이온 교환은 일반적으로 강산성 양이온 교환 수지를 사용하여 희석된 물유리와 이온 교환을 수행하여 물유리 내의 나트륨 이온 및 기타 양이온 불순물을 제거하여 폴리규산 용액을 제조합니다. 그런 다음 음이온 교환 수지를 사용하여 이온 교환을 수행하여 용액의 음이온 불순물을 제거하여 고순도 폴리 규산 용액을 얻습니다. 이때 얻어지는 폴리규산 용액은 안정성이 낮고 약산성이다. 소량의 NaOH나 기타 시약을 안정제로 사용하여 용액의 pH 값을 8.5~10.5의 알칼리성 범위로 조절할 수 있다. 필요한 경우 저온(4~10°C)에서 보관되는 졸 용액의 안정한 영역입니다.
1. 산성 실리카졸의 제조과정
1.1. 이온 교환 방법
이 방법은 현재 가장 많이 연구되고 기술적으로 성숙한 준비 과정입니다. 이 방법은 물유리를 원료로 사용하며 일반적으로 활성 규산 제조, 알칼리 실리카졸 제조 및 양이온 교환의 세 단계로 나눌 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 제조 공정은 다음과 같습니다. 시판되는 물유리를 양이온 교환 수지로 희석하고 교환하여 활성 규산을 얻고, 규산이 알칼리성이 될 때까지 알칼리 용액으로 처리한 다음 알칼리성 규산 용액을 만듭니다. 가열 및 응축하여 알칼리성 실리카졸을 얻고, 최종적으로 알칼리성 실리카졸을 양이온 교환용 양이온 수지에 통과시키고, 적절한 양의 산을 첨가하여 해당 산가를 갖는 산성 실리카졸을 얻는다.
이미 1941년에 American Bird는 그의 특허 발명에서 이온 교환 방법을 사용하여 산성 실리카 졸을 제조한다고 언급했습니다. 즉, 물유리 용액을 수소형 양이온 교환 컬럼을 통과시켜 물유리 속의 알칼리 금속을 제거하고 수소와 교환한 후 pH 2.0~4.0의 고순도 산성 실리카졸을 생성합니다. 그 후 Albrecht와 William L은 산성 실리카 졸을 제조하는 Bird의 공정을 개선하고 혼합 수지 베드를 사용하여 사용하기에 더 적합한 산성 실리카 졸을 생산할 것을 제안했습니다.
1980년대 대부분의 실리카졸 제조업체는 산성 실리카졸을 제조하기 위해 이온교환법을 따랐습니다. 예를 들어, 국내 후베이 화일화학 공장은 1985년 7월부터 산성 실리카 졸을 개발하기 시작했습니다. 그들은 자체 생산된 알칼리성 실리카 졸로부터 산성 실리카 졸을 제조하기 위해 이온 교환 방법을 사용했습니다. 구체적인 공정은 다음과 같습니다: 필요한 알칼리를 첨가한 후 희석합니다. 실리카졸을 여과한 후 수소양이온교환수지를 첨가하고 교반하면서 pH가 2~3이 되면 첨가를 중단하고 완전히 교환될 때까지 방치한다. 상기 방법으로 제조된 산성 실리카졸은 이산화규소 함량이 10 이상, 입자크기가 10~20nm, pH가 2~3, 안정기간이 3~6개월이다.
서년치앙(Xu Nianqiang) 등은 제조된 활성 규산을 24~48시간 동안 숙성시킨 후 알칼리성 실리카 졸을 만든 뒤 이를 강산성 양이온 수지와 결합해 산성 실리카 졸을 얻었다. 그들은 산성 실리카 졸의 안정성에 대한 pH, 실리카 입자 크기 및 전해질 염 농도의 영향을 분석했으며, 고농도, 고 안정성, 저점도의 산성 실리카 졸을 제조하기 위해서는 실리카 입자의 입자 크기가 반드시 필요함을 강조했습니다. 먼저 증가합니다.
이온교환법의 장점은 다양한 공정 조합에 따라 서로 다른 특성을 지닌 실리카졸을 합성할 수 있다는 점이다. 단점은 출발물질인 물유리의 농도가 그다지 높지 않아 결과적으로 농축 공정이 길고 에너지 소모가 크다. 또한, 이온교환수지 재생 시 발생하는 폐수를 다량으로 처리해야 한다.
1.2 전기분해 및 전기투석법
이 방법은 실리카졸을 제조하는 전기화학적 방법이다. 원리는 규산나트륨이 수용액에서 가수분해 반응을 겪는다는 것입니다.
Na2H2SiO4 H2O→2Na H3SiO4– OH–
반응이 진행됨에 따라 탱크 내의 이온이 작용을 받습니다. 전기장의 방향으로 이동하고 이온 교환막에 의해 불순물 이온이 필터링됩니다. 양극 챔버에서 생성된 규산의 농도가 용해도보다 높을 때 중축합 반응이 일어나 실리카 졸을 생성합니다. 해당 실리카졸은 탱크의 pH를 조정하여 얻을 수 있습니다. 이 방법으로 실리카졸을 제조할 때에는 전기투석반응의 전류밀도, 온도 및 기타 반응조건을 조절하는데 주의가 필요하다.
일본의 OKETA YUTAKA는 특허에서 이온교환막 전기투석법을 이용하여 탈수산성 실리카졸을 제조한다고 언급하고 있다. 준비 과정에서 전기투석기에는 탈염실과 농축실이 교대로 형성되며, 음이온과 양이온 교환막으로 양극과 음극을 분리한 후 전기투석을 진행한다. 담수화실의 수용액 온도는 5~20°C로 유지됩니다.
전기분해 전기투석법은 산을 이용해 규산나트륨 수용액을 중화시킨 후, 반투막을 통해 나트륨 이온을 투석시키는 방식이다. 이 방법의 단점은 투석에 필요한 시간이 너무 길고 산업 생산에 적합하지 않다는 것입니다.
1.3. 분산 방법
이 방법은 기계를 사용하여 SiO2 입자를 물에 분산시켜 실리카졸을 제조하는 물리적 방법입니다. 구체적인 단계는 다음과 같습니다. 일정량의 탈이온수를 측정하여 플라스틱 컵에 넣고 고속 분산기에 고정합니다. 고속 분산기를 시작하고 일정량의 기상 SiO2 분말을 컵에 지속적으로 추가합니다. SiO2 분말을 첨가한 후 일정량의 탈이온수를 첨가하고 고속 분산 속도를 조절하고 일정 시간이 지나면 SiO2 수분산액을 얻습니다. SiO2 수분산액을 밤새 숙성시킨 후 고속으로 분산시키고 첨가제를 첨가하여 몇 시간 동안 계속해서 고속으로 분산시켜 성능이 좋은 실리카졸을 얻으십시오.
이 방법을 이용해 푸차오춘이 제조한 산성 실리카졸은 사람, 가축, 가금류의 분뇨 및 쓰레기 처리용 미생물을 효과적으로 대체할 수 있으며, 악취를 제거하고 고효율 유기비료를 제조할 수 있다. 구체적인 공정은 다음과 같습니다. 일정 농도의 황산과 분산제 SiO2를 플라스틱 용기에 넣어 교반하고, NaOH를 사용하여 pH를 2~4로 조정하고, 이를 전극으로 사용합니다. 플라스틱 용기에 전기를 가하고 100V의 전압과 450mA의 전류를 2~5분간 가하고 반응물이 일정 시간 동안 교반되면 교반을 멈춥니다. 젤라틴 같은. 이 방법으로 제조된 산성 실리카졸 내 SiO2의 함량은 25~35Å이고, 입자크기는 1~12nm이다.
이 방법으로 제조된 산성 실리카졸은 특수한 목적으로 사용되기 때문에 Na, SO42- 등 특정 불순물 이온이 순도에 미치는 영향을 고려하지 않습니다. 산성 실리카 졸에 적합합니다. 이 제제는 보편적으로 적용되지 않습니다.
1.4. 원소 실리콘의 열 산화 방법
연구에 따르면 실리콘의 열 산화물 성장은 일반적으로 건조한 산소 조건 또는 습한 산소가 포함된 조건에서 900~1200°C 사이의 석영 튜브에서 수행됩니다. 수증기의 산소 조건 또는 거의 끓는 물에 의해 형성된 증기를 통해 건조한 산소와 질소를 통과시킴으로써. 데이터에 따르면, 원소 실리콘의 산화는 건조한 산소보다 습한 산소나 수증기 분위기에서 더 빠르게 진행됩니다. 열산화의 전체 반응은 다음과 같습니다.
Si O2(가스) → SiO2 Si 2H2O(가스) → SiO2 2H2(가스)
건식 산화 공정에서 첫 번째 반응은 다음과 같습니다. 우세한 위치를 차지하는 반면, 습식 산화 공정에서는 두 번째 반응이 우세한 위치를 차지합니다.
2. 산성 실리카 졸의 미셀 구조 및 안정성에 관한 연구
우리나라에서는 이미 1958년부터 남경대학교 배위화학연구소, 화학공학연구소 등에서 실리카졸의 개발과 생산을 시작했습니다. 란저우화공회사, 청도해양화학공장 등은 모두 관련 연구개발에 종사하고 있으나 품종과 생산량이 외국에 크게 뒤떨어져 있으며 특히 산성 및 알칼리성 실리카졸의 비율이 불합리하다. 1980년대에는 좋아졌다. 산성 실리카졸은 준안정 상태이며 배치하는 동안 점차 겔화됩니다. 안정성 기간은 일반적으로 3~6개월로 알칼리성 실리카졸보다 짧습니다. 따라서 산성 실리카졸의 안정성을 어떻게 향상시킬 것인가가 많은 연구자들의 관심사가 되었다.
2.1. 산성 실리카 졸의 미셀 구조
규산 하이드로졸로도 알려진 산성 실리카 졸은 중합체 SiO2 입자가 물에 분산되어 있는 콜로이드 용액입니다. 분자식은 무취입니다. mSiO2·nH2O(식에서 m, n은 매우 크고, mlt; lt; n)로 표현되며, 외관은 유백색의 반투명 액체이다. 실리카졸 입자의 내부 구조는 실록산 결합(-Si-O-Si)이며, 표면층은 많은 실록사놀기(-SiOH)와 수산기(-OH)로 덮여 있습니다. 실리카졸의 SiO2 입자 표면에는 수산기가 많고 반응성이 크기 때문에 섬유, 고무, 세라믹, 코팅, 정밀 주조, 내화물, 제지, 석유화학, 전자 및 기타 산업 분야에서 널리 사용됩니다.
미셀 구조는 그림 1에 나와 있습니다. A가 Na와 같은 금속 이온인 경우 알칼리성 실리카 졸을 나타내고, A가 H인 경우 산성 실리카 졸을 나타냅니다. 이동 중에 콜로이드 코어와 흡착층으로 구성된 콜로이드 입자가 전체적으로 이동하게 되어 확산층과 주변 전해질이 동적 균형을 이루어 실리카졸의 안정성을 유지할 수 있게 된다.
2.2 산성 실리카 졸의 안정성에 영향을 미치는 요인
2.2.1. pH가 산성 실리카 졸의 안정성에 미치는 영향
실리카 졸의 안정성과 pH 이들 사이의 긴밀한 관계는 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 낮은 pH(lt; 2.0) 영역에서는 중간 pH(2lt; pHlt; 4) 영역에서 pH가 증가함에 따라 졸 안정성이 약간 증가하며 산성 실리카 졸은 상대적으로 넓은 준안정 영역은 산성 실리카 졸을 제조할 수 있는 현실적인 기반을 제공합니다. pH가 5~6 범위에 가까우면 실리카 졸의 안정성이 급격히 감소합니다.
Wang Shaoming 등은 pH가 실리카졸의 안정성과 직접적인 관련이 있다고 믿고 있습니다. 실리카졸의 pH가 2와 10 사이이면 입자의 ξ 전위는 음이고, pH가 2 미만이면 입자의 ξ 전위는 pH=2인 것으로 측정되었습니다. "0" 전위; pH가 8.5에서 10 사이이면 안정 구역이고, pHgt가 10이면 실리카 졸 입자가 pH 4 미만이면 준안정 구역입니다. pH=2, 가장 높은 준안정 상태입니다. 제조된 고순도 실리카졸의 특성상 실리카졸의 pH를 2.5 내외로 조절하면 졸을 높은 준안정 상태로 유지할 수 있으며 겔화 현상 없이 상온에서 2년 동안 보관이 가능하다. 실리카졸의 불안정성의 주요 징후 중 하나는 겔화입니다.
Jia Guangyao 등은 졸-겔 역학이 인위적으로 제어될 수 있다고 언급했습니다. 연구를 통해 실리카졸의 점도, ξ 전위, 겔화 과정이 pH와 밀접한 관련이 있다는 사실을 발견했습니다. 겔화 과정은 pH 4~7 사이에서 발생합니다.
2.2.2 전해질이 산성 실리카 졸의 안정성에 미치는 영향
전해질도 실리카 졸의 안정성에 일정한 영향을 미치며 pH와 밀접한 관련이 있습니다. 염은 이온을 방출하고 실리카졸의 표면 전하와 결합하기 때문에 치밀층으로 들어가는 반대 이온이 증가하여 전해질 농도가 일정 수준까지 증가하면 분산층의 두께가 0이 됩니다. 입자가 응집되어 겔화됩니다. 겔화 정도는 사용된 전해질의 유형, 농도, 온도 및 기타 요인과 관련됩니다. pH 3.5에서 전해질은 실리카졸의 안정성에 상대적으로 거의 영향을 미치지 않는 것으로 보고되었습니다.
J. L. Trompette 등은 두 가지 서로 다른 보상 이온이 있을 때 농축된 실리카 졸이 pH 9.8에서 겔화되는 경향이 있다고 제안했으며 겔 동역학을 연구했습니다. 결과는 이온 특성이 졸-겔 전이 동안 중합 동역학과 겔 미세 구조에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이는 다양한 전해질의 영향으로 임계 응축 농도가 다르기 때문입니다.
Xu Nianqiang 등은 SiO2 입자의 입자 크기가 상대적으로 작은 경우에만 실리카 졸의 안정성이 큰 전해질 염 농도에 의해 영향을 받는다고 믿고 있습니다. 실리카졸의 안정성에 대한 효과가 약해집니다. 실리카졸의 염 함량이 특정 값으로 감소되면 전해질 염 농도는 산성 실리카졸 제조에 어느 정도 주요 영향 요인이 되지 않습니다.
Yang Jing 등은 촉매 유형, 반응 온도, 반응 시간, 첨가제 및 기타 요인이 실리카 졸의 성능에 미치는 영향을 연구하고 전해질 유형의 영향을 분석했습니다. ], 졸 점도에 대한 영향은 다음과 같습니다: HFgt; HNO3gt; H2SO4gt; HClgt; HAc. SiO2 막 실리카졸을 제조하기 위한 촉매로 염산 또는 질산을 사용하는 것이 더 적합합니다.
2.2.3. 산성 실리카 졸에 대한 입자 크기의 영향
입자 크기는 실리카 졸의 안정성에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소입니다. 실리카졸 입자의 직경은 특정 범위 내에 있습니다. 입자 크기가 균일하고 분포 범위가 좁을수록 안정성이 좋습니다.
Xu Nianqiang 등은 산성 실리카 졸에 대한 입자 크기의 영향을 연구할 때 특정 농도에서 산성 실리카 졸의 안정성과 SiO2 입자 크기 사이의 관계가 경사 "S"를 나타낸다고 언급했습니다. "모양, 즉 작은 입자 크기에서는 실리카졸의 안정성이 상대적으로 낮습니다. 입자 크기가 증가함에 따라 실리카졸의 안정성은 급격히 증가하며 입자 크기는 10~20nm 이내입니다. 실리카의 안정성 sol은 입자 크기에 대략 비례합니다.
일부 학자들은 실험적 연구를 통해 실리카졸의 입자 크기를 10~15nm 범위 내로 제어하면 공정을 단순화할 수 있을 뿐만 아니라 고순도 실리카졸의 안정성을 유지할 수 있다는 사실을 발견했습니다.
또한, SiO2 입자의 반경이 증가하면 입자 표면의 수산기의 반응성이 감소하고 콜로이드 입자의 비표면적이 감소하며 흡착 에너지가 감소하게 됩니다. 큰 입자가 작은 입자에 대한 흡착 효과를 감소시키는 것은 큰 입자 크기의 산성 실리카 졸이 작은 입자 크기의 실리카 졸보다 더 높은 안정성을 갖는 이유이기도 합니다.
또한 Janne Puputti 등은 실리카졸을 제조할 때 물의 일부를 에탄올로 대체하여 안정성을 3배 높였습니다. Anna Schantz Zackrisson 등은 간섭법과 시간 분해 소각 X선 산란을 사용하여 실리카 졸 분산 시스템의 중합 및 겔화 과정을 연구하고 이온 강도가 겔의 임계점에 미치는 영향을 분석했습니다.