固废氟硅酸钠合成氟化钠的工艺研究

2022-01-05李茹蕾赵鹏玉何晓强李安梅

江西化工 2021年6期

张美，李茹蕾，郭佩，赵鹏玉，何晓强，李安梅

(荆楚理工学院，湖北荆门 448000)

1 引言

进入21 世纪以来，随着信息社会到来，电子信息技术及其相关材料研究与开发得到了快速发展，以玻璃面板为基板的液晶显示器(TFT-LCD)产业也进入了一个高速增长期，但对玻璃面板的厚度也要求其越来越薄，现在大部分TFT玻璃减薄都采用含氟化氢的酸性液体浸泡式玻璃蚀刻工艺的方法进行生产，蚀刻过程会产生大量含氟废液和残渣。随着环保法的加紧实施以及人们对环境问题的持续关注，开发新的绿色可持续治理工艺具有重要意义。氟硅酸钠作为TFT-LCD蚀刻工艺中的废渣，由于利用价值低，一般被填埋处理，既污染环境又浪费宝贵的氟资源(Na2SiF6)，因此开发新的处理固废氟硅酸钠的绿色工艺要提上日程。通过将氟硅酸钠与碳酸钠反应将其转化为高附加值的氟化钠，同时考察了反应原料配比、反应温度、反应时间、加料方式等因素对其产率的影响；并且还可以根据情况，将其进一步转化为市场急需的氟化氢产品[1]。

2 实验

2.1 主要试剂与仪器

雷磁PXSJ-216离子计；氟硅酸钠(分析纯)；无水碳酸钠(分析纯)。

2.2 实验方法

称取适量Na2SiF6置于250 mL三口烧瓶中，加入适量无水碳酸钠溶液，搅拌加热恒温至一定时间。反应完成后趁热过滤，收集滤液，量取滤液体积并记录数据。取部分滤液倒入旋转蒸发仪的单口烧瓶中进行蒸发结晶干燥即得氟化钠晶体[2-5]。反应方程式如下：

Na2SiF6+2Na2CO3=6NaF+SiO2↓+2CO2↑

3 结果与讨论

3.1 反应原料配比对NaF收率的影响

在保持反应时间3 h和反应温度60 ℃不变的情况下，通过改变反应原料(mol)配比，考察改变反应原料(mol)配比对NaF收率的影响，结果如下：

从表1中可以看出随着配料比增加，氟化钠产品收率呈先增加后减小的趋势，在反应配料比为2.3：1条件下，氟化钠的收率达最大90.20%。原因是二氧化硅的溶解度小于氟化钠，在实验后期反应产生的二氧化硅与过量的碳酸钠晶体发生共沉淀，抑制了碳酸钠与氟硅酸钠反应速率，且生成的氟化钠会附着于二氧化硅晶体上，随水流冲洗，因此损耗了大部分的氟化钠产品。实验结果表明碳酸钠与氟硅酸钠反应原料最佳配比为2.3：1。

表1 反应原料配比对NaF收率的影响

3.2 反应温度T对NaF收率的影响

在保持反应时间3 h和反应原料(mol)配比1：2.3不变的情况下，通过改变反应温度，考察反应温度对NaF收率的影响，结果如下：

从表2中可以看出氟化钠的收率随反应温度升高呈先增加后减小的态势，在反应温度为60 ℃条件下，氟化钠收率为90.20%。其原因是氟硅酸钠与碳酸钠反应为吸热反应，反应温度的升高加速了 CO32-和 HCO3-的水解，氟化钠晶体形成加快，但由于碳酸钠随温度升高在水中溶解度会减小，且二氧化硅溶解度随温度升高而升高，反应生成的氟化钠会与二氧化硅生成混晶，在抽滤过程中受室外温度和水洗影响，大部分氟化钠产品与二氧化硅一起沉淀出来，氟化钠收率减小。实验结果表明反应温度最佳为60 ℃。

表2 反应温度T对NaF收率的影响

3.3 反应时间t对NaF收率的影响

在保持反应温度60 ℃和反应原料(mol)配比1：2.3不变的情况下，通过改变反应时间，考察反应温度对NaF收率的影响，结果如下：

从表3中可以看出氟化钠的收率随反应时间的增加呈先增加后减小的趋势，在反应时间为3 h的条件下，氟化钠收率为90.20%。其原因是在转化率不变的条件下，反应时间长有利于反应物的生成，但由于有二氧化硅晶体产生，所以反应时间太长会导致二氧化硅结晶增多，附着在二氧化硅产品上的氟化钠产品就越多，氟化钠产品收率就会减小。实验结果表明反应时间最佳为3 h。