氯化钾与五硼酸钠复分解反应制备五硼酸钾的动力学.pdf

维普资讯htt
第7卷第5期
过程工程学报
Vol7 No5
年10
The Chinese Journal of Process Engineering
氯化钾与五硼酸钠复分解反应制备五硼酸钾的动力学
张金平,孙勇,杨刚,李佐虎
(中国科学院过程工程研究所,北京100080
摘要:研究了利用氯化钾晶体和五硼酸钠溶液的复分解反应制备五硼酸钾的方法,考察了五硼酸钠溶液浓度、反应
温度和反应物摩尔配比( Kcl: NAB3Og)对五硼酸钾结晶率的影响,结果表明,五硼酸钠溶液浓度是影响反应的最主要因
素,反应温度和反应物摩尔配比的影响次之.采用选取控制步骤法并引入修正的 Debye- Huckel活度系数模型和
Bromley滲透系数模型研究了该反应的动力学的影响规律,得出反应级数为2,表观反应活化能为85.8 KJ/mol,反应
主要受四水五硼酸钾晶体析出的控制
关键词:氯化钾;五硼酸钠;复分解反应;五硼酸钾;反应动力学
中图分类号:TQ110.3
文献标识码:A
文章编号:1009-6067X(2007)05-0934-05
前
2.2五硼酸钠溶液的制备
五硼酸钾是一种比较重要的碱金属硼酸盐,用
按反应方程式NaOH+5H3BO- NABS O+8H2O,以
H3 BO NAOH-=5:1的摩尔配比,将一定量的硼酸和氢氧
于金属焊接、金属治炼、润滑油添加剂等领域,也作为
生产氮化硼的原料り,.近年来的研究表明,五硼酸钾是
化钠加入到一定量的水中,加热到一定温度进行溶解反
应,即可得到一定浓度的五硼酸钠溶液.
比较重要的无机非线性晶体,可以作为良好的激光材
2.3实验方法
料,已经成功应用于紫外激光器等方面到.在某些富产
实验在置于恒温水浴中的三角瓶中进行.反应之
硼酸盐的地区,利用五硼酸钾借助硼酸盐自身的循环可
前,按上述方法制备所设定反应温度下一定体积和浓度
提取鹵水中的氯化钾c?
关于五硼酸钾的制法リ,主要是利用其溶解度
的 Nabs C。溶液,按设定的摩尔配比称取KCLl,当NaB、Os
溶液搅拌并定温至预定温度时,加入KCl,反应一定时
的特点,通过反应结晶析出水合五硼酸钾晶体.文献中
间.反应结東后,于冷水浴中搅拌冷却至室温,再于0~5
主要是从不同五硼酸钾制法的反应机理及反应工艺条
件方面展开研究,杨刚等?对比了制备五硼酸钾的不同
℃的温度下将物料静置结晶30min,然后进行固液分
方法,其中之一是采用氢氧化钠、硼酸和氯化钾通过复
离,冷水洗涤固相并在90℃下干燥至恒重.记录固体质
量,分析其中的硼、钾、钠、氯含量,计算固体中五硼
分解反应制备五硼酸钾,研究了不同的原料配比对反应
酸钾含量及五硼酸钾的结晶率.
的影响,并考察了反应的收率.本工作借助氯化钾晶体
动力学实验方法同上,间隔一定时间取样,用滤膜
和五硼酸钠溶液制备四水五硼酸钾晶体,通过实验研
过滤,分析滤液中K,Na,CI及B的浓度
究,考察了原料配比、反应温度和五硼酸钠浓度对反应
的影响,在此基础上得到适宜的反应工艺参数,并研究2.4分析方法
了反应的动力学过程,通过详细的理论分析,建立了该
硼的分析采用以HCl标准溶液进行滴定的双指示
反应的宏观动力学模型,研究了反应的动力学规律
剂法,CT的分析采用以K2CO4作指示剂的沉淀滴定法,
K'和Na采用火焰光度法进行分析.
2实验
3结果与讨论
2.1试剂和仪器
NaO)H,H3B0,KCI(分析纯,北京化学试剂公司
3.1各因素对反应的影响
恒温水浴(HH-501型,常州国华电器有限公司),火焰光
五硼酸钠溶液浓度、反应温度和反应物摩尔配比
度计(FP-640型,上海精密仪器有限公同)
KCl: NABSO)是影响反应的主要因素
收稿日期:2006-11-03,修回日期:2007~03-20
基金项目:因家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目(编号:2004c0871970)中国科学院知识创新工程前瞻性项目资助(编号:062702)
作者简介:张金平(1976),男,内蒙古自治区鄂尔多斯市人,博土研究生,研究方向为化工过程生态化;李佐虎,通讯联系人,Tel:010-62525607.
笙普资讯hu
第5期
张金平等:氯化钾与五硼酸钠复分解反应制备五硼酸钾的动力学
935
图1是不同温度下不同浓度五硼酸钠溶液中五硼
100
酸钾的结晶变化情况.可以看出,在其他条件相同的情
40℃
况下,五硼酸钾的结晶率随着五硼酸钠溶液浓度的增加
95
20 min
25% NabO. solution
而增大,并且增加幅度逐步趋缓.
85
Time 20 min
?。90NaB,KCI1:1
N
80
O
Temperature(℃
O75
一-30
0.51.01.52.02.53.0
80
一A-50
Aole ratio of Kcl to Nab. O
O-70
图3反应物摩尔比对KB3O结晶率的影响
△-80
Fig 3 Effect of reactant mole ratio on crystallization
of KB]O:
Concentration of Nab O. solution (%)
3.2反应动力学
图1NaBO溶液浓度对 KBSO 3结晶率的影响
3.2.1反应机理及动力学方程
Fig 1 Effect of concentration of NAB O solution on
氯化钾与五硼酸钠的复分解反应实际上包括2个
crystallization rate of KBS08
过程,即氯化钾的溶解和五硼酸钾晶体的沉淀,简单表
温度对反应的影响主要表现在两个方面,一是影响示如下:
反应平衡,二是影响反应速率.图2是各浓度五硼酸钠
KClーKt+CI,
溶液中不同温度下五硼酸钾的结晶率.由图可知,结晶
K'+B3O2+4H20-江→KB,O。4H2O↓
率随温度增加先增大后减小,但总体上变化幅度不大
总的来说,反应温度以30~50℃为宜.
或者可以表示为一个连串反应过程:
KCl一CI+K'-→KB,O2:4H1O↓
NaB,O。 slution(%)
其中,第一个过程是易溶性强电解质KC(室温下溶解度
O。95
0-15
在30%以上且极易电离)的溶解及离解,是一个进行得
20
很快的反应过程,可迅速达到平衡.第二个过程是四水
c三
五硼酸钾晶体形成并结晶析出的过程,根据实验中观察
到的现象,该反应起始速率较快,白色沉淀物较快出现,
但随后沉淀物增加速度逐步变慢,反应速率逐步减慢
反应需一定时间才可接近平衡,可以说该复分解反应主
050607080
要受四水五硼酸钾晶体沉淀析出的控制.故这里采用选
Temperature(℃C
取控制步骤法来研究该反应的动力学过程.由于四
图2反应温度对 KBSO]结晶