工业级氟硅酸钠制备白炭黑与氟化钠的新工艺研究

第1章绪论 (1)

1.1 氟硅酸钠的性质 (1)

1.2 氟硅酸钠的应用 (2)

1.2.1 制备冰晶石 (2)

1.2.2 制备四氟化硅 (2)

1.2.3 制备氟化氢 (3)

1.2.4 制备氟化钠 (4)

1.2.5 制备白炭黑 (4)

1.3 氟化钠的性质 (5)

1.4 氟化钠的制备 (6)

1.4.1 熔浸法 (6)

1.4.2 氟化氢中和法 (6)

1.4.3 离子交换法 (7)

1.4.4 氟化铵中和法 (7)

1.4.5 氟硅酸钠法 (7)

1.5 氟化钠的应用 (9)

1.5.1 冶金行业 (9)

1.5.2 牙膏行业 (10)

1.5.3 制革行业 (10)

1.5.4 医药领域 (10)

1.5.5 耐磨材料生产加工行业 (10)

1.5.6 其他行业应用 (10)

1.6 白炭黑的性质 (11)

1.6.1 白炭黑的物理化学性质 (11)

1.6.2 白炭黑的结构机理性质 (11)

1.7 制备白炭黑的方法 (12)

1.7.1 气相法 (13)

1.7.2 沉淀法 (13)

1.7.3 超重力法 (15)

1.7.4 非金属矿物法制白炭黑 (16)

1.7.5 禾本科植物法制白炭黑 (16)

1.7.6 溶胶-凝胶法制白炭黑 (17)

1.7.7 微乳液法制白炭黑 (17)

1.7.8 其他法制白炭黑 (17)

1.8 白炭黑的应用 (18)

1.8.1 橡胶领域 (18)

1.8.2 塑料领域 (18)

1.8.3 牙膏领域 (19)

1.8.4 涂料领域 (19)

1.8.5 医药领域 (20)

1.8.6 油墨领域 (20)

1.8.7 其他领域 (20)

1.9 本课题的研究内容和创新之处 (21)

1.9.1 研究内容 (21)

1.9.2 创新之处 (21)

第2章外加晶种分步法制白炭黑和氟化钠 (22)

2.1 实验试剂和设备 (22)

2.1.1 实验所用主要试剂 (22)

2.1.2 主要实验仪器设备 (22)

2.2 实验方法 (23)

2.2.1 实验原理 (23)

2.2.2 工艺流程 (24)

2.2.3 样品制备 (24)

2.2.4 实验装置图 (25)

2.3 分析检测 (26)

VII

2.3.1 白炭黑分析检测 (26)

2.3.2 氟化钠分析检测 (28)

2.4 单因素实验 (32)

2.4.1 白炭黑单因素试验 (32)

2.4.2 氟化钠单因素试验 (41)

2.5 白炭黑正交实验 (45)

2.5.1 正交实验设计及结果 (46)

2.5.2 正交试验直观分析 (47)

2.5.3 正交试验方差分析 (48)

2.5.4 正交验证实验 (49)

2.6 氟化钠正交实验 (50)

2.6.1 正交实验设计及结果 (50)

2.6.2 正交试验直观分析 (51)

2.6.3 正交实验方差分析 (53)

2.6.4 正交验证试验 (53)

2.7 白炭黑检测表征 (54)

2.7.1 白炭黑红外光谱分析 (54)

2.7.2 白炭黑XRD分析 (55)

2.7.3 白炭黑粒度检测分析 (56)

2.7.4 白炭黑TEM分析 (56)

2.7.5 白炭黑热分析 (57)

2.7.6 白炭黑物性参数 (57)

2.8 氟化钠检测表征 (58)

2.8.1 氟化钠XRD分析 (58)

2.8.2 氟化钠SEM分析 (59)

2.8.3 氟化钠物性参数 (59)

2.9 本章小结 (60)

第3章表面活性剂纯碱法制白炭黑和氟化钠 (61)

3.1 实验试剂及仪器设备 (61)

VIII

3.1.1 实验试剂 (61)

3.1.2 实验仪器 (61)

3.2 实验方法 (62)

3.2.1 实验原理 (62)

3.2.2 工艺流程 (63)

3.2.3 样品制备 (64)

3.2.4 实验装置图 (64)

3.3 分析检测 (65)

3.3.1 白炭黑分析检测 (65)

3.3.2 氟化钠分析检测 (66)

3.4 结果与讨论 (67)

3.4.1 沉淀反应的热力学分析 (67)

3.4.2 反应热力学分析 (68)

3.4.3 单因素实验 (68)

3.4.4 验证实验 (74)

3.5 白炭黑检测表征 (75)

3.5.1 白炭黑红外光谱分析 (75)

3.5.2 白炭黑XRD分析 (75)

3.5.3 白炭黑粒度检测分析 (76)

3.5.4 白炭黑TEM分析 (77)

3.5.5 白炭黑热重分析 (77)

3.5.6 白炭黑物性参数 (78)

3.6 氟化钠检测表征 (78)

3.6.1 氟化钠XRD分析 (78)

3.6.2 氟化钠SEM分析 (79)

3.6.3 氟化钠物性参数 (79)

3.7 本章小结 (80)

第4章结论与展望 (81)

4.1 结论 (81)

4.1.1 外加晶种分步法制白炭黑和氟化钠的实验总结 (81)

4.1.2 表面活性剂纯碱法制白炭黑和氟化钠的实验总结 (82)

4.2 进一步工作方向 (82)

致谢 (84)

参考文献 (85)

攻读学位期间的研究成果 (90)

第1章绪论

近几年来随着化工行业飞速发展，尤其磷化工行业快速发展带动了磷化工副产物的大幅增加，但随着我国经济下行压力增大，其磷化工副产物出现积压和滞销。其中氟硅酸钠作为磷化工产业链的主要副产物之一，有着很强的腐蚀性和较强的毒性。如果抛弃会对周围环境和人造成严重影响。

据有关资料统计，目前每年世界磷肥产量约为4233万吨P2O5，消耗磷矿石1.08亿吨以上，从中大概产生130万吨氟源，在此过程中氟元素基本上是以氟硅酸或氟硅酸钠产物的状态回收。每生产十万吨磷肥（通过折合P2O5计算），就会产生近0.5万吨的氟硅酸（或0.6万吨氟硅酸钠副产物）[1, 2]。2016年度国内磷肥行业产量估计可能达2060万吨，其副产物氟硅酸产量预估可超过100万吨，综合其它化工行业的产量，氟硅酸年产将达到近150万吨，氟硅酸钠的年产量也将达两百万吨[3]。如果上述数量的氟硅酸和氟硅酸钠不加以综合利用而是直接废弃不利用，会造成氟资源的严重浪费，对环境造成巨大的污染。倘若能成功探索一条利用氟硅酸钠为基本物料，制备出高纯度氟化钠和二氧化硅（白炭黑）产品的工艺路线。不但将氟硅酸钠的氟源、硅源加以利用，获得更好的经济价值。还可减少污染，保护环境，促进人与环境和谐发展。

1.1 氟硅酸钠的性质

氟硅酸钠，化学式为Na2SiF6，分子量为188.06，无嗅、无味的白色晶体或粉状颗粒，极易吸潮结块，在冷水中微溶，在沸水中可溶，在乙醇溶剂中不溶，在乙醚等有机溶剂中可溶解[4]。在冷水中溶解的氟硅酸钠溶液显中性，在沸水中溶解的氟硅酸钠溶液显酸性。相对比氟硅酸钠在水中的溶解度参数，其在酸性溶液中的溶解度要大的多。氟硅酸钠具有一定的腐蚀性，皮肤直接接触可致皮炎。氟硅酸钠有毒，对环境有危害，对水体有污染[5-8]。适宜储藏于塑料容器中。氟硅酸钠(Na2SiF6)的物理性质如表1.1。

表1.1 氟硅酸钠的物理性质

Table 1.1 The physical properties of sodium fluoride

物理性质晶系折射率比重溶解度/(g/L)(290K)

Na2SiF6六方 1.309，1.312 2.679 6.52