四水八硼酸鈉的合成機(jī)理及工藝分析

趙靈龍

（山東九洲安全技術(shù)有限公司，山東淄博 255000）

四水八硼酸鈉是一種新型的速溶性硼酸鹽，其在具備硼酸鹽基本性質(zhì)的前提下，有效提升了硼酸鹽的氧化硼含量與溶水性能?，F(xiàn)階段，四水八硼酸鈉在農(nóng)業(yè)、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)療業(yè)、文物保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域中表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用效果。

1 四水八硼酸鈉的合成機(jī)理

現(xiàn)階段，主要可基于硼酸與氫氧化鈉、硼砂兩類原料進(jìn)行合成反應(yīng)，制備獲得四水八硼酸鈉產(chǎn)物。其中，當(dāng)硼酸與氫氧化鈉經(jīng)由混合反應(yīng)、加熱分解、過(guò)濾去渣、冷卻處理、干燥脫水等工藝步驟生成四水八硼酸鈉時(shí)，其反應(yīng)式為當(dāng)硼酸與五水硼砂、十水硼砂、無(wú)水硼砂等硼砂類化合物發(fā)生反應(yīng)生成四水八硼酸鈉時(shí)，其反應(yīng)式分別為

2 四水八硼酸鈉的制備工藝

2.1 以硼酸和氫氧化鈉為原料的制備工藝

2.1.1 材料準(zhǔn)備

①化學(xué)原料：氫氧化鈉、硼酸、鹽酸以及甘露醇，并保證各材料的純度規(guī)格達(dá)到AR 等級(jí)；②儀器設(shè)備：電子分析天平、真空泵、恒溫磁力攪拌器以及恒溫鼓風(fēng)干燥箱。同時(shí)，為了實(shí)驗(yàn)四水八硼酸鈉的制備效果，分析制備工藝的流程影響，還需準(zhǔn)備X 射線衍射儀、拉曼光譜儀、掃描電鏡、激光顯微鏡、傅里葉紅外光譜儀等儀器設(shè)備。

2.1.2 工藝流程

以硼酸和氫氧化鈉為原料制備四水八硼酸鈉時(shí)，需經(jīng)歷以下工藝環(huán)節(jié)。①合成反應(yīng)環(huán)節(jié)：先根據(jù)四水八硼酸鈉的制備量需求，使用普通天平稱取硼酸和氫氧化鈉，置于反應(yīng)容器當(dāng)中，并加入相應(yīng)純度的水；其次，對(duì)混合溶液進(jìn)行加熱，將溫度提升到60℃～140℃；最后，將溶液置于恒溫磁力攪拌器中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，結(jié)合溶液具體量級(jí)，將反應(yīng)時(shí)間控制在30～180min，實(shí)現(xiàn)硼酸和氫氧化鈉的充分反應(yīng)，最終得到透明無(wú)色的溶液；②冷卻析出環(huán)節(jié)：在合成反應(yīng)完成后，將所得過(guò)飽和溶液轉(zhuǎn)移到燒杯當(dāng)中，并對(duì)燒杯內(nèi)溶液進(jìn)行低溫冷卻，保證溶液溫度不超過(guò)30℃。在低溫作用下，溶液的過(guò)飽和狀態(tài)將被打破，進(jìn)而在一段時(shí)間后析出白色的蠟狀固體；③真空抽濾環(huán)節(jié)：在真空泵的功能支持下，將固體產(chǎn)物中的游離水分子進(jìn)行充分抽濾，并使抽出濾液存留至真空泵設(shè)備的濾液槽中。通過(guò)這一環(huán)節(jié)，即可得到混合溶液中的氧化硼成分。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)氧化硼的充分提取，可將濾液槽中的濾液作為母液重新代入到前期環(huán)節(jié)當(dāng)中，實(shí)施進(jìn)一步的合成反應(yīng)與冷卻析出；④初步脫水環(huán)節(jié)：在得到一定量的氧化硼固體后，將其置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱當(dāng)中，進(jìn)行氧化硼的初次脫水，此時(shí)應(yīng)將溫度設(shè)置為40℃左右，并保證箱內(nèi)壓強(qiáng)處在正常水平，以免導(dǎo)致氧化硼固體重新溶解；⑤二次脫水環(huán)節(jié)：完成初步的脫水處理后，對(duì)物料進(jìn)行二次脫水，且應(yīng)將溫度提高至90℃，直至物料的質(zhì)量數(shù)值趨于穩(wěn)定。此時(shí)，四水八硼酸鈉的制備已基本完成；⑥由于工藝產(chǎn)物已處在較高水平的干燥狀態(tài)，極易出現(xiàn)吸水情況。因此，應(yīng)立即將產(chǎn)品放置在干燥容器當(dāng)中，并做好密封處理。

2.1.3 工藝分析

通常四水八硼酸鈉中的氧化硼含量在67%左右，工藝產(chǎn)物中氧化硼含量越高，說(shuō)明四水八硼酸鈉的純度越高，即制備工藝的應(yīng)用效果越好。因此，以反應(yīng)溫度100℃、合成時(shí)間90min 為固定條件，對(duì)不同氫氧化鈉含量下的混合溶液進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)1.45為氫氧化鈉用量的最佳值。當(dāng)氫氧化鈉用量低于1.45時(shí)，硼酸與氫氧化鈉的反應(yīng)不夠充分，因此氧化硼的含量較低；當(dāng)氫氧化鈉用量高于1.45時(shí)，混合溶液中的酸堿度會(huì)有所提升，進(jìn)而導(dǎo)致材料的離子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，生成一定量的四硼酸鈉。

反應(yīng)物的濃度會(huì)對(duì)四水八硼酸鈉的工藝質(zhì)量產(chǎn)生影響。同樣以反應(yīng)溫度100℃、合成時(shí)間90min 為固定條件，并將氫氧化鈉與硼酸的配比值穩(wěn)定為0.234，對(duì)不同濃度下的混合溶液進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)氧化硼的含量會(huì)隨著反應(yīng)物濃度的降低而發(fā)生極大波動(dòng)，總體呈現(xiàn)出先高后低的變化趨勢(shì)。且當(dāng)水與硼酸的配比值為1.5時(shí)，工藝產(chǎn)物中氧化硼的含量達(dá)到最高水平。

反應(yīng)物的反應(yīng)時(shí)間以及反應(yīng)溫度也會(huì)對(duì)四水八硼酸鈉的工藝質(zhì)量產(chǎn)生影響。在保證其他變量穩(wěn)定、氫氧化鈉用量和濃度比均處于最高水平的情況下，對(duì)不同時(shí)間條件、溫度條件下的工藝產(chǎn)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：①當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為90min 時(shí)，工藝產(chǎn)物中的氧化硼含量最高。究其原因，主要是反應(yīng)時(shí)間在90min 以下時(shí)，溶液中的硼酸與氫氧化鈉并未達(dá)成合成，而反應(yīng)時(shí)間超過(guò)90min 時(shí)，溶液中可能出現(xiàn)多聚硼氧配陰離子的解離現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致氧化硼含量的逐漸降低。因此，在應(yīng)用硼酸與氫氧化鈉制備四水八硼酸鈉時(shí)，反應(yīng)時(shí)間應(yīng)控制在90min左右，不宜過(guò)長(zhǎng)；②當(dāng)反應(yīng)溫度在100～120℃時(shí)，工藝產(chǎn)物中的氧化硼含量最高。若反應(yīng)溫度超過(guò)120℃，混合溶液中的八硼氧配陰離子會(huì)加快高溫水解，進(jìn)而導(dǎo)致氧化硼含量的降低。

基于以上，在以硼酸和氫氧化鈉為原料制備四水八硼酸鈉時(shí)，將硼酸濃度、氫氧化鈉用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件因素控制在1.5、1.45、100～120℃以及90min 時(shí)，會(huì)達(dá)到最佳的制備工藝應(yīng)用效果。

2.2 以硼酸和硼砂為原料的制備工藝

2.2.1 材料準(zhǔn)備

①化學(xué)原料：硼砂、硼酸、鹽酸以及甘露醇四種材料，并保證各材料的純度規(guī)格達(dá)到AR 等級(jí)；②儀器設(shè)備：電子分析天平、真空泵、恒溫磁力攪拌器以及恒溫鼓風(fēng)干燥箱。同時(shí)，為了實(shí)驗(yàn)四水八硼酸鈉的制備效果，分析制備工藝的流程影響，還需要準(zhǔn)備X 射線衍射儀、拉曼光譜儀、掃描電鏡、激光顯微鏡、傅里葉紅外光譜儀等儀器設(shè)備。

2.2.2 工藝流程

以硼酸和硼砂為原料的四水八硼酸鈉制備工藝流程與以硼酸和氫氧化鈉為原料的制備工藝基本相同，但需注意的是，在合成反應(yīng)環(huán)節(jié)當(dāng)中，由于硼酸與硼砂的反應(yīng)能力較強(qiáng)，可將恒溫?cái)嚢璧姆磻?yīng)時(shí)間縮短至150min 以內(nèi)。

2.2.3 工藝分析

首先，在反應(yīng)時(shí)間100min、反應(yīng)溫度100℃的穩(wěn)定條件下，通過(guò)產(chǎn)物分析、譜圖檢測(cè)等手段對(duì)硼砂用量與四水八硼酸鈉制備質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨硼砂用量的遞增，工藝產(chǎn)物中氧化硼含量呈現(xiàn)出先持續(xù)增長(zhǎng)，到某一節(jié)點(diǎn)后逐漸下降的趨勢(shì)，節(jié)點(diǎn)處的硼砂用量為1.4。同時(shí)，經(jīng)XRD 圖譜檢測(cè)法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化硼含量處在上升階段時(shí)，工藝產(chǎn)物中晶態(tài)的五硼酸鈉會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)的四水八硼酸鈉，進(jìn)而使得產(chǎn)物品質(zhì)不斷提高。而在超過(guò)1.4這一用量節(jié)點(diǎn)后，有較微弱的五硼酸鈉產(chǎn)生，即表示四水八硼酸鈉的轉(zhuǎn)化量減少，氧化硼含量降低；其次，對(duì)反應(yīng)物的固液比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在固液比處在0.2～0.6時(shí)，工藝產(chǎn)物中的氧化硼含量在62.3%～62.5%，并未發(fā)生明顯變化。而當(dāng)固液比超過(guò)0.6后，直至0.95左右，氧化硼含量急劇上升，由62.5%以下升至66.0%以上；其后，固液比超過(guò)0.95，氧化硼的含量曲線出現(xiàn)回落，但總體高于固液比0.6之前的含量水平。究其原因，主要是固液比處在0.6以下時(shí)，反應(yīng)物中的水分含量過(guò)低，難以支持硼酸與硼砂的合成；而固液比高于0.95時(shí)，可從拉曼光譜檢測(cè)結(jié)果中看出，八硼氧配陰離子、五硼氧配陰離子以及四硼氧配陰離子的特征峰逐漸顯現(xiàn)，表明由多種硼酸鈉混合物生成，進(jìn)而影響到四水八硼酸鈉的產(chǎn)出質(zhì)量；最后，與硼酸和氫氧化鈉制備工藝的分析過(guò)程與分析結(jié)果相同，硼酸與硼砂的最佳反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間為100℃和90min。

基于以上，在以硼酸和硼砂為原料制備四水八硼酸鈉時(shí)，將反應(yīng)物固液比、硼砂用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件因素控制在0.95、1.4、100℃以及90min 時(shí)，會(huì)達(dá)到最佳制備工藝應(yīng)用效果。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，四水八硼酸鈉在現(xiàn)代社會(huì)中具有高度的應(yīng)用價(jià)值與普及前景，研究四水八硼酸鈉的相關(guān)工藝對(duì)滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展需求具有重要意義。因此，相關(guān)人員在制備四水八硼酸鈉的實(shí)踐中，必須要注重各類反應(yīng)條件的有效控制，以便提高四水八硼酸鈉的產(chǎn)量，并適當(dāng)降低工藝成本。