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硅酸钠在CO3-HCO3-OH-H2O体系中的热力学模型及白炭黑新工艺的开发; Modeling Phase Equilibria for the Na2SiO3−CO3−HCO3−OH−H2O System and Its Application for the Preparation of Precipitated Silica
曾艳
学位类型工程硕士
2015-07
学位授予单位中国科学院研究生院
学位专业化学工程
关键词沉淀二氧化硅 偏硅酸钠 溶解度 碳酸氢钠 Bromley–zemaitis模型
摘要沉淀二氧化硅俗称白炭黑,由于具有粒度小、比表面积大、孔容积大、分散性好等特性,被广泛应用于橡胶工业、农业、食品、涂料等众多工业部门。最近,作为高性能橡胶补强剂的白炭黑市场需求量逐年递增。目前工业上生产白炭黑是以硅酸钠为原料、硫酸为中和剂的合成工艺,虽然该工艺具有产品质量好、技术简单、工艺成熟等优点,但副产的大量硫酸钠溶液直接排放造成严重的环境污染。鉴于此,本硕士论文提出了以碳酸氢钠为中和剂代替硫酸与硅酸钠反应制备白炭黑的绿色新工艺。此新工艺具有两个优点:(1) 利用碳酸氢钠溶液控制体系的过饱和度和pH值从而有效控制白炭黑的产品质量;(2) 由于碳酸钠具有在溶液中易于与二氧化碳反应生成碳酸氢钠的化学反应特性,从而实现了全流程物料循环利用。论文围绕新工艺所涉及到的Na2SiO3?CO3?HCO3?OH?H2O体系进行了相平衡的测定和热力学模型的计算,取得如下成果: (1) 采用动态法测定了九水偏硅酸钠(Na2SiO3?9H2O)在Na2CO3–NaOH–H2O和NaCl–KCl–H2O体系中288.15~308.15 K下的溶解度。在实验研究的范围内,Na2SiO3?9H2O的溶解度随着温度的升高而增大,随着NaCl、Na2CO3或NaOH浓度的增加而减小,随着KCl浓度的增加而增大。然而,从无水偏硅酸钠(Na2SiO3)在NaOH–H2O体系中343.15~353.15 K下的数据发现,其溶解度随着温度的升高和NaOH浓度的增加而减小。 (2) 以Bromley–Zemaitis活度系数模型和Helgeson–Kirkham–Flowers(HKF)状态方程为基础,在OLI平台中建立了可以准确描述和预测九水偏硅酸钠和无水偏硅酸钠在浓的电解质溶液中溶解行为的化学热力学模型。新模型使用了通过回归溶解度实验数据而得到的新参数,包括Na+–H2SiO42–、Na+–OH–、Na+–CO32–和Na+–NaCO3–离子间相互作用参数。与原有模型相比,新模型对高浓度以及多元电解质溶液中溶解度的预测能力明显提高。 (3)新建模型能够对Na2SiO3?9H2O(s)–NaCl––KCl–H2O和Na2SiO3?9H2O(s)–NaOH–H2O体系中含硅的物质形式和含量分布进行计算。计算结果表明,阴离子H2SiO42–和中性分子NaHSiO3(aq)是主要的含硅液相组分,这两种组分的含量会随着温度、电解质浓度的改变而发生变化。随着温度的升高,H2SiO42–的含量逐渐增加,同时NaHSiO3(aq)的含量逐渐减少。NaCl和KCl的浓度对含硅组分分布的影响相对较弱,而NaOH浓度的增加会使得H2SiO42–的含量先增加后降低,于此对应的是NaHSiO3(aq)的含量先降低后增加。 (4) 新建模型能够预测Na2SiO3–NaHCO3–H2O体系的pH值和平衡固相的变化情况,计算结果表明用于合成沉淀二氧化硅的合适的条件为偏硅酸钠溶液浓度<1.0 mol?kg-1而碳酸氢钠的浓度则为偏硅酸钠的两倍左右。在计算结果的指导下,通过小试实验在温度50 oC、反应体系中Na2SiO3和NaHCO3的浓度分别为0.5和0.9 mol?kg-1的条件下合成了沉淀二氧化硅,验证了新工艺的可行性。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20348
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
曾艳. 硅酸钠在CO3-HCO3-OH-H2O体系中的热力学模型及白炭黑新工艺的开发, Modeling Phase Equilibria for the Na2SiO3−CO3−HCO3−OH−H2O System and Its Application for the Preparation of Precipitated Silica[D]. 中国科学院研究生院,2015.
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