无碱高铝硼硅酸盐玻璃澄清工艺研究

无碱高铝硼硅酸盐玻璃澄清工艺研究

陈志强

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摘要：硼硅酸盐玻璃是一种性能优良的建筑材料，目前广泛应用于建筑节能领域。 无碱高铝硼硅酸盐玻璃因其碱度高，不含氧化硼而受到人们的关注。 目前市场上的玻璃大多为碱含量较高的碱硼酸玻璃，这类玻璃因碱度较高而具有较高的玻璃化温度和熔制温度。 但由于硼硅酸盐玻璃含有大量SiO2,会导致其化学活性过强，从而影响后续加工过程中的使用性能和产品质量。 因此在生产无碱高铝硼硅酸盐玻璃时，必须对其进行澄清处理。 本论文主要是针对无碱高铝硼硅酸盐玻璃澄清过程中产生的沉淀和气泡，研究了不同澄清剂、不同沉淀剂对其澄清效果的影响以及相应的工艺参数条件。 实验结果表明：氯化钠溶液能够有效地降低无碱高铝硼酸玻璃中碱含量，且具有良好作用效果；硫酸铝溶液具有良好效果；硫酸钠溶液、硝酸钠溶液能够使无碱高铝硼酸玻璃上出现大量气泡；硝酸钠、硝酸钾、氯化钠溶液能够在较低条件下实现有效澄清。无碱高铝硼硅酸盐玻璃生产中产生的沉淀物可以用碳酸钠（Na2CO3）法进行处理，但由于碳酸钠价格较贵，生产成本较高。

关键词：硼硅玻璃；澄清剂

1实验部分

将60℃的干燥空气通过过滤器（100目），干燥后的玻璃再用60℃的空气干燥箱（600 mm×150 mm）分别进行真空处理，得到洁净度为5级的玻璃样品。实验中采用Na2CO3、 NaOH溶液作为澄清剂，并以氯化钠溶液和硫酸钠溶液作为澄清剂，其具体配比如下：将一定量（50g）的纯碱倒入1000 mL的烧杯中，加入300 mL蒸馏水搅拌均匀之后加热搅拌至沸腾； 将烧杯中的碱液冷却到50℃以下，并用少量氨水调节 pH值为1,然后放入冰箱中冷冻至结冰；将一定量（100g）硫酸铝放入1000 mL的烧杯中，加入100 mL浓盐酸加热使其完全溶解，之后放入200 mL去离子水中，再搅拌使其完全溶解；将一定量（100g）硝酸钠放入1000 mL烧杯中，加入10 mL浓盐酸、100 mgNaOH溶液和250 kg蒸馏水稀释后放进冰箱冷冻至完全溶解；对上述溶液进行浓缩、提纯并制得相应澄清溶液（以下简称澄清液）；采用电子天平测量澄清液体积。采用激光粒度分析仪对其物相进行分析。使用X射线衍射分析仪测定硼硅酸盐玻璃相组成和玻璃中 Si （Al）元素含量，计算其物相组成。将制备好的玻璃样品进行扫描电镜观察并拍照。

2澄清剂溶液的配制及使用

实验采用的澄清剂是硫酸亚铁，将其溶于水后就可以配制成溶液，然后在常温下使用，在使用时可直接加到硼硅酸盐玻璃中进行澄清作用。 硫酸亚铁的主要成分是硫酸亚铁离子或亚铁氰化钠，所以在配制澄清剂时可以直接用水来溶解硫酸亚铁离子。 为了使硅酸钠中的杂质得到充分沉淀，溶液中应该含有一定量的有机添加剂，一般可以用乙醚、乙醇、丙酮等进行溶解；为了使澄清效果更好，溶液中应该加入一定量的硅酸钠沉淀剂或硅酸钠和其它澄清剂。 在进行沉淀反应时，要控制好加入的量和搅拌速度。由于硅酸钠中含有一定量的有机杂质离子，所以加到溶液中去的时候要充分搅拌。 在使用硫酸亚铁和硫酸铝钾对硼硅酸盐玻璃进行澄清时，应该先将硼硅酸盐玻璃溶于100 ml蒸馏水中，然后用慢速搅拌使之完全溶解掉。这种方法比较适用于澄清浓度较低（0.1~0.5g/L）、杂质含量较少、对硼硅酸盐玻璃影响不大的产品。

3沉淀、吸附剂和产品的分离纯化

用离子交换吸附剂分离后，再用离子交换柱对其中的硼酸进行纯化，以得到硼硅酸盐玻璃产品。 将用离子交换柱处理后的硼酸溶液，用乙醇进行回流处理，以去除杂质离子（除碱），并得到纯度较高的产品。 经过纯化之后的硼酸溶液进行离心分离，然后再加入盐酸沉淀剂进行沉淀分离。 当含碱杂质被沉淀后，再通过离心分离得到含铝杂质成分很低且纯度很高的产品。 经过以上纯化提纯后所得到的硼酸玻璃产品，其体积相对于之前硼酸玻璃产品中杂质成分相对含量较高。 在本实验中，通过对澄清工艺和纯化工艺的研究，确定了一种最优的澄清工艺：在硼硅玻璃澄清过程中采用离子交换吸附法分离硼化合物沉淀后得到纯度很理想、体积比较大、浓度较高的产品；在用离子交换柱分离时，杂质离子被吸附到树脂上去了（去除率达到了90%以上）。 最后所得到产品相对于之前硼化合物含量很低且纯度很高的产品纯度提高了很多，这为后续硼玻璃产品开发奠定了基础。

4结果与讨论

本文中，在保证玻璃厚度不变的前提下选择合适的澄清剂来进行澄清处理。 对于碱含量较高的硼硅酸盐玻璃，采用盐酸和氯化钠溶液进行澄清处理。 其中，盐酸能够使澄清过程中产生大量的气泡在玻璃表面，对其后续加工有不利影响。 而氯化钠溶液能够使澄清过程中产生的气泡上浮到玻璃表面从而实现良好澄清性。 因此实验采取氯化钠溶液作为澄清剂。 其中主要通过化学反应使硅酸钠形成硫酸钠沉淀并上浮至玻璃表面实现澄清性作用。 而由于硫酸钠与硅酸钠反应过程中产生大量气泡而导致澄清效果不佳，因此将硫酸钠添加到碳酸钠溶液中来进一步降低其使用效果，从而提高无碱高铝硼硅酸盐玻璃澄清性与稳定性。 实验中采用了硝酸钠作为沉淀剂对硼硅酸盐玻璃液进行澄清处理。 实验结果表明：硝酸根离子能够将硅酸钠生成硫酸钠沉淀，但在一定程度上会影响到澄清效果。 因此可以采用硝酸根离子作为沉淀剂来提高硼硅酸盐玻璃液的澄清性与稳定性。 在本论文中采用氯化钾溶液作为沉淀剂来进行澄清处理，主要是通过氯化钾与硅酸钠反应生成氯化钾沉淀，从而实现澄清性作用。 由于硫酸钾与硅酸钠反应产生硫酸钾沉淀，使得无碱高铝硼硅酸盐玻璃上出现大量气泡而导致玻璃化温度降低。 因此采用氯化钾溶液作为沉淀剂时，可以在一定程度上提高硼硅酸盐玻化砖的白度及强度。 其中无碱高铝硼硅酸盐玻璃生产中产生的气泡会影响到玻璃化温度及力学性能等指标，因此需要对气泡进行处理来改善其使用性能；而在生产过程中一般采用碳酸钠溶液作为澄清剂进行处理，但碳酸钠价格较贵且生产成本较高，因此可以改用碳酸氢钠作为澄清剂进行处理来降低成本；此外由于氯化钾具有漂白作用，所以可以采用氯气对其进行漂白处理来提高无碱高铝硼硅酸盐玻璃使用性能。 在本论文中主要研究了硫酸钾溶液和碳酸氢盐溶液两种澄清剂对无碱高铝硼酸玻璃液的澄清效果。 通过对比发现：硫酸钾与碳酸氢盐在无Na2CO3溶液中产生沉淀效果较差，而碳酸氢盐法更有利于玻璃上气泡的稳定形成和稳定上浮；硫酸钠法虽然与碳酸氢盐法相比能够更好地降低生产成本且减少化学沉淀副产物对玻璃化温度及力学性能等指标的影响，但碳酸钠价格较贵且生产成本较高并且无法保证其澄清效果；氯化钠溶液虽然对无碱高铝硼酸玻璃液澄清效果良好但对气泡的稳定形成不能起到作用；硫酸钾、硝酸钠法具有漂白作用且生产成本低且稳定性高、可以降低生产成本等优点。但在生产中使用范围较小且不利于环保。

5结论

硫酸钠溶液能够有效地降低无碱高铝硼酸玻璃中碱含量，且具有良好作用效果。硫酸钠溶液对澄清效果影响较小，其澄清能力由大到小依次为Na2CO3、 NaOH。硝酸钠溶液的加入能够有效地减少无碱高铝硼酸玻璃中出现的气泡。硝酸钠溶液澄清无碱高铝硼酸玻璃时，需根据产品质量要求，加入适量的Na2CO3和硝酸钾来控制 pH值。对于澄清效果不佳导致的玻璃浮泡问题，应考虑使用碳酸钠作絮凝剂。 研究意义：本论文以实际生产需求为出发点，主要是针对无碱高铝硼硅酸盐玻璃生产过程中产生的沉淀和气泡进行了研究。创新点：利用实验数据提出了一种澄清效果较好的澄清工艺参数，即加入适量食盐、Na2CO3、硫酸钠溶液后继续搅拌10 min以获得最佳澄清效果。建议：在生产无碱硼石时会产生大量沉淀物，建议在生产过程中对此加以处理，以保证产品质量。

4展望

本文的研究结果表明，氯化钠、硝酸钠溶液对无碱高铝硼硅酸盐玻璃中的碱含量影响不大，对铝硼酸玻璃澄清效果没有显著影响，对不同沉淀剂作用效果也不同，并且澄清时间、加入量也会对澄清效果产生影响。通过实验发现，碳酸钠在沉淀过程中的作用不大，而碳酸钾则可以有效抑制沉淀产物（气泡）的产生。但由于碳酸钾价格较贵，生产成本较高，因此在使用时要根据实际情况选择合适的沉淀剂来进行澄清处理。但从生产成本来看，如果硼碱玻璃是含氧化硼或氧化钙成分为主时（如纯碱中添加了氧化硼），则可以用碳酸氢钠或碳酸锂溶液进行澄清处理；若硼碱玻璃主要以硼酸或硅酸为主要成分时（如石英玻璃），则采用碳酸钠法进行澄清处理。

参考文献

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