硅酸凝聚规律探讨

1摘要硅酸凝胶是由硅酸溶胶转变而成的失去流动性的体系。硅酸溶胶可分为酸性硅酸溶胶和碱性硅酸溶胶。前者是将水玻璃加到活化剂中配成,后者是将活化剂加到水玻璃中制得。不论酸性硅酸溶胶还是碱性硅酸溶胶,都可在一定条件下转变为硅酸凝胶。硅酸凝胶有一定强度,而且有一定稳定性。活化硅酸的聚合机理很多人都做过大量研究,但其说法却很不一致,有些认为活化硅酸的聚合作用是由两分子硅酸以羟基缩合形成氧键,将分子连接起来产生长链而使溶液成冻。该聚合机理能够很好地解释活化硅酸最终成冻的事实,但无法解释活化过程中的一些现象。我国南京大学戴安邦教授认为硅酸聚合在酸碱两种环境下是以两种不同的机制进行的,并提出了较为合理完善的理论。目前为止很多学者对硅酸在盐酸、硫酸、磷酸、醋酸等做酸化剂情况下的凝结规律做出了研究，但是还没有关于氟硅酸作为酸化剂的研究。本文正是以氟硅酸为酸化剂，研究了该条件下不同PH活化硅酸的凝聚规律，以及NaCl、NaF、聚丙烯酰胺等添加物对凝聚的影响，并推测其凝聚机理。关键词：活化硅酸、凝聚、氟硅酸2AbstractSilicicacidsol-gelischangedbythelossofliquidityfromthesystem.Silicasolcanbedividedintoacidicandalkalinesilicasolsilicasol.Theformerisdubbedsodiumsilicateaddedtotheactivator,whichistheactiveagentaddedtothewaterglassinthesystem.Eitheracidicoralkalinesilicasolsilicasol,canundercertainconditions,intoasilicategel.Silicagelhaveacertainstrength,butalsoacertainstability.Activationmechanismofsilicatepolymerizationofalotofpeoplehavedonealot,buttheargumentisveryinconsistent,somebelievethattheroleofactivationofpolymerizationofsilicicacidbythecondensationoftwomoleculesofsilicicacidtotheformationofhydroxyloxygenbond,toproducelong-chainmoleculeswhichlinkthesolutionintothecold.Thepolymerizationmechanismcouldexplaintheactivationofacidintothecoldfactthatthefinal,butcannotexplainsomephenomenaintheactivationprocess.China'sNanjingUniversityProfessorDaiAnbangthatbothsilicicacidpolymerizationinacid-baseenvironmentiscarriedoutbytwodifferentmechanisms,andproposedamorereasonableandperfecttheory.Manyscholarsnowinhydrochloricacid,sulfuricacid,phosphoricacid,aceticacid,acidifiertodoincaseofcondensationoflawmade,butnoinformationontheresearchfluorideacidasacidifier.Thisarticleisthefluorideacidasacidifier,studiedtheactivationofsilicicacidundertheconditionsofthecondensationofdifferentlawsofPH,aswellasNaCl,NaF,polyacrylamideadditivesontheimpactofcohesion,andspeculatedthatthecoagulationmechanism.Keywords:activationsilicicacid,coagulation,fluorinesour3目录第一章前言..........................................41.1课题研究目的和意义....................................41.2课题的研究内容和创新之处...............................6第二章文献综述.....................................72.1硅酸盐化学.............................................72.2氟硅酸................................................112.3硅酸活化..............................................172.4溶胶凝胶化过程........................................252.5硅酸的聚合机理........................................272.6二氧化硅粒径的增长机理[36]..............................292.7硅溶胶的稳定理论......................................30第三章实验研究....................................363.1主要仪器设备和试剂....................................363.2试验方法..............................................373.3实验结果与分析........................................39第四章实验结论和原理讨论..........................474.1活化硅酸的凝聚机理...................................474.2PH值对硅溶胶的凝胶过程的影响.........................494.3外加药品的影响........................................51致谢................................................54参考文献............................................55附录................................................594第一章前言1.1课题研究目的和意义活化硅酸是硅酸钠加酸活化而成的,通常用中和度和活化度来反映活化硅酸的加酸量和活化程度。其中,中和度是指加酸量同总碱度之比;活化度是指活化时间与成冻时间之比。水处理中通过控制此二指标控制活化硅酸的性状。硅酸钠是石英砂与苏打按一定比例混合,在高温下融溶而成的,其主要成份是SiO2。硅酸钠水溶液是碱性,能长期保持稳定,既不产生沉淀,也不凝结成冻。硅酸钠溶液中加酸活化后,其性质会发生一系列变化,。对活化硅酸生成硅溶胶凝结成为硅凝胶的规律及原理，目前为止已经有很多学者做出了解除成果。上世纪五十年代以前，我国此方面的理论研究甚少，多以国外的研究为准。1955年，西北黄土高原的土壤加固研究工作需要找出影响硅酸胶凝材料作用的因素。这是一个古老的课题,国际上已研究了一个多世纪，虽然积累了大量资料，但多为片面、分散的结果，而且不少还是相互矛盾的。当时，南京大学科研的设备条件还不理想,戴安邦教授却欣然承担了这个课题,他带领助手较全面地研究了酸度、浓度、温度和外加盐等因素对硅酸聚合作用的影响，根据所得结果提出硅酸聚合作用理论。该理论首次说明了各种因素对硅酸聚合而成凝胶作用的影响,尤其是酸度的影响。戴安邦改正了国际上流行的单一聚合机制,他认为硅酸聚合是以两种不同的机制进行的,在碱性或中性溶液中,主要是硅酸分子和硅酸负离子的氧联反应,由单酸生成双酸,双酸又以氧联反应生成多酸,继续反应直至胶凝。5在酸性溶液中,主要是硅酸分子和硅酸正离子的羟连反应,由单酸生成双酸，双酸又以轻联反应生成多酸直至胶凝。他根据这两种机制得出了硅酸胶凝时间与溶液PH关系的动力学公式。图1的理论曲线就是按这个公式计算所得。根据上述理论,在[H2A]=[H3A-]时,聚合速度最快,即在lgt-PH曲线的酸方还应有一个最低点,即理论推测不止是图1的N形曲线,而应是W形曲线。不久他的助手和学生用实验测得了这一最低点图2，,从而验证了理论的真实性。6这是前人从未观察到的，他们由实验结果还求出了上述硅酸的解离常数K0、K1和的K2表观值和真实值。这些都表明硅酸聚合作用理论的正确性,是对硅酸及其盐的化学的重要贡献。迄今硅酸的研究论文已发表30余篇,得到国内外学者的高度评价。该理论和有关数据已被国外专著及一些国些性手册所引用。这个理论为硅溶胶生产,建材、铸造、电能贮存、萃取分离和硅肺发病机制等有关硅的应用提供了理论依据，对生产和科研均有重要的指导意义。“硅酸及其盐的研究”获1978年全国科学大会奖,“硅酸聚合作用理论”荣获1982年国家自然科学二等奖。硅溶胶自工业化生产以来，随着应用技术的进步，已经在熔模精密铸造硅胶体电解质铅蓄电池、高温陶瓷、建筑涂料催化剂等领域获得广泛的应用。这些都是与硅酸及其盐类聚合理论研究息息相关的，因此硅酸理论的研究工作客观重要。本文拟对活化硅酸的某些性质及其变化规律通过实验进行研究,为生产中正确、合理、有效地使用活化硅酸提供依据。1.2课题的研究内容和创新之处关于活化硅酸凝聚的理论与实验研究，到目前为止已经进行了很多，无论是理论上还是实验上都有了很好的发展，但是大多都是进行的盐酸、醋酸、硫酸、磷酸等酸化剂的理论与实验研究，很少有涉及其他酸化剂的研究。本课题首先验证了戴安邦活化硅酸以HCl为酸化剂的N形曲线，得出的实验结果与之吻合。主要研究了氟硅酸作为酸催化剂时硅溶胶的凝结曲线，以及NaCl、NaF、聚丙烯酰胺等对凝结过程的影响，并讨论了凝结机理。7第二章文献综述2.1硅酸盐化学2.1.1硅硅(SILICON)，源自silex，意为“打火石”。硅在地壳中的丰度为27.7%，在所有的元素中居第二位。在自然界中，没有游离态的硅，只有化合态存在的硅。地壳中含量最多的元素氧和硅结合形成的二氧化硅SiO2，占地壳总质量的87%。此外，还有大量的硅酸盐矿和石英矿等。硅是构成地球上矿物界的主要元素。硅分为晶体硅和无定形硅两种同素异形体。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体（见下图）。硅是一种重要的非金属单质，它的用途十分广泛。用在电子元件上，纯硅可用于制造启动人造卫星仪器的太阳能电池。作为良好的半导体材料，硅可用来制造集成电路、硅整流器等半导体材料。此外硅的合金还可以制备各种具有耐酸碱腐蚀等特性的功能材料。硅在常温下不活泼，其主要的化学性质如下：81.与非金属作用常温下Si只能与F2反应，在F2中瞬间燃烧，生成SiF4。加热时，能与其它卤素反应生成卤化硅，与氧反应生成SiO2。在高温下，硅与碳、氮、硫等非金属单质化合，分别生成碳化硅SiC、氮化硅Si3N4和硫化硅SiS2等。2.与酸作用Si在含氧酸中被钝化，但与氢氟酸及其混合酸反应，生成SiF4或H2SiF6。3.与碱作用无定形硅能与碱猛烈反应生成可溶性硅酸盐，并放出氢气。4.与金属作用硅与钙、