純硅酸溶液的聚合行為

何龍超，李遼沙

（安徽工業大學a.安徽省冶金工程與資源綜合利用重點實驗室；b.冶金減排與資源綜合利用教育部重點實驗室，安徽馬鞍山243002）

純硅酸溶液的聚合行為

何龍超a,b，李遼沙a,b

（安徽工業大學a.安徽省冶金工程與資源綜合利用重點實驗室；b.冶金減排與資源綜合利用教育部重點實驗室，安徽馬鞍山243002）

以純硅酸溶液為研究體系，采用紫外/分光光度儀、傅立葉紅外光譜儀(FT-IR)分別表征溶液吸光度與凝膠基團，探究純硅酸溶液的聚合行為，探討實驗條件對純硅酸膠凝時間的影響。結果表明：在沒有金屬離子的干擾下，純硅酸溶液膠凝曲線最高點出現在pH=1.10附近，pH升高，導致硅酸溶膠的形成速率減小，引起溶液吸光度增加；pH＜2.27時，隨著pH升高，純硅酸聚合的氧聯作用所占比例增加,聚合活化能升高，pH＞2.27時，聚合以氧聯作用為主，活化能保持在最大值；隨著pH升高，純硅酸凝膠中Si-O-Si反對稱收縮振動吸收峰發生紅移，是由膠體結構單元[SiO4]4+聚合度的降低導致。

純硅酸溶液；活化能；膠體；凝膠；聚合

國內外學者針對硅酸溶液的聚合研究已近百年，最為著名的是硅酸聚合理論[1-3]，系統闡明了含堿金屬離子硅酸溶液的2種聚合機制。Dobrzyński[4]，Spadini等[5]研究了Al3+與硅酸之間的配位絡合作用；Oncsik等[6]、許韻華等[7]研究了不同多價金屬離子對硅酸聚合機制的影響，認為在較低pH下金屬離子對硅酸聚合的影響以靜電作用為主，而在較高pH下以化學作用為主；Novikovadeng等[8]、Shabanova等[9]研究了堿金屬離子對硅酸溶液聚合的影響。上述研究中主要采用SiO2·nNa2O酸化法獲得硅酸溶液，此法獲得的硅酸溶液屬含金屬離子的非純體系，其研究結論存疑。原因在于硅酸分子的聚合度隨硅酸鈉模數不同而變化[10]，并且溶液中Na+對硅酸溶液聚合行為的影響是無法排除的。而國內外對純硅酸溶液聚合行為的研究報道較少，因此探索純硅酸溶液聚合行為對豐富“硅酸聚合理論”具有重要意義。

文中依托《一種不含金屬離子的高純硅溶膠的制備方法》發明專利[11]，采用酸化硅酸鈣的方法制備純硅酸溶液，研究pH對純硅酸溶液的膠凝時間、吸光度、聚合活化能、凝膠基團的影響，探討pH等對純硅酸聚合的活化能及其與純硅酸溶液聚合規律的內在關系，以期豐富硅酸溶液的聚合理論。

1 實 驗

1.1 試劑、儀器

試劑：濃硫酸、濃氨水、鉬酸銨、濃鹽酸、二次蒸餾水，以上試劑均為分析純；自制的不含堿金屬離子的純硅酸溶液[11]。

儀器：PHS-2C精密pH計(上海般特儀器有限公司，每次使用前均使用標準溶液校正）；DZF-6210真空干燥箱(上海恒科技有限公司)；HJ-3A恒溫磁力攪拌器(上海梅穎浦儀器制造有限公司)，HH-2恒溫水浴鍋(常州國華電器廠)；Nicolet6700傅立葉紅外光譜儀(美國Nicolet公司)，SPECORD200紫外/分光光度儀(德國耶拿公司)。

1.2 實驗方法

1)根據文獻[11]，采用硫酸酸化水淬硅酸鈣的方法制備純硅酸溶液。

2)量取200 mL步驟1)中制備的純硅酸溶液，用氨水溶液(1.5 mol/L)調節硅酸溶液pH，并均分為5份，放在帶膠塞的試管中，分別置于30，35，40，45，50℃恒溫水浴鍋中。

3)重復步驟2)，制備不同pH的純硅酸溶液，pH范圍是0.65～3.55。記錄硅酸溶液從開始到膠凝的時間(參照文獻[12]的方法)。上述樣品同時制備2組，一組用于測定膠凝時間，另一組用于膠凝過程取樣，采用“硅鉬黃比色法”[1]測定純硅酸溶液吸光度。

4)膠凝結束后，反復“抽濾-水洗”清洗凝膠，直至濾液為中性為止。

5)將凝膠放至真空干燥箱中，在120℃下保溫12 h，采用Nicolet6700傅立葉紅外光譜儀分析不同條件下純硅酸凝膠基團變化。

2 實驗結果及分析

2.1 pH對純硅酸溶液膠凝時間的影響

以硅酸溶液膠凝時間t的對數logt為縱坐標，pH為橫坐標繪制純硅酸溶液的膠凝曲線。50℃下純硅酸溶液的膠凝曲線如圖1。從圖1可以得出，pH在0.65～3.55范圍內，純硅酸溶液膠凝曲線最高點，即純硅酸溶液穩定性最佳出現在pH=1.10附近，這與Mal’kova[13]認為強酸溶液中膠凝曲線的最高點出現在pH為2～3之間有較大不同。純硅酸溶液膠凝曲線最高點對應pH顯著減小，因為實驗中采用的硅酸溶液為自制的不含堿金屬離子的純硅酸溶液，排除了采用酸化硅酸鈉的辦法制得的硅酸溶液中大量鈉離子的干擾。

在硅酸溶液體系中，隨著溶液pH降低，H+濃度的增加，硅酸分子應存在質子化過程，如反應式(1)[14]。用酸化硅酸鈉的辦法制得的硅酸溶液中存在大量鈉離子，其與硅酸膠體羥基存在反應，如反應式(2)[15]。

其中SiOS-OH代表硅酸溶液中硅膠分子。根據文獻[3]，硅酸溶液膠凝曲線的最高點出現在濃度等于濃度的pH下，即與的等電點。由酸化硅酸鈉獲得的硅酸溶液中，由于反應式(2)的存在，提高了溶液中H+濃度，促進硅酸溶液中硅酸分子的質子化過程，即反應式(1)，利于溶液中的生成以及抑制的生成。導致酸化硅酸鈉獲得的硅酸溶液中與的等電點對應pH增加，相應硅酸溶液膠凝曲線的最高點對應的pH增大，體現在純硅酸溶液膠凝曲線上，即純硅酸溶液膠凝曲線的最高點對應的pH小于酸化硅酸鈉獲得的硅酸溶液膠凝曲線最高點對應的pH。這就是純硅酸溶液與含堿金屬離子硅酸溶液聚合規律不同的本質原因，由此也證明，硅酸溶液中的金屬離子對其聚合行為有明顯影響，這也與傳統的認知不一致。

2.2 pH、反應時間對純硅酸溶液吸光度的影響

圖2是pH=1.00，2.00時，采用“硅鉬黃比色法”測定的不同反應時間下純硅酸溶液吸光度。由圖2可知，隨著時間的增加，溶液的吸光度不斷減小，且pH=2.00時的吸光度大于pH=1.00時的吸光度。

純硅酸溶液的吸光度正比于硅酸溶液中單硅酸分子的濃度[1]，通過比較吸光度的變化能夠判定單硅酸分子濃度的變化。因此從圖2可以得出，隨著時間的增加，純硅酸溶液中單硅酸分子的濃度不斷減小，而反應過程中，pH=2.00的樣品中單硅酸分子濃度大于pH=1.00樣品中單硅酸分子的濃度，由此表明，硅酸分子聚合形成溶膠的速率隨pH升高而降低，形成溶膠時間因此增加。硅酸溶液形成硅酸凝膠的過程包含硅酸分子聚合形成溶膠及溶膠形成凝膠的兩個階段，故此硅酸溶液的膠凝時間包含硅酸分子聚合形成溶膠的時間和溶膠形成凝膠的時間。結合圖1，純硅酸溶液的膠凝時間在pH=1.00時大于pH=2.00時。因此，純硅酸溶膠形成凝膠的時間隨pH的升高而縮短。綜合上述分析，認為：pH升高，降低單硅酸分子聚合長大形成硅酸溶膠的速率，而增大溶膠形成凝膠的速率。

2.3 pH對純硅酸聚合活化能的影響

圖3為純硅酸溶液在不同溫度下的膠凝曲線。從圖3可得出，隨著溫度的升高，純硅酸溶液的膠凝時間顯著減小，膠凝曲線最高點對應的pH變化不大。

表1是根據不同pH下硅酸溶液聚合活化能(Ea)計算公式，式(3)[2]，計算得出的不同pH下純硅酸聚合的活化能。

式中：K是膠凝時間的對數logt與熱力學溫度(T)的倒數組成的直線的斜率；R為氣體常數。

表1 不同pH值下純硅酸聚合的活化能Tab.1 Polymerization activation energy of pure silicic acid solution at different pH values

由表1得出：pH在0.65～2.27范圍內，純硅酸聚合的活化能隨著體系pH升高而增加，硅酸分子聚合跨越的能壘增加導致硅酸分子聚合長大形成硅酸溶膠的速率降低，這與本文2.2中得出結論相符；純硅酸溶液聚合的活化能在pH為2.27～3.55時保持在最大值，活化能對形成溶膠的速率影響可以忽略，而膠凝時間隨著pH的升高而減小，進一步說明溶膠形成凝膠的時間隨pH的升高而縮短。

純硅酸聚合活化能隨pH的變化而改變，可以采用有鹽體系中硅酸溶液聚合的機理解釋[2]。硅酸分子聚合過程中存在氧聯作用和羥聯作用，羥聯作用本質是硅酸分子配位數的增加，反應易進行。而氧聯作用涉及羥基的斷裂，對應活化能較大，而隨著pH升高，純硅酸聚合過程中氧聯作用占的比例升高，相應純硅酸聚合的活化能升高，當pH＞2.27時，聚合以氧聯作用為主，純硅酸聚合的活化能保持在最大值。

結合圖2可知，pH＜1.10時，純硅酸溶液的膠凝時間由形成硅酸溶膠的過程決定，隨著pH的升高膠凝時間增加；pH＞1.10時，膠凝時間由溶膠形成凝膠的過程決定，隨著pH的升高硅酸溶膠形成凝膠的速率增加，膠凝時間減??；pH=1.10時，形成硅酸溶膠與溶膠形成凝膠兩個階段對膠凝時間影響相互抵消，膠凝時間最長。

2.4 pH對純硅酸凝膠基團的影響

圖4是不同pH下純硅酸體系凝膠紅外譜圖。圖中波數965 cm-1對應Si-OH的彎曲振動，799 cm-1對應Si-O鍵的對稱收縮振動，1 080 cm-1對應的是Si-O-Si反對稱收縮振動，3 474 cm-1對應凝膠內的毛細孔水、結構水中O-H鍵的反對稱收縮振動[16-18]。

隨著pH的升高，Si-O-Si反對稱收縮振動吸收峰由1 084 cm-1變為1 073 cm-1。pH升高抑制形成純硅酸溶膠過程，導致溶膠聚沉中膠體顆粒減小，膠體結構單元中[SiO4]4+聚合度降低，引起Si-O-Si反對稱收縮振動吸收峰向低波數方向移動[19]。這也從另一方面說明pH升高，抑制單硅酸分子聚合長大形成硅酸溶膠的過程，促進溶膠形成凝膠的過程。

3 結 論

研究pH對純硅酸膠凝時間、吸光度、聚合活化能、凝膠產物基團的影響，發現：由于沒有鈉離子的干擾，純硅酸溶液膠凝曲線最高點出現在pH=1.10附近；pH升高，導致硅酸溶膠的形成速率減小，引起溶液吸光度增加；pH＜2.27時，隨著pH升高，純硅酸聚合的氧聯作用所占比例增加,聚合活化能升高，pH＞2.27時，聚合以氧聯作用為主，活化能保持在最大值；純硅酸凝膠中Si-O-Si反對稱收縮振動吸收峰發生紅移，是由膠體結構單元[SiO4]4+聚合度的降低導致。

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責任編輯：何莉

Polymerization Behavior of Pure SilicicAcid Solution

HE Longchaoa,b,LI Liaoshaa,b
(a.Anhui Provincial Key Laboratory of Metallurgical Engineering&Resources Recycling;b.Key Laboratory of Metallurgical Emission Reduction&Resources Recycling of Ministry of Education,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002,China)

Taking the pure silicic acid solution as research system,the absorbance of pure silicic acid solution and the functional groups of the silica gel were separately characterized by spectrophotometer and IR spectra.The polymerization behavior of pure silicic acid solution was studied,and the effect of experimental conditions on its gel time was investigated.It shows that the maximum gel time of pure silicic acid occurs at pH=1.10.The formation rate of silicic acid sol decreases with the increasing of pH value.The polymerization activation energy of pure silicic acid increases with the pH value rising as pH＜2.27 and keeps to a maximum as pH＞2.27.The structural unit of pure silicic acid sol particles is[SiO4]4+and the polymerization degree of[SiO4]4+decreases with the increasing of pH value.The antisymmetric vibration absorption peak of Si-O-Si moves to lower wavenumbers for the polymerization degree decrease.

pure acid solution;activation energy;colloid;gel;polymerization

TQ219

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.04.009

2015-03-05

安徽省科技廳項目(1506c085003)；2014年馬鞍山市科技計劃

何龍超(1987-)，男，河北定州人，碩士生，研究方向為冶金二次資源綜合利用。

李遼沙(1957-)，男，安徽霍丘人，博士，教授，研究方向為冶金二次資源高效利用。

1671-7872(2015)-04-0343-05