O Vodenom staklu

ISTORIJA

Zna se da su alhemičari u XVII i XVIII veku eksprimentisali sa alkalnim silikatima. Međutim, dobijanje vodenog stakla, odnosno natrijum silikata prvi je opisao nemački hemičar i minerolog Johan Nepomuk fon Fuhs, jedan od pionira hemijske tehnologije, u svom članku iz 1818. godine. Fon Fuhsu dugujemo i termin „vodeno staklo“. Već polovinom XIX veka počinje industrijska proizvodnja natrijum i kalijum silikata.

Fon Fuhsov termin vodeno staklo zadržao u upotrebi do danas možda zato se natrijum (i kalijum) silikat od tih industrijskih početaka pa  do šezdestih godina dvadestog veka dobijao isključivo iz staklarskih peći (i danas je to preovladavajući način proizvodnje) stapanjem  natrijum kabonata i kvarcnog peska na 1200 -1400oC: 

     x Na2CO3 + y SiO2 (kvarcni pesak) → (Na2O)x·(SiO2) y (Na vodeno staklo)+ x CO2

U jednom trenutku, krajem osamdesetih godina dvadesetog veka, u Galenici Magmasil, tada Milošu Mamiću, su radile 3 takve peći. Rezultat procesa topljenja je natrijum silikat u  staklastom stanju. 

Stakla su amorfne čvrste materije koje nasuprot kristalnim supstancama nemaju tačnu temperaturu topljenja (očvršćavanja) nego se tope (i očvršćavaju) postepeno (sem amorfnosti, staklasto stanje karakterišu i neka druga svojstva - prozirnost, itd.) Silicijum dioksid gradi staklo sa velikim brojem oksida, što je većini ljudi poznato iz svakodnevnog života. Međutim jedino su silikati alkalnih metala (Li, Na, K, Cs) rastvorni u vodi, otuda je verovatno fon Fuhs napravio svoju kovanicu (na nemačkom: Wasserglas), u upotrebi je za ove silikate i termin „rastvorni silikati“, jer su svi drugi silikati (a u zemljinoj kori silikati preovlđuju) nerastvorni. 

Inače pored najjeftinijeg i najviše trošenog natrijum silikata komercijalnu upotrebu imaju i silikati kalijuma i litijuma.

U procesu dobijanja vodenog stakla iz peći natrijum silikatno staklo se lomi i zatim rastvara u vodi na visokoj temperaturi i pritisku (na sobnoj temperaturi i atmosferskom pritisku vodeno staklo se takođe rastvara u vodi  ali izuzetno sporo). Uobičajilo se od ranije da se rastvori natrijum silikata zovu sa stanovišta hemijske terminologije veoma pogrešno: „tečno vodeno staklo“, ili samo „vodeno staklo“ jer je „čvrsto vodeno staklo“ pre rastvaranja komercijalno neupotrebljivo, pa se, kada je reč o upotrebi misli isključivo na tečno vodeno staklo.

Staklarska „kadna“ peć regenerativnog tipa, slična onim koje su do 2003. korišćene u Galenici Magmasil

Šezdesetih godina dvadesetog veka otpočela je proizvodnja tečnog vodenog stakla i „hidrotermalnim procesom“: hemijskom reakcijom kvarcnog peska sa koncentrovanim rastvorom natrijum hidroksida na visokoj temperaturi i pritisku: 

2xNaOH (vodeni rastv.) + SiO2 (kvarcni pesak, >99% SiO2 ) → (Na2O)x·SiO2 + x H2O

 Hidrotermalnim procesom se mogu dobiti rastvori sa manjim sadržajem SiO2 (mas%SiO2 / mas%Na2O*1,032 = „molarni (silikatni) modul“ do maksimalno 2,5). Galenika Magmasil (u daljem tekstu „GM“) je uvela hidrotermalni način proizvodnje 2003. godine. 

I sada Galenika Magmasil koristi oba procesa, mada su staklarske peći srušene (čvrsto staklo GM uvozi) jer je u Srbiji i okruženju znatno manja  potreba za vodenim staklom  silikatnog modula većeg od 2,5.

PROIZVODNJA I UPOTREBA

Danas se u svetu proizvodi oko 9 miliona tona natrijum silikata (računato na čvrsto staklo, nezavisno od načina proizvodnje; tako da se proizvede barem duplo više rastvora) sa prosečnim rastom 1-2 % godišnje. U Evropi se proizvodi oko 1,7 miliona tona vodenog stakla, sa sličnim godišnjim rastom. To je veoma respektabilna količina. Na primer svetska proizvodnja strategijski važnog NaOH je oko 70 miliona tona godišnje. U periodu 2010-2020 GM je proizvodio 1,5-6 hiljada tona godišnje (računato na isti način, tj. 4-15 hiljada tona tečnog vodenog stakla), prodajući svoje proizvode na tržištima Srbije, Rumunije, Crne Gore, Makedonije, BiH, Hrvatske i Grčke.  Za vodeno staklo je karakteristično da se, zbog male cene koja transport čini značajnom stavkom, proizvodni pogoni prave na više mesta nego što je to slučaj sa skupljim proizvodima, i ti proizvodni centri pokrivaju određeni region. 

Vodeno staklo je izuzetno zanimljiv materijal (između ostalog jedini je neorganski lepak) i ima veoma raznovrsnu upotrebu. Potsećamo da je silicijum pandan ugljeniku (VI grupa Periodnog sistema) i ima verovatno najsloženiju hemiju u neorganskoj (tj. neugljeničnoj) hemiji. 

Deterdženti

Silikati natrijuma su skoro obavezan sastojak u deterdžentima za mašinsko pranje rublja, sudova i industrijskim deteržentima. U deteržentskim formulacijama oni imaju višestruku ulogu: smanjuju površinski napon, poseduju sposobnost emilzifikacije i suspenzije nećistoča; alkalnost pomaže saponifikaciji masnoća ili neutralizaciji, poseduju  veliku pufersku moć (održavaju približno isti alkalitet pri razblaženju), štite metalne delove mašina za pranje od korozije… Danas se u deterdžentskoj industriji obično koriste vodena stakla nižih modula (GM stakla M,D, PG) i kristalna so natrijum metasilikat (Na2SiO3).

Građevinarstvo

Vatrostalni malteri

Vodeno staklo je obavezan sastojak vatrostalnih maltera za peći i dimnjake, u industriji i domaćinstvu. U svakodnevnom životu ljudi se sa vodenim staklom najčešće sreću prilikom zidanja dimnjaka. U Srbiji se za tu upotrebu prodaje natrijum silikat pod imenom „staklena voda“, zapakovan u boce od 1l. Za ovu namenu preporučuje se korišćenje stakla silikatnog modula iznad 3 koje je vatrostalnije (Natrijum silikat tečan SP). Kod nas dešava da se kao staklena voda prodaje i natrijum silikat modula 2,5 i nižeg (tečnosti sasvim isto izgledaju).

Cement i beton

Razređeni Natrijum silikat (SP) reaguje sa površinom betona (viškom Ca(OH)2) redukujući njegovu vodopropustljivost, takođe smanjujući habanje i produžavajući vek betona. Natrijum silikat dodat u vodu za beton ubrzava vezivanje cementa. U građevinarstvu se češće od natrijum silikata koristi kalijum silikat, zato što kod silikata natrijuma prilikom reakcije sa ugljen-dioksidom iz vazduha dolazi do stvaranja velikog broja (sa različitim brojem vezanih molekula vode) karbonata bele boje, takozvano iscvetavanje ili eflorescencija. Kod kalijum silikata ne dolazi do ove pojave. Zbog tržišne situacije u Srbiji Galenika Magmasil više nema u ponudi rastvore kalijum silikata. Javite nam se ako ste zainteresovani za upotrebu kalijum silikata.

Injektiranje zemljišta

Karakteristika natrijum silikata da formira čvrst gel (o samoj reakciji govorimo u delu o hemijskoj industriji) se još od tridesetih godina dvadesetog veka koristi za stabilizaciju   zemljišta, odnosno povećanje nosivosti tla , kontrolu protoka vode, zaustavljanje klizanja , što se koristi kod brana, rudnika, tunela, iskopavanja…

Hemijska industrija

U svetu se najveći deo proizvedenog vodenog stakla koristi za dalju upotrebu u hemijskoj industriji. Natrijum silikat je sirovina za proizvodnju taložnog silicijum dioksida, veštačkih zeolita, silikagela, katalizatora, koloidnog silicijum dioksida (poređani tim redom po svetskoj potrošnji natrijum silikata za te svrhe)... U ovim primenama se koristi činjenica da je jedino u silikatima alkalnih metala SiO2  rastvorljiv u vodi, te se može koristiti u hemijskoj sintezi (npr. veštačkih zeolita, koji su po sastavu alumosilikati) ili pravljenju SiO2 sa svojstvima koji su drugačiji od onih koje  nalazimo u prirodi, barem ne u potrebnoj količini. Tako se dejstvom kiseline na tečno vodeno staklo i daljom obradom dobijaju taložni silicijum dioksid i silikagel (poređani tim redom po godišnjoj svetskoj proizvodnji). To se može predstaviti sledećom hemijskom jednačinom:

nNa2O • mSiO2 (rastv. vod. st. modula m/n)+ nH2SO4→ mSiO2 • nH2O + nNa2SO4 

Najčešće se koristi sumporna kiselina, što je slučaj i kod proizvodnje silikagela u GM, ali može to  biti i neka druga kiselina. Ovo, naravno, pojednostavljeno pokazuje šta se dešava prilikom dejstva neke kiseline na natrijum silikat. Rastvori silikata su koloidni (uprošćeno rečeno rastvori sa velikim molekulima), tako da se ovde odvija i koloidna reakcija. Samo u jako alkalnom rastvoru SiO2 je rastvoren. Dodatkom kiselog agensa silikat se destabilizuje i prelazi najpre u sol pa u gel silicijumove kiseline (mSiO2 • nH2O), de facto SiO2 sa vezanom vodom. Sol je zamućena tečnost, obično nestabilna,  koja stajanjem, očvrćava i prelazi u gel (sa ovim se ljudi u svakodnevnom životu suočavaju kada prave pihtije, gde želatin prelazi u gel). Po hemijskom sastavu su silikagel i taložni silicijum  isti, ali imaju drugačije morfološke osobine. U daljem tehnološkom postupku (nakon gornje reakcije) najpre se uklanja so upotrebljene kiseline (gore Na2SO4) ispiranjem sa vodom, a zatim se sušenjem (delimično ili potpuno) uklanja voda. Različitim vođenjem faze opisane gornjom hemijskom jednačinom dobija se ili taložni silicijum dioksid, prah koji, opet vezano za način vođenja reakcije, može biti abrazivan ili izrazito mekan i lak, ili nešto što je između te dve krajnosti, ili silikagel u obliku mat ili prozirnih komada namenjenih adsorpciji, najčešće vlage iz vazduha, lomljen, ili u obliku kuglica. Čak 35% svetske proizvodnje natrijum silikata se troši na proizvodnju taložnog  SiO2 koji se koristi kao belo punilo u industriji gume i plastike (najviše), u industriji boja i lakova, industriji dentalne higijene, prehrambenoj industriji... U tim primenama on je boja, reološki modifikator, adsorber ili abraziv...

Livarstvo

Češki inženjer Lev Petržela (1921-1972.) je 1947. patentirao upotrebu vodenog stakla u proizvodnji jezgara i kalupa u livarstvu, gde se smeša peska i natrijum silikata produvava ugljen dioksidom, koji kao kiseli agens gradi silika-gel koji čvrsto vezuje zrnca peska Ovaj, takozvani „CO2 - silikatni proces”, tada revolucioniše  industrijsku praksu u proizvodnji jezgara i kalupa u livarstvu, uvodeći hemiju u livarstvo. Kasnije su razvijeni i drugi, sada više upotrebljavani hemijski sistemi za vezivanje kalupa i jezgara, ali CO2 proces se i dalje koristi i sada je jedinstven pre svega po svojij neškodljivosti po zdravlje radnika u livnicama. U “zlatnim godinama” jugoslovenskog livarstva pred ulazom u Miloš Mamic protezao se dugačak red cistern koje su čekale na popularni “sigel”.

Naveli smo tek manji (po raznolikosti) deo primena vodenog stakla,koje se još upotrebljava i u

 - Industriji papira

 - Idustriji keramike

 - Preradi vode

 - Kao fluid za bušenje

 - U protivpožarnoj zaštiti, itd.

Stručnjaci Galenike Magmasil će vam uvek pomoći u primeni ovog jediinstvenog materijala.

Zanimljivosti

Silikatna bašta 

Dodavanjem raznobojnih kristalnih soli (CuSO4 plava, FeCl3 narandžasta, CrCl3 zelena, ZnSo4 bela, itd.) u razblažen rastvor vodenog stakla dobija se zanimljiv efekat koji se zove “silikatna bašta”. 

Soli u rastvoru silikata počinju da ekspanduju što potseća na rast nekog obojenog drveća živih boja. Ovo je veoma zanimljiv, atraktivan i dekorativan eksperiment za školske laboratorije.