氟硅酸钾在稀硫酸溶液中溶解度的测定与关联

刘蕾蕾 ，夏海建 ，冯魏良 ，汪铁林 ，王存文 ，王为国 ，姜振胜

（1.武汉工程大学化工与制药学院绿色化工过程教育部重点实验室，湖北武汉430073；2.湖北大峪口化工有限责任公司）

工业废水的循环利用［1］作为解决水资源短缺和水体污染问题途径之一受到企业的广泛关注。湖北某化工公司将磷酸生产过程中的废水及磷石膏固结排出的渗水输送到渣场水池进行收集并循环利用。冬天气温较低，渣场池水经管道输送至使用工段时，容易产生无机盐类结晶，堵塞泵体和输送管道。此结晶质地坚硬，清洗困难，严重影响废水循环利用系统的正常运行。经分析，结晶物主要成分是K2SiF6、Na2SiF6等难溶盐。笔者推测，冬天时废水的温度高于空气温度，管道输送过程中，废水温度逐渐降低，废水中K2SiF6、Na2SiF6等难溶盐过饱和而结晶，从而堵塞泵体和输送管道。为了解决由渣场池水引起的泵体和输送管道堵塞问题，必须对废水中K2SiF6、Na2SiF6等难溶盐的结晶过程进行研究。目前，尚未见文献报道有关稀硫酸溶液中低温下的氟硅酸钾平衡溶解度数据。有基于此，笔者测定了稀硫酸溶液中低温下的氟硅酸钾平衡溶解度并做了关联，为研究废水中K2SiF6、Na2SiF6等难溶盐的结晶过程研究提供了基础物性数据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂:氯化钾［KCl，GR，阿拉丁试剂（上海）有限公司］、硝酸（HNO3，AR，天津博迪化工股份有限公司）、硝酸铯（CsNO3，AR，国药集团股份有限公司）、氟化钠（NaF，AR，国药集团股份有限公司）、溴百里香酚蓝［（C27H28Br2O5S，AR，阿拉丁试剂（上海）有限公司］、氢氧化钠（NaOH，AR，天津博迪化工股份有限公司）、氟硅酸钠（K2SiF6，AR，国药集团股份有限公司）。

仪器:4530F型原子吸收分光光度计、DJ1C型可变速电动搅拌器、DC-0506型低温智能恒温槽、PL203型电子天平。

1.2 实验方法

实验采用去离子水配制1.0 mol/L硫酸溶液，准确量取300 mL去离子水于500 mL三口烧瓶中，再向烧瓶中加入一定量氟硅酸钾晶体粉末，将三口烧瓶放置于恒温槽中，开启机械搅拌，插入pH计，向溶液中按0.05 mL/次渐渐滴加1.0 mol/L硫酸溶液，调节溶液pH，待pH不再发生变化（硫酸溶液滴加时间约 6 h）时，再搅拌 6 h，恒温静置 12 h，再用 0.3 μm滤膜的针筒式过滤器过滤取样分析。按照GB 11904—1989《水质钾和钠的测定火焰原子吸收分光光度法》［2］标准钾标溶液测定的条件，用火焰原子吸收分光光度法测定清液中钾元素的含量。采用滴定法［3］测定氟硅酸根浓度。根据测得的钾离子浓度和氟硅酸根浓度计算氟硅酸钾的平衡溶解度。

2 结果与讨论

2.1 氟硅酸钾在水中溶解平衡时间确定

取500mL三口烧瓶，加入400mL去离子水，加入足量的氟硅酸钾，在10℃下恒温搅拌，用0.3 μm滤膜的针筒式过滤器定时取样，测量溶液中的钾离子浓度，实验结果见图1。由图1可知，搅拌6 h后，氟硅酸钾在水中基本达到溶解平衡，考虑实验其他因素的影响，溶解平衡时间确定为12 h。

图1 氟硅酸钾溶解平衡时间

2.2 氟硅酸钾平衡溶解度测定方法的验证

氟硅酸钾在水中溶解平衡时，溶液中的钾离子浓度和氟硅酸根浓度均可以用来计算氟硅酸钾在水中的平衡溶解度，结果见表1。由表1可见，由溶液中钾离子浓度和氟硅酸根浓度分别计算出的平衡溶解度的相对误差小于3%。为了确保实验数据的可靠性，本文取二者的平均值作为氟硅酸钾的溶解度。

表1 氟硅酸钾在水中平衡溶解度（实验测量值）

表2 氟硅酸钾在水中平衡溶解度（文献［4］）

表3 氟硅酸钾在水中平衡溶解度（文献［5］）

表2和表3中氟硅酸钾的平衡溶解度分别为文献［4］和［5］中的数据。图2为本实验测得的氟硅酸钾的平衡溶解度与文献值的比较。由图2可知，温度在20℃附近，本文采用平衡法测量的氟硅酸钾的平衡溶解度与文献［4］和文献［5］数值偏差很小，说明本文采用的溶解度测定方法及检测方法是可靠的。此外，当温度高于40℃时，文献［5］测得的氟硅酸钾的平衡溶解度与文献［4］明显不一致。

图2 溶解度的测量值与文献值对比

2.3 氟硅酸钾在稀硫酸溶液中的平衡溶解度测定结果

图 3 为不同温度（0、10、20、30、40 ℃）和不同pH（1.5、2.0、2.5、3.5）的条件下，氟硅酸钾溶液中氟硅酸钾的平衡溶解度。由图3可知，溶液pH一定时，随着温度的升高，氟硅酸钾的平衡溶解度［6］增加。同一温度下，随着pH的减小，氟硅酸钾的溶解度增加，这主要是由于pH的减小，溶液中的氢离子浓度增加，促进了氟硅酸根与氢离子结合生成氟硅酸氢根，降低了溶液中的氟硅酸根浓度，从而促进氟硅酸钾的溶解。

图3 温度和pH对氟硅酸钾溶解度的影响

2.4 氟硅酸钾的平衡溶解度与温度关联

在研究废水中K2SiF6等难溶盐［7］的结晶过程时，需要考察平衡溶解度随温度的连续变化关系。本文采用Apelblat经验溶解度方程［8］对氟硅酸钾在pH为1.5～3.5时稀硫酸溶液中的平衡溶解度与温度进行关联。Apelblat经验溶解度方程式:

式中:Ce为氟硅酸钾的平衡溶解度，g/L；T为溶液饱和温度，K；a、b和c为实验溶解度数据回归参数。

由pH=1.5～3.5稀硫酸溶液中测定的氟硅酸钾的平衡溶解度，利用origin软件对数据回归拟合得到Apelblat经验溶解度方程中相应的a、b、c值，结果见表4。

表4 经验方程模型回归参数

表5中R2为氟硅酸钾平衡溶解度的Apelblat经验溶解度方程计算值。由表5可见，实验值与计算值相对偏差小于5%，表明采用Apelblat经验溶解度方程可以对低温下稀硫酸溶液中氟硅酸钾的平衡溶解度与温度做了较好的关联。

表5 氟硅酸钾在硫酸溶液中平衡溶解度的实验值和计算值的偏差

3 结论

本文采用平衡法［9］测量了0～40℃温度范围内，氟硅酸钾在pH为1.5～3.5条件下硫酸溶液中的平衡溶解度，结果表明随着pH的减小或温度的升高，氟硅酸钾的平衡溶解度增加。

采用Apelblat经验溶解度方程对氟硅酸钾在pH为1.5～3.5稀硫酸溶液中的平衡溶解度与温度的数值做了关联，由Apelblat经验溶解度方程计算出的平衡溶解度与实验测量值相对偏差小于5%。