Utilice el método de neutralización ácida para preparar sol de sílice, neutralícelo con ácido sulfúrico y silicato de sodio y elimine los iones de sodio con etanol. ¿Cuál es la temperatura óptima para el proceso de neutralización?
Tecnología de preparación de sol de sílice ácido
1.1. Método de intercambio iónico
Este método es actualmente la tecnología de preparación más estudiada y madura. Este método utiliza vidrio soluble como materia prima y generalmente se puede dividir en tres pasos: preparación de ácido silícico activo, preparación de sol de sílice alcalino e intercambio catiónico. El proceso de preparación habitual es el siguiente: diluir vidrio soluble disponible comercialmente e intercambiarlo con una resina de intercambio catiónico para obtener ácido silícico activo; tratar el ácido silícico con una solución alcalina para alcalinizarlo y concentrar la solución de ácido silícico alcalino; concentrar para obtener un sol de sílice alcalino; finalmente, el sol de sílice alcalino se intercambia por cationes con una resina catiónica y se añade una cantidad apropiada de ácido para ajustarlo para obtener un sol de sílice ácido con un índice de acidez correspondiente.
Ya en 1941, American Bird mencionó en su invención de patente que el sol de sílice ácido se preparaba mediante el método de intercambio iónico, es decir, el metal alcalino en el silicato de sodio se intercambia con hidrógeno a través de una columna de intercambio catiónico de hidrógeno. el producto es un sol de sílice ácido de alta pureza con un valor de pH de 2,0 ~ 4,0. Después de eso, Albrecht y William L mejoraron el proceso de preparación del sol de sílice ácido de Bird y propusieron utilizar un lecho de resina mixta para producir un sol de sílice ácido que sea más adecuado para su uso.
En la década de 1980, la mayoría de los fabricantes de sol de sílice seguían el método de intercambio iónico para preparar sol de sílice ácido. Por ejemplo, la Hubei Daily Chemical Factory en Hubei, China, comenzó a desarrollar sol de sílice ácido en julio de 1985. Utilizaron un método de intercambio iónico para preparar sol de sílice ácido a partir de sol de sílice alcalino casero. El proceso específico es el siguiente: después de diluir y filtrar el sol de sílice alcalino requerido, agregar resina de intercambio catiónico de tipo hidrógeno con agitación. Cuando el valor del pH alcance 2~3, deje de agregar resina y permita que se reemplace por completo. El sol de sílice ácido preparado mediante el método anterior tiene un contenido de sílice superior al 10 %, un tamaño de partícula de 10 a 20 nm, un pH de 2 a 3 y un período estable de 3 a 6 meses.
Xu Nianqiang y otros envejecieron el ácido silícico activo preparado durante 24 a 48 horas, luego hicieron sol de sílice alcalino y luego usaron resina catiónica ácida fuerte para hacer sol de sílice ácido. Analizaron los efectos del valor de pH, el tamaño de las partículas de sílice y la concentración de sal de electrolito sobre la estabilidad del sol de sílice ácido. Enfatizaron que para preparar un sol de sílice ácido con alta concentración, alta estabilidad y baja viscosidad, el primer paso es. aumentar el tamaño de las partículas de sílice.
La ventaja del método de intercambio iónico es que se puede sintetizar sol de sílice con diferentes propiedades según diferentes combinaciones de procesos. La desventaja es que la concentración de silicato de sodio como material de partida no puede ser muy alta, lo que da como resultado. un largo proceso de concentración y un alto consumo de energía. Es necesario tratar una gran cantidad de aguas residuales generadas durante la regeneración de la resina de intercambio iónico.
1.2 Método de electrólisis y electrodiálisis
La preparación de sol de sílice mediante este método es un método electroquímico. El principio es que el silicato de sodio sufre una reacción de hidrólisis en solución acuosa:
na 2 H2 SiO 4+H2O→2Na ++ h3sio 4 –+ OH–
A medida que avanza la reacción, Los iones en el tanque migrarán direccionalmente bajo la acción del campo eléctrico, y los iones de impureza son filtrados por la membrana de intercambio iónico cuando la concentración de ácido silícico generado en la cámara del ánodo es mayor que su solubilidad, se producirá una reacción de policondensación; ocurren para generar sol de sílice. El sol de sílice correspondiente se puede obtener ajustando el valor del pH en el tanque. Al preparar sol de sílice usando este método, se debe prestar atención al control de la densidad de corriente, la temperatura y otras condiciones de reacción de la reacción de electrodiálisis.
El japonés OKETA YUTAKA menciona en su patente que el sol de sílice ácido desalado se prepara mediante electrodiálisis utilizando una membrana de intercambio iónico. Durante el proceso de preparación, se forman alternativamente una cámara de desalación y una cámara de concentración en el electrodializador, el ánodo y el cátodo se separan mediante membranas de intercambio aniónico y catiónico, y luego se realiza la electrodiálisis. La temperatura de la solución acuosa en la cámara de desalinización se mantiene entre 5 y 20°C.
El método de electrodiálisis por electrólisis utiliza ácido para neutralizar la solución acuosa de silicato de sodio y luego dializa los iones de sodio a través de una membrana semipermeable después del envejecimiento. La desventaja de este método es que el tiempo de diálisis es demasiado largo y no es adecuado para la producción industrial.
1.3. Método de dispersión
Este método es un método físico para preparar sol de sílice dispersando mecánicamente partículas de sílice en agua. Los pasos específicos son los siguientes: pesar una cierta cantidad de agua desionizada, agregarla a un vaso de plástico y fijarlo en el dispersor de alta velocidad. Inicie el dispersor de alta velocidad y agregue continuamente una cierta cantidad de polvo de sílice pirógena en la taza. Después de agregar polvo de SiO _ 2, agregue una cierta cantidad de agua desionizada para ajustar la velocidad de dispersión de alta velocidad. Después de un cierto período de tiempo, se obtiene la dispersión de agua de SiO _ 2. Después de envejecer la dispersión acuosa de sílice durante la noche, dispersarla a alta velocidad y agregar aditivos. Continúe dispersándola a alta velocidad durante varias horas y luego fíltrela con un tamiz de malla 300 para obtener un sol de sílice con buen rendimiento.
El sol de sílice ácido Fu Chaochun preparado mediante este método puede reemplazar eficazmente los microorganismos en el tratamiento de estiércol y basura humanos y animales, y puede eliminar olores y preparar fertilizantes orgánicos de alta eficiencia. El proceso específico es el siguiente: coloque una cierta concentración de ácido sulfúrico y dispersante SiO2 por debajo de 200 mesh en un recipiente de plástico y revuelva, use hidróxido de sodio para ajustar el valor de pH a 2-4, use una placa de metal como electrodo; fuente de alimentación rectificada y colóquela en un recipiente de plástico Encienda el medio; aplique voltaje de 100 V, encienda 450 mA, tiempo de 2 a 5 minutos, corte la energía del rectificador, agite por un período de tiempo, deje de revolver cuando el El reactivo se vuelve gelatinoso. El contenido de sílice en el sol de sílice ácido preparado mediante este método es del 25% al 35% y el tamaño de partícula es de 1 a 12 nm.
Dado que el sol de sílice ácido preparado mediante este método tiene usos especiales y no considera el impacto de iones de impureza como Na+ y SO42- en su pureza, este método generalmente no es adecuado para la preparación de sílice ácida. Sol.
1.4. Método de oxidación térmica de silicio monocristalino
Las investigaciones muestran que el crecimiento del óxido de silicio térmico suele ocurrir en un tubo de cuarzo entre 900 ~ 1200 °C, o en un lugar seco. se lleva a cabo en condiciones de oxígeno, o en condiciones de oxígeno húmedo que contiene vapor de agua, o en el vapor formado al hacer pasar oxígeno seco y nitrógeno gaseoso a través de agua casi hirviendo. Según los datos, el silicio elemental se oxida más rápidamente en una atmósfera de oxígeno húmedo o de vapor que en oxígeno seco. La reacción total de oxidación térmica es:
Silicio + oxígeno (gas) → dióxido de silicio silicio + 2H2O (gas) → dióxido de silicio + 2H2 (gas)
En el proceso de oxidación seca En , domina la primera reacción, mientras que en los procesos de oxidación húmeda domina la segunda reacción.
2. Estudio de la estructura micelar y estabilidad del sol de sílice ácido.
Mi país inició la investigación y producción de sol de sílice ya en 1958. Por ejemplo, el Instituto de Coordinación de Química de la Universidad de Nanjing, el Instituto de Investigación de Ingeniería Química de Lanzhou Chemical Company, la Planta Química Marina de Qingdao, etc. Todos están involucrados en investigación y desarrollo relacionados, pero las variedades y la producción están lejos de las del extranjero, especialmente la proporción de sol de sílice ácido-base no es razonable. Esta situación no mejoró hasta los años 1980. El sol de sílice ácido se encuentra en un estado metaestable y se gelificará gradualmente durante la colocación. El período de estabilidad es generalmente de 3 a 6 meses, que es más corto que el del sol de sílice alcalino. Por lo tanto, cómo mejorar la estabilidad del sol de sílice ácido se ha convertido en una preocupación para muchos investigadores.
2.1. Estructura coloidal del sol de sílice ácido
El sol de sílice ácido, también conocido como hidrosol de ácido silícico, es una solución coloidal de partículas de SiO2_2 de alto peso molecular dispersas en agua. y no tóxico La fórmula molecular se puede expresar como MSIO_2·NH2O (donde: m, n es muy grande, m
La estructura micelar se muestra en la Figura 1: Cuando A+ es un ion metálico como. n A+, se expresa como un sol de sílice alcalino; cuando A+ es H+, representa un sol de sílice ácido. Durante el movimiento, las partículas coloidales compuestas por el núcleo coloidal y la capa de adsorción se mueven en su conjunto, provocando la capa de difusión y la. electrolito circundante para formar un equilibrio dinámico para mantener la estabilidad del sol de sílice
2.2 Factores que afectan la estabilidad del sol de sílice ácido
2.2.1. estabilidad del sol de sílice ácido
La estabilidad del sol de sílice y el valor de pH La estrecha relación entre Cuando el valor está entre 2 y 10, el potencial zeta de las partículas es negativo Cuando el valor de pH es inferior. 2, el potencial zeta de las partículas es positivo; el potencial "0" cuando el valor de pH está en el rango de 8,5 a 10. Es la zona estable cuando el pH > gt10, las partículas de sol de sílice se disuelven. silicato; cuando el pH es inferior a 4, es la zona metaestable; cuando el pH = 2, es el estado metaestable más alto.
De acuerdo con las características del sol de sílice de alta pureza preparado, ajustar el valor de pH del sol de sílice a aproximadamente 2,5 puede mantener el sol en un estado metaestable alto y puede almacenarse a temperatura ambiente durante 2 años sin gelificarse. Una de las principales manifestaciones de la inestabilidad del sol de sílice es la gelificación.
Jia Guangyao y otros mencionaron que la dinámica sol-gel se puede controlar artificialmente. Descubrieron que la viscosidad, el potencial zeta y el proceso de gelificación del sol de sílice están estrechamente relacionados con el valor del pH, y que el proceso de gelificación ocurre entre pH 4-7.
2.2.2 La influencia de los electrolitos en la estabilidad del sol de sílice ácido
Los electrolitos también tienen una cierta influencia en la estabilidad del sol de sílice, que está estrechamente relacionada con el valor del pH. Dado que los iones liberados por las sales interactúan con las cargas superficiales del sol de sílice se combinan y los contraiones que ingresan a la capa densa aumentan, lo que hace que la capa de dispersión sea más delgada cuando la concentración de electrolito aumenta a un cierto nivel, el espesor de la capa de dispersión; se vuelve cero, provocando agregación y gelificación de partículas. El grado de gelificación está relacionado con el tipo, concentración y temperatura del electrolito utilizado. Se informa que a pH J.L. Trompette et al. propusieron que el sol de sílice concentrado se gelifica fácilmente a pH 9,8 cuando están presentes dos iones compensadores diferentes, y se estudió la cinética del gel. Los resultados muestran que las propiedades iónicas tienen una influencia importante en la cinética de polimerización y la microestructura del gel durante la transición sol-gel. Esto se debe a las diferentes concentraciones críticas de condensación bajo la influencia de diferentes electrolitos.
Xu Nianqiang y otros creen que solo cuando el tamaño de las partículas de SiO2 es relativamente pequeño, la estabilidad del sol de sílice se ve afectada por la concentración de la sal del electrolito. A medida que aumenta el tamaño de las partículas de SiO2, la concentración de la sal del electrolito afecta la estabilidad del sol de sílice. estabilidad del sol de sílice. La influencia se debilita. Cuando el contenido de sal en el sol de sílice se reduce a un cierto valor, la concentración de sal de electrolito no se convertirá en cierto grado en el principal factor de influencia en la preparación de sol de sílice ácido.
Cuando Yang Jing y otros estudiaron los efectos del tipo de catalizador, la temperatura de reacción, el tiempo de reacción, los aditivos y otros factores sobre el rendimiento del sol de sílice, analizaron la influencia del tipo de electrolito. En las mismas condiciones que [H+], el efecto del catalizador ácido sobre la viscosidad del sol de sílice es el siguiente: HF y gtHCl y ácido gtnítrico y gtH2SO4 y gtHAc, y el efecto sobre el tiempo de gel es: HAc > H2SO4 y gtHCl y ácido gtnítrico y gtHF, el contenido sólido de varios soles es: h2so 4 >; ácido nítrico & gtHCl & gtHAc, ácido clorhídrico o ácido nítrico es adecuado para preparar películas de sílice a partir de sol de sílice como catalizador.
2.2.3. Efecto del tamaño de partícula sobre el sol de sílice ácido
El tamaño de partícula es otro factor importante que afecta la estabilidad del sol de sílice. Cuando el diámetro de las partículas de sol de sílice está dentro de un cierto rango, cuanto más uniforme sea el tamaño de las partículas, más estrecho será el rango de distribución y mejor será la estabilidad.
Al estudiar el efecto del tamaño de las partículas en el sol de sílice ácido, Xu Nianqiang y otros mencionaron que a una determinada concentración, la relación entre la estabilidad del sol de sílice ácido y el tamaño de las partículas de SiO2_2 muestra una "S" oblicua. forma, es decir, en tamaños de partículas pequeños, la estabilidad del sol de sílice es relativamente baja, pero a medida que aumenta el tamaño de las partículas, la estabilidad del sol de sílice aumenta rápidamente. En el rango de tamaño de partículas de 10 ~ 20 nm, la estabilidad del sol de sílice. es similar al del sol de sílice. El tamaño de las partículas es aproximadamente proporcional.
Algunos estudiosos han descubierto que controlar el tamaño de partícula del sol de sílice dentro del rango de 10 a 15 nm no solo puede simplificar el proceso, sino también mantener la estabilidad del sol de sílice de alta pureza.
Además, a medida que aumenta el radio de las partículas de sílice, disminuirá la reactividad de los grupos hidroxilo en la superficie de las partículas de sílice, disminuirá el área superficial específica de las partículas coloidales y la La energía de adsorción de las partículas coloidales disminuirá, de modo que las partículas grandes La fuerza de adsorción de las partículas pequeñas se reduce, razón por la cual el sol de sílice ácido de partículas grandes es más estable que el sol de sílice de partículas pequeñas.
Además, al preparar sol de sílice, Janne Puputti y otros sustituyeron parte del agua por etanol, mejorando su estabilidad tres veces. Anna Schantz Zackrisson y otros utilizaron el método de interferencia y la dispersión de rayos X de ángulo pequeño con resolución temporal para estudiar el proceso de polimerización y gelificación en el sistema de dispersión de sol de sílice y analizaron la influencia de la fuerza iónica en el punto crítico del gel.