硅溶膠的制備及性能

硅溶膠的制備及性能

硅溶膠是一種均勻分散于水中的膠體體系。國外在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始了將硅溶膠作為黏結(jié)劑的相關(guān)研究,而我國對(duì)這方面的研究則起步較晚。以硅溶膠作黏結(jié)劑制備的催化裂化催化劑,抗磨損性高、反應(yīng)性能好、穩(wěn)定性高以及具有較強(qiáng)的抗重金屬污染性能,因而引起了科研人員的廣泛關(guān)注。硅溶膠保持其分散度不變的性能稱為硅溶膠的穩(wěn)定性。根據(jù)膠體化學(xué)雙電層理論,硅溶膠表面具有緊密的吸附層與擴(kuò)散層,這2層之間的電位差是影響硅溶膠粒子穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。硅溶膠處于中性環(huán)境(pH值約為7.0)時(shí),粒子表面不帶電荷,此時(shí)的電位差為0,在該體系中硅溶膠極其不穩(wěn)定,會(huì)迅速膠凝;當(dāng)硅溶膠處于pH值較低的酸性體系或pH值較高的堿性體系中時(shí),溶膠粒子表面有強(qiáng)電荷分布,由于粒子之間強(qiáng)烈的靜電排斥作用,使得粒子在體系中保持較高的穩(wěn)定性,而不容易發(fā)生膠凝。本工作采用新型工藝制備硅溶膠,使體系pH值由硅溶膠相對(duì)比較穩(wěn)定的堿性位突變到另一個(gè)比較穩(wěn)定的酸性位,保證了反應(yīng)過程中溶膠的穩(wěn)定性。在此情況下,對(duì)影響硅溶膠穩(wěn)定性能的因素進(jìn)行了研究。1水玻璃、sio硫酸鋁,Al2O3的質(zhì)量濃度為90g/L;水玻璃,SiO2的質(zhì)量濃度為250g/L,二者均采自中國石油蘭州石化公司催化劑廠。陽離子表面活性劑,分析純,山東濟(jì)寧化工研究所研制。1.2硅溶膠的制備將水玻璃和硫酸鋁分別在一定條件下進(jìn)行處理,然后按照適宜配比依次加入至帶攪拌器的反應(yīng)器中,混合均勻。2結(jié)果與討論2.1結(jié)果圖1將水玻璃溶液分別稀釋至100,150,200g/L,以這些稀釋后不同濃度的水玻璃作原料制備硅溶膠,考察不同濃度水玻璃硅溶膠體系的膠凝時(shí)間,結(jié)果如圖1所示。由圖1可見,隨著水玻璃濃度的增高,硅溶膠體系的膠凝時(shí)間縮短,即其穩(wěn)定性呈下降趨勢。當(dāng)水玻璃濃度高達(dá)250g/L時(shí),體系中二氧化硅粒子的濃度增加,導(dǎo)致反應(yīng)物不能良好分散,且在硫酸鋁加入的瞬間,局部出現(xiàn)膠粒團(tuán)聚現(xiàn)象。因此,在制備硅溶膠過程中,水玻璃的濃度不宜過高。但水玻璃濃度過低時(shí),制備的硅溶膠濃度較低,致使設(shè)備生產(chǎn)能力下降。因此在工業(yè)生產(chǎn)中,水玻璃濃度應(yīng)控制在(100±50)g/L為宜。2.2硅溶膠體系的膠凝時(shí)間在硅溶膠的制備過程中,采用不同的混合時(shí)間,所形成的硅溶膠其膠凝速度存在明顯的差異。在反應(yīng)物配比相同的條件下,考察不同混合時(shí)間硅溶膠體系的膠凝時(shí)間,結(jié)果如圖2所示。由圖2可見,混合時(shí)間越長,硅溶膠體系的膠凝速度越快。這可能是由于在硅溶膠的制備過程中,除了存在硅溶膠粒子之間微觀的雜亂無章運(yùn)動(dòng)外,還有在外力作用下硅溶膠粒子的宏觀運(yùn)動(dòng)。攪拌加速了粒子的運(yùn)動(dòng),使其相互間更容易發(fā)生碰撞,從而增加了膠凝的趨勢。因此,在工業(yè)生產(chǎn)中,混合時(shí)間應(yīng)控制在0.5～2.0h為宜。2.3硅溶膠穩(wěn)定性采用外加酸、堿法調(diào)節(jié)硅溶膠體系的pH值,考察其對(duì)硅溶膠穩(wěn)定性的影響,結(jié)果如圖3所示。由圖3可見,在pH值較低(小于3.8)的酸性體系以及較高(大于9.5)的堿性體系中,硅溶膠都具有良好的穩(wěn)定性,其中在體系pH值為10.4時(shí),硅溶膠的膠凝時(shí)間可長達(dá)36.0h;在體系pH值為3.8～9.5時(shí),硅溶膠的穩(wěn)定性較差,其中在pH值約為6.2時(shí),硅溶膠的穩(wěn)定性最差。根據(jù)膠體化學(xué)雙電層理論,隨著體系pH值的變化,溶液中溶劑化氫離子的濃度也在發(fā)生改變,在pH值約為6.2的區(qū)域內(nèi),由于緊密吸附層內(nèi)的電性完全被飽和,電位降到了最低,達(dá)到了等電點(diǎn),膠粒的雙電層消失,因此硅溶膠在該體系中極其不穩(wěn)定。2.4表面活性劑的用量在其他條件相同的情況下,考察了表面活性劑加入量(占總反應(yīng)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)硅溶膠體系膠凝時(shí)間的影響,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見,在硅溶膠的制備過程中,通過引入表面活性劑可顯著提高硅溶膠的穩(wěn)定性,但隨著表面活性劑加入量的增大,硅溶膠的穩(wěn)定性又有所下降。按照膠體化學(xué)理論,這是由于硅溶膠的Zeta電位對(duì)其穩(wěn)定性起到了至關(guān)重要的作用,在酸性或堿性體系中,過量的H+或者OH-被壓縮到Stern層,使Stern層的表面電性與膠核的表面電性方向相反,體系變?yōu)閹д娀蜇?fù)電的憎液溶膠,加入表面活性劑后,增加了Stern層的正電性或負(fù)電性,使Zeta電位差增大,從而減緩了溶膠粒子團(tuán)聚成大硅膠粒子的速度。3影響表面活性劑穩(wěn)定性的因素a.硅溶膠處于亞穩(wěn)定狀態(tài),其制備過程中的水玻璃濃度、混合時(shí)間、體系pH值、表面活性劑用量等因素均會(huì)影響其