فرآیند تولید متیل سیلیکات سدیم چگونه است و جهت بهینه سازی و روند توسعه چیست؟

1. مقدمه
به عنوان یک ترکیب ارگانوسیلیسیون مهم، متیل سیلیکات سدیم به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها مانند ساخت و ساز، نساجی، کشاورزی و مواد شیمیایی روزانه استفاده می شود. ساختار شیمیایی منحصر به فرد آن به آن خواص ضد آب، ضد آب و هوا و ضد خوردگی عالی می دهد و آن را به یک عنصر کلیدی ضروری در بسیاری از محصولات تبدیل می کند. کیفیت عملکرد آن ارتباط تنگاتنگی با فرآیند تولید دارد. فرآیندهای تولید نفیس و بهینه می تواند محصولات با کیفیت و کارایی بالا متیل سیلیکات سدیم را برای پاسخگویی به نیازهای سختگیرانه صنایع مختلف تولید کند. بنابراین، اکتشاف عمیق فرآیند تولید متیل سیلیکات سدیم برای بهبود کیفیت محصول، گسترش حوزه‌های کاربرد و ارتقای توسعه صنایع مرتبط از اهمیت بالایی برخوردار است.

2. اساس مواد خام فرآیند تولید

2.1 انتخاب و ویژگی های سیلیکات سدیم
سیلیکات سدیم ماده اولیه اصلی برای تهیه متیل سیلیکات سدیم است. در تولید صنعتی، سیلیکات سدیم رایج به دو صورت جامد و مایع است. سیلیکات سدیم جامد عمدتاً شیشه بلوک بی رنگ، شفاف یا کمی رنگی است، در حالی که سیلیکات سدیم مایع یک مایع چسبناک شفاف بی رنگ یا کمی رنگی است. مدول آن (نسبت مقدار دی اکسید سیلیکون به اکسید سدیم) تأثیر بسزایی در تهیه و عملکرد سدیم متیل سیلیکات دارد. سیلیکات سدیم با مدول کمتر در واکنش نسبتاً فعال است که منجر به واکنش متیلاسیون می شود، اما ممکن است منجر به افزایش نسبی محتوای ناخالصی در محصول شود. سیلیکات سدیم با مدول بالاتر می‌تواند باعث شود محصول پایداری و مقاومت بهتری در آب و هوا داشته باشد، اما دشواری واکنش ممکن است افزایش یابد و شرایط واکنش سخت‌تر برای ارتقای پیشرفت کامل واکنش مورد نیاز است. هنگام انتخاب سیلیکات سدیم، لازم است به طور جامع عواملی مانند مدول، خلوص و الزامات خاص فرآیند تولید در نظر گرفته شود تا اطمینان حاصل شود که می تواند پایه خوبی برای واکنش های بعدی ایجاد کند. به عنوان مثال، در برخی از زمینه های عایق رطوبتی ساختمان که به مقاومت بسیار بالایی در برابر آب و هوای محصول نیاز دارند، سیلیکات سدیم با مدول و خلوص بالاتر که مطابق با استاندارد است، تمایل دارد به عنوان ماده اولیه انتخاب شود. در حالی که در برخی از تولیدات صنعتی که به سرعت و هزینه واکنش حساس تر هستند، سیلیکات سدیم با مدول متوسط ​​و عملکرد هزینه بالا ممکن است با توجه به شرایط واقعی انتخاب شود.
2.2 نقش و الزامات کیفی متانول
متانول به عنوان یک عامل متیل کننده در فرآیند تولید متیل سیلیکات سدیم عمل می کند. نقش آن فراهم کردن گروه های متیل برای واکنش است، به طوری که مولکول های سیلیکات سدیم را می توان متیله کرد و به متیل سیلیکات سدیم تبدیل کرد. خلوص متانول برای واکنش بسیار مهم است. متانول با خلوص بالا می تواند از راندمان بالای واکنش و خلوص محصول اطمینان حاصل کند. اگر متانول حاوی ناخالصی های بیشتری مانند آب، سایر الکل ها یا ناخالصی های آلی باشد، ممکن است باعث واکنش های جانبی، کاهش بازده متیل سیلیکات سدیم و بر کیفیت و عملکرد محصول شود. به عنوان مثال، آب موجود در متانول ممکن است باعث شود که واکنش هیدرولیز سیلیکات سدیم پیش از موعد اتفاق بیفتد و در فرآیند معمولی واکنش متیلاسیون اختلال ایجاد کند. سایر ناخالصی‌ها ممکن است با واکنش‌دهنده‌ها یا محصولات واکنش دهند و محصولات جانبی تولید کنند که جداسازی آن‌ها دشوار است، و مشکل خالص‌سازی محصول بعدی را افزایش می‌دهد. بنابراین، متانول مورد استفاده برای تهیه متیل سیلیکات سدیم معمولاً باید دارای خلوص بیش از 99٪ باشد و برای اطمینان از مطابقت با الزامات تولید، باید تحت آزمایش کیفیت دقیق قرار گیرد. در هنگام نگهداری و حمل و نقل نیز باید مراقب بود که متانول از جذب آب و مخلوط شدن با سایر ناخالصی ها جلوگیری کرد تا از پایداری کیفیت آن اطمینان حاصل شود.
2.3 رده ها و توابع مواد کمکی
تولید متیل سیلیکات سدیم علاوه بر دو ماده اولیه اصلی، سیلیکات سدیم و متانول، به انواع مواد کمکی نیز نیاز دارد که هر یک نقش منحصر به فردی در فرآیند واکنش دارند. کاتالیزورها یک دسته مهم در میان آنها هستند و انواع مختلف کاتالیزورها تاثیر بسزایی در سرعت واکنش و انتخاب محصول دارند. کاتالیزورهای اسیدی مانند اسید سولفوریک و اسید کلریدریک می توانند واکنش متیلاسیون بین سیلیکات سدیم و متانول را تقویت کنند، سرعت واکنش را افزایش داده و زمان واکنش را کوتاه کنند، اما ممکن است باعث خوردگی خاصی در تجهیزات شوند. کاتالیزورهای قلیایی مانند هیدروکسید سدیم و هیدروکسید پتاسیم نیز می توانند به طور موثر واکنش را در برخی از سیستم های واکنش کاتالیز کنند و نسبتا کمتر خورنده به تجهیزات هستند، اما ممکن است مواد قلیایی اضافی را در طول واکنش وارد کنند که نیاز به عملیات خنثی سازی بعدی دارد. مهارکننده ها برای کنترل شدت واکنش، جلوگیری از شدید بودن واکنش و از دست دادن کنترل، اطمینان از انجام واکنش در شرایط ملایم و قابل کنترل و بهبود ایمنی و پایداری واکنش استفاده می شوند. علاوه بر این، برخی از مواد افزودنی مانند پخش کننده ها و تثبیت کننده ها نیز وجود دارد. پخش کننده ها می توانند به طور مساوی واکنش دهنده ها را در سیستم واکنش پراکنده کنند و یکنواختی واکنش را بهبود بخشند. تثبیت کننده ها به حفظ پایداری محصول و جلوگیری از تجزیه یا خراب شدن آن در طول نگهداری و استفاده بعدی کمک می کنند. در تولید واقعی، انتخاب و کنترل دقیق نوع و مقدار مواد کمکی با توجه به فرآیند واکنش خاص و الزامات محصول برای دستیابی به بهترین اثر واکنش و کیفیت محصول ضروری است.

3. تجزیه و تحلیل فرآیند تولید سنتی

3.1 آماده سازی سیلیکات سدیم
3.1.1 روش ذوب
روش ذوب یکی از روش های کلاسیک برای تهیه سیلیکات سدیم است. این روش ابتدا ماسه کوارتز و خاکستر سودا را به نسبت معینی مخلوط کرده و سپس مخلوط را در کوره ای با دمای بالا قرار می دهد. تحت تأثیر دمای بالا (معمولاً 1300-1400 درجه سانتیگراد)، ماسه کوارتز (جزء اصلی دی اکسید سیلیکون) و خاکستر سودا (کربنات سدیم) واکنش شیمیایی می دهند و سیلیکات سدیم و گاز دی اکسید کربن تولید می کنند. معادله واکنش تقریباً این است: Na2CO3 SiO2 = Na2SiO3 CO26. با ادامه واکنش، سیلیکات سدیم تولید شده در حالت مذاب قرار می گیرد و از طریق یک دستگاه تخلیه خاص به خارج از کوره هدایت می شود. پس از خنک شدن، خرد کردن و سایر عملیات های بعدی، یک محصول جامد سیلیکات سدیم به دست می آید. اگر قرار است سیلیکات سدیم مایع تهیه شود، سیلیکات سدیم جامد باید بیشتر در مقدار مناسبی آب حل شود و فرآیند انحلال با حرارت دادن، هم زدن و غیره تسریع شود و سپس ناخالصی های نامحلول با فیلتراسیون حذف شوند تا محلول سیلیکات سدیم مایع شفاف و شفاف به دست آید. در فرآیند تهیه سیلیکات سدیم به روش ذوب، کنترل دما بسیار حیاتی است. اگر دما خیلی پایین باشد، سرعت واکنش کند خواهد بود و حتی ممکن است منجر به واکنش ناقص شود که بر عملکرد و کیفیت سیلیکات سدیم تأثیر می گذارد. اگر دما خیلی بالا باشد، مصرف انرژی را افزایش می دهد و ممکن است باعث فرسایش حرارتی بیش از حد تجهیزات شود و عمر مفید تجهیزات را کوتاه کند. علاوه بر این، نسبت مواد خام نیز تأثیر مهمی بر نتایج واکنش خواهد داشت. نسبت مناسب ماسه کوارتز به خاکستر سودا می تواند تضمین کند که واکنش به طور کامل انجام می شود و محصولات سیلیکات سدیم با مدول ایده آل تولید می کند.
3.1.2 روش حل
روش محلول برای تهیه سیلیکات سدیم با واکنش محلول هیدروکسید سدیم با ماسه کوارتز در شرایط خاص به دست می آید. ابتدا ماسه کوارتز با اندازه ذرات معین به محلول هیدروکسید سدیم اضافه می شود تا یک مخلوط واکنش تشکیل شود. سپس، مخلوط واکنش در یک راکتور خاص حرارت داده می شود و همزمان هم زده می شود تا تماس کامل و واکنش بین واکنش دهنده ها ایجاد شود. در طی واکنش، دی اکسید سیلیکون موجود در ماسه کوارتز با هیدروکسید سدیم واکنش شیمیایی می دهد و سیلیکات سدیم و آب تولید می کند. معادله واکنش این است: 2NaOH SiO2 = Na2SiO3 H2O. با ادامه واکنش، غلظت سیلیکات سدیم در محلول به تدریج افزایش می یابد. پس از اتمام واکنش، ناخالصی های جامد مانند ماسه کوارتز که به طور کامل واکنش نشان نداده اند، توسط یک دستگاه فیلتر حذف می شوند تا محلولی حاوی سیلیکات سدیم به دست آید. برای به دست آوردن یک محصول سیلیکات سدیم با غلظت و مدول مورد نیاز، محلول همچنین ممکن است نیاز به تغلیظ یا رقیق کردن و سایر تیمارهای بعدی داشته باشد. در مقایسه با روش ذوب، روش محلول دارای شرایط واکنش نسبتا ملایم، مقاومت در برابر دمای بالا برای تجهیزات و مصرف انرژی نسبتاً کمتر است. با این حال، روش محلول دارای کاستی هایی از جمله سرعت واکنش نسبتاً پایین است و به دلیل استفاده از مقدار زیادی محلول هیدروکسید سدیم، فرآیند جداسازی و تصفیه محصولات بعدی ممکن است پیچیده تر شود و فاضلاب برای جلوگیری از آلودگی محیط زیست نیاز به تصفیه مناسب دارد. هنگام تهیه سیلیکات سدیم به روش محلول، عواملی مانند دمای واکنش، زمان واکنش، غلظت محلول هیدروکسید سدیم و اندازه ذرات ماسه کوارتز بر واکنش تأثیر می گذارد. افزایش مناسب دمای واکنش و افزایش زمان واکنش می تواند واکنش را تسریع کند و بازده سیلیکات سدیم را افزایش دهد، اما دمای بسیار بالا و زمان بسیار طولانی ممکن است باعث واکنش های جانبی شود و بر کیفیت محصول تأثیر بگذارد. غلظت بیش از حد محلول هیدروکسید سدیم ممکن است واکنش را بسیار خشن و کنترل آن را دشوار کند، در حالی که غلظت بسیار پایین باعث کاهش سرعت واکنش و بازده می شود. هرچه اندازه ذرات ماسه کوارتز کوچکتر باشد، سطح ویژه آن بزرگتر است و سطح تماس با محلول هیدروکسید سدیم بزرگتر است، که منجر به تسریع واکنش می شود، اما اندازه ذرات بسیار کوچک ممکن است باعث مشکلاتی مانند مشکل در فیلتراسیون شود.
3.2 واکنش سنتز متیل سیلیکات سدیم
3.2.1 توضیح اصل واکنش
سنتز متیل سیلیکات سدیم عمدتاً بر اساس واکنش متیلاسیون سیلیکات سدیم و متانول تحت تأثیر یک کاتالیزور است. در طول واکنش، گروه متیل (-CH3) در مولکول متانول تحت یک واکنش جایگزینی با یون سیلیکات موجود در مولکول سیلیکات سدیم تحت فعال سازی کاتالیزور قرار می گیرد، در نتیجه گروه متیل را به ساختار سیلیکات وارد می کند تا متیل سیلیکات سدیم تولید شود. با در نظر گرفتن سیلیکات سدیم (Na2SiO3) و متانول (CH3OH) به عنوان مثال، معادله واکنش اصلی را می توان تقریباً به صورت زیر بیان کرد: Na2SiO3 2CH3OH = (CH3O)2SiO2 2NaOH، و سپس با OCH3O3 تولید می شود. هیدروکسید سدیم برای تولید متیل سیلیکات سدیم (مانند Na [(CH3O) SiO3] و غیره). در این فرآیند واکنش، کاتالیزور نقش کلیدی در کاهش انرژی فعال‌سازی واکنش و تسریع سرعت واکنش دارد. انواع مختلف کاتالیزورها اثرات کاتالیزوری متفاوتی بر روی واکنش و انتخاب محصول دارند. برای مثال، کاتالیزورهای اسیدی می‌توانند فعال‌سازی مولکول‌های متانول را تقویت کنند و آنها را نسبت به واکنش‌های متیلاسیون حساس‌تر کنند، اما ممکن است برخی واکنش‌های جانبی مانند واکنش‌های کم‌آبی متانول را ایجاد کنند. کاتالیزورهای قلیایی همچنین می توانند به طور موثر واکنش های متیلاسیون را در برخی موارد کاتالیز کنند و گزینش پذیری محصولات ممکن است متفاوت باشد. علاوه بر این عواملی مانند دما، فشار، غلظت واکنش دهنده ها و زمان واکنش در سیستم واکنش تاثیر مهمی در پیشرفت واکنش و تشکیل محصولات خواهند داشت. شرایط واکنش مناسب می تواند تضمین کند که واکنش در جهت تولید متیل سیلیکات سدیم پیش می رود و در نتیجه بازده و خلوص محصول را بهبود می بخشد.
3.2.2 کنترل شرایط واکنش در فرآیندهای سنتی
در فرآیند سنتز سنتی متیل سیلیکات سدیم، کنترل شرایط واکنش نسبتاً سخت است. از نظر دما، دمای واکنش به طور کلی در یک محدوده مشخص، معمولا بین 80 تا 120 درجه سانتیگراد کنترل می شود. اگر دما خیلی پایین باشد، سرعت واکنش کند خواهد بود و در نتیجه راندمان تولید پایین خواهد بود. اگر دما بیش از حد بالا باشد، ممکن است باعث واکنش های جانبی مانند تبخیر و تجزیه بیش از حد متانول و پلیمریزاسیون بیشتر محصول شود که بر کیفیت و عملکرد متیل سیلیکات سدیم تأثیر می گذارد. شرایط فشار معمولاً در فشار معمولی یا کمی بالاتر از فشار معمولی انجام می شود. اگر فشار بیش از حد بالا باشد، نیاز به تجهیزات بسیار افزایش می یابد، سرمایه گذاری تجهیزات و هزینه های عملیاتی افزایش می یابد. اگر فشار خیلی کم باشد، ممکن است بر فراریت واکنش دهنده ها و درجه واکنش تأثیر بگذارد. زمان واکنش به طور کلی چندین ساعت طول می کشد و مدت زمان خاص به عواملی مانند مقیاس واکنش، غلظت واکنش دهنده ها و فعالیت کاتالیزور بستگی دارد. زمان واکنش طولانی تر برای پیشرفت کامل واکنش مساعد است، اما هزینه تولید را افزایش می دهد. زمان واکنش خیلی کوتاه ممکن است منجر به واکنش ناقص شود و مواد اولیه واکنش نداده بیشتری در محصول باقی بماند. از نظر غلظت واکنش دهنده، غلظت و نسبت محلول سیلیکات سدیم و متانول باید دقیقاً کنترل شود. اگر غلظت محلول سیلیکات سدیم خیلی زیاد باشد، سیستم واکنش ممکن است خیلی چسبناک باشد که برای اختلاط و انتقال جرم واکنش دهنده ها مفید نیست. اگر غلظت خیلی کم باشد، سرعت واکنش و راندمان تولید تجهیزات کاهش می یابد. مقدار متانول به طور کلی باید کمی بیش از حد باشد تا اطمینان حاصل شود که سیلیکات سدیم می تواند به طور کامل تحت واکنش متیلاسیون قرار گیرد، اما بیش از حد بیش از حد باعث هدر رفتن مواد خام و مشکلات در جداسازی بعدی می شود. در فرآیندهای سنتی، توجه به تغییرات مقدار pH در سیستم واکنش نیز ضروری است. از آنجایی که مواد قلیایی مانند هیدروکسید سدیم در طی واکنش تولید می شوند، مقدار pH به تدریج افزایش می یابد. مقدار pH بیش از حد ممکن است بر پیشرفت واکنش و پایداری محصول تأثیر بگذارد، بنابراین ممکن است لازم باشد مقدار مناسبی از مواد اسیدی به موقع برای خنثی سازی و تنظیم برای حفظ سیستم واکنش در محدوده pH مناسب اضافه شود.
3.3 روش های جداسازی و خالص سازی محصولات
3.3.1 مرحله جداسازی تقطیر
تقطیر یکی از روش های رایج در فرآیند جداسازی محصولات سدیم متیل سیلیکات است. در سیستم مخلوط پس از واکنش، متانول واکنش نداده، متیل سیلیکات سدیم تولید شده و مقدار کمی از محصولات جانبی احتمالی وجود دارد. از آنجایی که نقطه جوش متانول نسبتاً پایین است (حدود 64.7 درجه سانتیگراد در فشار معمولی)، در حالی که نقطه جوش متیل سیلیکات سدیم نسبتاً بالا است، مخلوط واکنش گرم می شود تا متانول ابتدا به نقطه جوش برسد و به بخار تبدیل شود. بخار از طریق کندانسور دستگاه تقطیر خنک و مایع می شود و متانول جمع آوری شده قابل بازیافت و استفاده مجدد است و در نتیجه هزینه های تولید کاهش می یابد. با ادامه تقطیر، محتوای متانول در مخلوط واکنش به تدریج کاهش می یابد و غلظت متیل سیلیکات سدیم به طور نسبی افزایش می یابد. در فرآیند تقطیر، کنترل دما بسیار حیاتی است. دمای گرمایش باید دقیقاً کنترل شود تا کمی بالاتر از نقطه جوش متانول باشد تا اطمینان حاصل شود که متانول می تواند به آرامی تبخیر و جدا شود، اما نباید خیلی زیاد باشد تا از تجزیه یا سایر واکنش های جانبی متیل سیلیکات سدیم جلوگیری شود. در عین حال، طراحی و عملکرد دستگاه تقطیر نیز بر اثر جداسازی تأثیر خواهد گذاشت. به عنوان مثال، راندمان خنک کننده کندانسور، تعداد صفحات یا نوع بسته بندی برج تقطیر بر خلوص جداسازی و سرعت بازیابی متانول تأثیر می گذارد. یک کندانسور کارآمد می تواند به سرعت بخار متانول را به مایع تبدیل کند و خروج بخار متانول را کاهش دهد. یک ساختار برج تقطیر مناسب می تواند راندمان جداسازی متانول و سدیم متیل سیلیکات را بهبود بخشد و فرآیند تقطیر را کارآمدتر و پایدارتر کند.
3.3.2 فرآیند تبلور و خالص سازی
کریستالیزاسیون وسیله مهمی برای خالص سازی بیشتر متیل سیلیکات سدیم است. پس از جداسازی اولیه با تقطیر، محلول متیل سیلیکات سدیم ممکن است همچنان حاوی برخی ناخالصی ها باشد، مانند سیلیکات سدیم واکنش نداده، باقی مانده های کاتالیزور و سایر محصولات جانبی. از طریق فرآیند تبلور، متیل سیلیکات سدیم را می توان از محلول به شکل کریستال رسوب داد، در حالی که ناخالصی ها در مایع مادر باقی می مانند و در نتیجه به خالص سازی متیل سیلیکات سدیم می رسند. روش های متداول کریستالیزاسیون شامل تبلور خنک کننده و تبلور تبخیر است. تبلور سرد با استفاده از تفاوت در حلالیت متیل سیلیکات سدیم در دماهای مختلف به دست می آید. محلول متیل سیلیکات سدیم پس از تقطیر به آرامی سرد می شود. با کاهش دما، حلالیت متیل سیلیکات سدیم به تدریج کاهش می یابد. هنگامی که حلالیت آن کمتر از غلظت واقعی در محلول باشد، متیل سیلیکات سدیم از محلول متبلور می شود. در طول فرآیند خنک‌سازی، سرعت خنک‌سازی باید کنترل شود. خنک شدن آهسته منجر به تشکیل کریستال های بزرگتر و منظم تر می شود که برای عملیات تصفیه و شستشوی بعدی راحت است و همچنین می تواند خلوص کریستال ها را بهبود بخشد. تبلور تبخیر عبارت است از تبخیر حلال (مانند آب) در محلول با حرارت دادن، به طوری که محلول به تدریج غلیظ شود. هنگامی که محلول به حالت فوق اشباع می رسد، متیل سیلیکات سدیم شروع به کریستال شدن می کند. در طول فرآیند تبخیر و تبلور، باید به کنترل دمای تبخیر و سرعت تبخیر توجه شود تا از دمای بیش از حد که باعث تجزیه متیل سیلیکات سدیم یا ایجاد واکنش‌های جانبی دیگر شود، جلوگیری شود. در عین حال، سرعت تبخیر باید متوسط ​​باشد تا فرآیند تبلور به آرامی پیش رود. پس از اتمام کریستالیزاسیون، کریستال ها توسط دستگاه فیلتراسیون از مشروب مادر جدا می شوند و سپس کریستال ها با مقدار مناسبی از حلال آلی (مانند اتانول و غیره) شسته می شوند تا ناخالصی های جذب شده روی سطح کریستال ها بیشتر از بین برود. پس از خشک شدن کریستال های شسته شده، می توان یک محصول متیل سیلیکات سدیم با خلوص بالا به دست آورد. در طول فرآیند تبلور و خالص سازی، عواملی مانند غلظت محلول، دمای تبلور، سرعت سرد شدن یا تبخیر و شرایط هم زدن بر اثر تبلور تأثیر می گذارد. غلظت مناسب محلول می تواند تشکیل مقدار مناسبی از هسته های کریستالی را در طول فرآیند کریستالیزاسیون تضمین کند که منجر به رشد کریستال ها می شود. کنترل دقیق دما و سرعت کریستالیزاسیون می تواند شکل و خلوص کریستال ایده آل را به دست آورد. هم زدن مناسب می تواند توزیع املاح در محلول را یکنواخت تر کند و فرآیند کریستالیزاسیون را تقویت کند، اما سرعت هم زدن خیلی سریع ممکن است باعث شکستن کریستال شود و بر کیفیت محصول تأثیر بگذارد.

4. پیشرفت های کلیدی در بهینه سازی فرآیند

4.1 نوآوری و بهبود کاتالیزورها
4.1.1 پیشرفت تحقیق و توسعه کاتالیزورهای جدید
در بهینه سازی فرآیند تولید متیل سیلیکات سدیم، تحقیق و توسعه کاتالیزورهای جدید به یک مسیر پیشرفت مهم تبدیل شده است. محققان به طور مداوم در حال کاوش و آزمایش مواد جدید به عنوان کاتالیزور برای بهبود کارایی واکنش و کیفیت محصول هستند. به عنوان مثال، برخی از مجتمع های فلزات واسطه کاتالیزورها به تدریج توجه را به خود جلب کرده اند. این نوع کاتالیزور دارای ساختار الکترونیکی و محیط هماهنگی منحصر به فردی است که می تواند به طور موثرتری مولکول های واکنش دهنده را فعال کرده و انرژی فعال سازی واکنش را کاهش دهد و در نتیجه سرعت واکنش متیلاسیون را به میزان قابل توجهی تسریع کند. در مقایسه با کاتالیزورهای اسیدی یا قلیایی سنتی، کاتالیزورهای پیچیده فلزات واسطه دارای گزینش پذیری بالاتری هستند، می توانند وقوع واکنش های جانبی را کاهش دهند و واکنش را تمایل بیشتری به تولید محصول هدف سدیم متیل سیلیکات کنند. علاوه بر این، پیشرفت هایی در تحقیق و توسعه برخی کاتالیزورهای پشتیبانی شده صورت گرفته است. با بارگذاری اجزای کاتالیزوری فعال بر روی حاملی با سطح ویژه بالا، مانند کربن فعال، غربال‌های مولکولی و غیره، می‌توان فعالیت و پایداری کاتالیزور را بهبود بخشید و جداسازی و بازیافت کاتالیزور را نیز تسهیل کرد. خواص و ساختار حامل تأثیر مهمی بر عملکرد کاتالیزور دارد. حامل های مختلف می توانند ریزمحیط های مختلفی را برای اجزای فعال فراهم کنند و از این طریق فعالیت و گزینش پذیری کاتالیزور را تنظیم کنند. به عنوان مثال، حامل غربال مولکولی دارای ساختار منافذ منظم و مکان‌های اسیدی است که می‌تواند مولکول‌های واکنش‌دهنده را غربال کرده و به‌طور انتخابی جذب کند، که برای بهبود انتخاب‌پذیری و کارایی کاتالیزوری واکنش مفید است. در فرآیند توسعه کاتالیزورهای جدید، به بهینه سازی روش تهیه کاتالیزور نیز توجه شده است. استفاده از فن‌آوری‌های سنتز پیشرفته، مانند روش سل-ژل و روش رسوب همزمان، می‌تواند ترکیب، ساختار و اندازه ذرات کاتالیزور را دقیقاً کنترل کند و در نتیجه عملکرد کاتالیزور را بیشتر بهبود بخشد. از طریق تحقیق و نوآوری مستمر، عملکرد کاتالیزورهای جدید به طور مداوم بهبود یافته است و پشتیبانی قوی برای بهینه سازی فرآیند تولید متیل سیلیکات سدیم فراهم می کند.
4.1.2 کاتالیزورها راندمان و کیفیت واکنش را بهبود می بخشند
استفاده از کاتالیزورهای جدید بهبود قابل توجهی را در راندمان واکنش و کیفیت محصول سدیم متیل سیلیکات به ارمغان آورده است. از نظر بازده واکنش، از آنجایی که کاتالیزورهای جدید می توانند به طور موثرتری انرژی فعال سازی واکنش را کاهش دهند، واکنش می تواند در شرایط ملایم تر به سرعت انجام شود. به عنوان مثال، پس از استفاده از کاتالیزورهای جدید پیچیده فلزات واسطه، دمای واکنش را می توان 10-20 درجه سانتیگراد کاهش داد، اما سرعت واکنش را می توان چندین بار یا حتی ده ها بار افزایش داد، که زمان واکنش را بسیار کوتاه می کند و راندمان تولید را بهبود می بخشد. این نه تنها مصرف انرژی را کاهش می دهد، بلکه هزینه های تولید را نیز کاهش می دهد. از نظر کیفیت محصول، گزینش پذیری بالای کاتالیزور جدید به طور موثر واکنش های جانبی را سرکوب می کند و خلوص متیل سیلیکات سدیم در محصول به طور قابل توجهی بهبود می یابد. در فرآیند سنتی، ممکن است برخی ناخالصی ها به دلیل واکنش های جانبی ایجاد شود که ممکن است بر عملکرد متیل سیلیکات سدیم تأثیر بگذارد. با این حال، کاتالیزور جدید می تواند واکنش را با دقت بیشتری در جهت تولید متیل سیلیکات سدیم ادامه دهد و تولید ناخالصی ها را کاهش دهد. در عین حال، پایداری کاتالیزور نیز تأثیر مثبتی بر ثبات کیفیت محصول دارد. کاتالیزورهای پایدار می توانند ثبات فعالیت کاتالیزوری و گزینش پذیری خود را در طول تولید مداوم حفظ کنند و اطمینان حاصل کنند که هر دسته از محصولات متیل سیلیکات سدیم دارای کیفیت و عملکرد پایدار هستند. به عنوان مثال، به دلیل ساختار پایدار آن، کاتالیزور پشتیبانی شده همچنان می تواند پس از استفاده مکرر، فعالیت کاتالیزوری بالایی را حفظ کند و فرآیند تولید را پایدارتر و قابل اعتمادتر کند و کیفیت محصول را تضمین کند. علاوه بر این، کاتالیزور جدید ممکن است ساختار مولکولی و میکرومورفولوژی سدیم متیل سیلیکات را نیز تحت تاثیر قرار دهد و در نتیجه عملکرد آن را بهبود بخشد. برخی از کاتالیزورها می‌توانند تشکیل ساختار منظم‌تری از مولکول‌های متیل سیلیکات سدیم را تقویت کنند، به طوری که می‌تواند عملکرد بهتری در کاربردهایی مانند ضد آب و محافظت در برابر خوردگی نشان دهد.
4.2 نوآوری تجهیزات و فناوری واکنش
4.2.1 ویژگی های طراحی دستگاه های واکنش کارآمد
به منظور پاسخگویی به نیازهای بهینه سازی فرآیند تولید متیل سیلیکات سدیم، طراحی دستگاه های واکنش کارآمد به طور مداوم در حال نوآوری است. دستگاه واکنش جدید دارای ویژگی های بسیاری در ساختار و عملکرد برای بهبود کارایی و کیفیت واکنش است. به عنوان مثال، برخی از راکتورها از طراحی ساختار همزن خاص استفاده می کنند. تیغه های همزن سنتی ممکن است مشکلاتی مانند هم زدن ناهموار و واکنش موضعی ناکافی داشته باشند، در حالی که ساختار همزن جدید می تواند با بهینه سازی شکل، زاویه و چیدمان تیغه به اثر اختلاط کارآمدتری دست یابد. استفاده از پره های چند لایه یا تیغه هایی با اشکال خاص، مانند تیغه های مارپیچی و پره های توربین، می تواند اثرات مکانیکی سیالات متفاوتی را در نواحی مختلف واکنش ایجاد کند، به طوری که واکنش دهنده ها می توانند کاملاً مخلوط شوند و در راکتور تماس برقرار کنند، سرعت واکنش را تسریع کنند و یکنواختی واکنش را بهبود بخشند. در همان زمان، مواد راکتور نیز بهبود یافته است. انتخاب مواد مقاوم در برابر خوردگی، مقاوم در برابر درجه حرارت بالا و دارای رسانایی حرارتی خوب، مانند فولاد آلیاژی خاص و مواد لعابی، نه تنها می تواند نیازهای سختگیرانه تجهیزات را در طول فرآیند واکنش برآورده کند، عمر مفید تجهیزات را افزایش دهد، بلکه دمای واکنش را نیز بهتر کنترل کند. هدایت حرارتی خوب به انتقال یکنواخت گرما در راکتور، جلوگیری از وقوع گرمای بیش از حد موضعی یا سرد شدن بیش از حد کمک می کند و اطمینان حاصل می کند که واکنش در شرایط دمایی مناسب انجام می شود. علاوه بر این، برخی از دستگاه های واکنش نیز دما، فشار، جریان و سایر سیستم های نظارت و کنترل پیشرفته را یکپارچه می کنند. سنسورها برای نظارت بر پارامترهای مختلف در فرآیند واکنش در زمان واقعی و انتقال داده ها به سیستم کنترل استفاده می شوند. سیستم کنترل به طور خودکار شرایط واکنش را با توجه به محدوده پارامتر از پیش تعیین شده، مانند قدرت دستگاه گرمایش یا سرمایش، دبی پمپ تغذیه و غیره تنظیم می کند تا به کنترل دقیق فرآیند واکنش و بهبود پایداری فرآیند تولید و ثبات کیفیت محصول دست یابد.