
Как видно из вышеизложенного, сырьевые материалы, применяемые для изготовления щелочных силикатов, содержат значительное количество различных примесей, в большей или меньшей степени влияющих на ход технологического процесса, а также на качество, растворимость и стойкость во времени конечного продукта производства.
Для получения высокосортного растворимого стекла следует стремиться к максимальному уменьшению содержания посторонних примесей в исходных материалах.