硅灰是铁合金等生产中收集的粉尘 ,其粒径小 ,比表面积大 ,因而在化工、冶金、建材等行业得以广泛应用 ,但随着使用环境中 p H 值的不同 ,硅灰与水的水合作用将随着水的 p H 值的不同而发生相应的变化 ,通过测定不同 p H 值条件下硅灰水合产物 p H值的变化情况 ,分析硅灰与水的水合状况。
2 实验与结果
211 实验原料
实验所使用的硅灰取自遵义铁合金厂 ,其化学组成见表 1 。
212 实验方法
本实验以取 5g 硅灰加入 150ml 水中时的水合作用为实验基准。 水溶液的 p H 值用 HCl 和 NaOH溶液调整 ,其 p H 值在 2～13 之间进行调节 ,调整间距为 015 。 实验时将准确秤取的 5g 硅灰倒入已调节至一定 p H 值的水中 ,在搅拌的同时用 p H 离子计每隔 2min 记录一次 p H 值的变化 ,直至其恒定不变为止。
213 实验结果
硅灰与不同 p H 值的水溶液水合时 ,其水合产物的 p H 值变化情况见图 1 。 图中曲线 1～14 分别为硅灰与 p H 值为 2 、3 、315 、4 、5 、6 、8 、9 、10 、11 、1115 、12 、1215 、13 的水溶液水合时水合产物的 p H值变化情况。 由图 1 可见 ,当硅灰与 p H 值为 2～315 ,4～6 ,8～1115 ,12～13 的水溶液水合时 ,其水合物溶液的最终 p H 值分别在 317～410 ,913～914 ,916～918 ,1117～1216 之间变化。
3 分析与讨论
311 硅灰的结构
x 衍射表明硅灰中的 SiO2 是以无定型的形式存在[1 ] 。 从图 2 的无定型氧化硅结构模型[2 ]可见 ,
氧化硅结构内部有毛细管通道 ,且其内部和外部都有缺陷 ,存在 Si - O - Si 的断键 ≡Si - O - 和 ≡Si-[3 ]。 因此当硅灰与不同 p H 值的水作用时 ,水会沿氧化硅结构内部的毛细管通道进入其内部 ,并与之发生作用。
3.2 不同 p H 值溶液中硅灰的水合作用
由图 1 的实验结果可见 ,硅灰与不同 p H 值的水溶液作用时 ,其水合作用随着水溶液 p H 值在一定范围内的变化而变化。 这是由于硅灰与水作用时 ,它所含的无定型氧化硅表面随着水溶液 p H 值的不同而带不同的电荷所造成的。 在不同 p H 值下无定型氧化硅表面带电情况如图 3 示。 由于在硅灰的收集过程中硅灰长时间与空气相接触 ,因而它所含的无定型氧化硅表面的键主要以 ≡Si - O 键为主。
3.2.1 p H 值为 2～6 的溶液中硅灰的水合作用
当硅灰与酸性水溶液接触时 , 氧化硅表面的≡Si - O 断键很快与酸性水溶液中的 H + 作用形成
≡Si - OH ,且在 ≡SiOH 基团中 O2 - 的作用下 ≡Si -OH 将与 H + 发生耦合而形成 ≡Si - OH2+ 离子 ;当水溶液的酸性较强时 ,H + 的浓度较大 , ≡Si - OH 与H + 耦合为 ≡Si - OH2+ 离子后还剩余较多 ,因而此时水合物溶液的酸度也较大 ,溶液的 p H 值较小 (见图 1 的曲线 1～3) ;反之当硅灰与酸性较弱的水溶液水合时 , ≡Si - OH 与 H + 耦合后已基本上不再有剩余的 H + ,因而此时水合物溶液的 p H 值较大 (见图 1 曲线 4～6) 。
3.2.2 p H 值为 8～13 的水溶液中硅灰的水合作用
当硅灰与 p H 值为 8～13 的水溶液接触时 ,溶液中的 OH - 对无定型氧化硅中结合较弱的 Si - O- Si 键有较强的破坏作用 ,使之断键形成 ≡Si -OH2+ , ≡Si - O - 等基团。 当硅灰与碱性较弱的水溶液接触时 ,因溶液中的 OH - 较少 ,且此时 OH - 主要在氧化硅中起断键作用 ,因此水合物溶液的 p H 值主要由氧化硅的表面状况所决定。 由图 3 可见 ,在碱性溶液中 ,氧化硅表面的 ≡Si - O - 基团将会与溶液中有限的 H + 耦合而形成 ≡Si - - OH ,从而使溶液中的 OH - 相对维持在一定的浓度 ,水合物的 p H值就在一微小的范围内波动 (见图 1 中曲线 7 ～11) ;当硅灰与碱性较强的水溶液水合时 ,由于此时溶液中的 OH - 较多 ,OH - 除破坏 Si - O - Si 键外还有剩余 ,因而此时水合物溶液的 p H 值随着水溶液p H 值的增大而增大 (如图 1 中的曲线 12～14) 。
4 结论
实验表明 :遵义铁合金厂的硅灰在不同 p H 值的水溶液中与水发生水合作用时 ,水合作用除了可在硅灰中无定型氧化硅的表面进行外 ,也可在其内部进行 ,并最终导致水合产物的 p H 值随着水溶液p H 值的变化而变化。
