CC BY
18Растворение боратного стекла X-230 в разбавленных растворах соляной
кислоты
1 12
Ашхотов О.Г. (oandi@rambler.ru) , Ашхотова И.Б. , Бугулова И.Р.
Кабардино-Балкарский госуниверситет (Нальчик) Владикавказский технологический центр "Баспик" (Владикавказ)
При изготовлении микроканальных пластин (МКП) для электронно-оптических преобразователей в качестве жил в невытравленных заготовках МКП используется боратное стекло Х-230. Для получения МКП с оптимальными характеристиками чрезвычайно важно знать, как идет процесс растворения жилы стекла Х-230. В этой связи представляет интерес изучение поведения боратного стекла Х-230 в растворах соляной кислоты и, поэтому в настоящей работе исследовалась кинетика растворения Х-230 в разбавленных растворах HCl.
В [1] изучали влияние концентрации кислоты на скорость проработки пластин ликвировавших натриевоборосиликатных стекол. Показано, что увеличение концентрации соляной кислоты от 0,1-1,0н приводит к значительному увеличению скорости проработки пластин двухфазного стекла состава Na-B-Si за исключением случая обработки при 20°С. Дальнейшее увеличение концентрации кислоты до 3н не влияет на скорость роста толщины пористого слоя при температурах 20-70°С.
Количественная кинетическая характеристика взаимодействия Na-Al-B-Si с растворами HCl, HF приведена в работе [2], из которой следует, что оксид бора, выщелачиваясь в растворах, образует в поверхностных слоях трудно растворимые соединения.
Влияние концентрации HCl на кинетику выщелачивания натриевобо-росиликатного стекла с разделением фаз изучено в [3]. Найдено, что скорость выщелачивания Na-B-Si стекла с разделением фаз экстремально зависит от концентрации HCl и обнаруживает максимум при концентрации ~ 0,3н. нтрации ( 0,3н. ь обусловлена переходом процесса выщелачивания из
области смешивания (при низкой концентрации кислоты), где ведущую роль играют химическое взаимодействие, к диффузионной области (при высокой концентрации кислоты).
В [4] исследовано влияние pH растворов HCl на скорость растворения обогащенной бором фазы в литиевоборосиликатном стекле. Показано, что скорость растворения быстро возрастает по мере уменьшения рН раствора. Выщелачивание практически завершается после обработки в течение 8 ч. Оставшаяся после растворения фаза представляет почти чистый SiO2, а растворимая боросодержащая фаза представлена стеклом, состоящим из Li2O u B2O3.
Авторами [5] проведено исследование кинетики выщелачивания двухфазных натриевоборосиликатных стекол и установлена ее зависимость от слоистости получающегося пористого стекла, которая обусловлена неравномерным осаждением кремнезема в порах.
Структура пористых высококремнеземных стекол, полученных выщелачиванием ликвирующих натриевоборосиликатных стекол (№2О 7%) исследована в работе [6]. Выщелачивание проводилось в среде 0,1-6,0н HCl при различных температурах в течение времени от нескольких часов до 120 ч.
Условия эксперимента. В настоящей работе в качестве растворимого стекла использовалось стекло марки Х-230 (ГОСТ 3240-77,ТУ-4381) следующего состава: SiO2 (2,2%), B2O3 (57,8%), K2O (8,2%), BaO (19,0%), CaO (3,8%), Al2O3 (8,8%), MgO (0,8%). Для изучения кинетики растворения стекла Х-230 использовались полированные диски диаметром 24,8 мм толщиной 430 мкм. Опыты проводились в стеклянных стаканах, устойчивых к действию используемых химических реагентов, которые размещались в термостате, обеспечивающем выдержку при температуре эксперимента с точностью ±0,5оС в интервале температур от комнатной до 60оС. Образцы закреплялись на держателях из фторопласта. Объем раствора HCl составлял 250 мл из расчета на один образец. Образцы взвешивались на микроаналитических весах с точностью до 0,00005 г. Скорость травления оценивалась по потере
массы образцов после травления. Величина средних потерь в массе воспроизводилась на разных образцах при низшей температуре с точностью ±9%, а при высшей — ±2%.
Результаты и их обсуждение. Как следует из приведенных результатов (рис.1,2), временные зависимости потери массы стекла Х-230 линейные, что, в свою очередь, позволяет сделать вывод о том, что имеет место реакция нулевого порядка. С учетом этого, были рассчитаны константы скорости и энергии активации процесса по методике, описанной в [8]. Результаты расчетов этих параметров для стекла Х-230 представлены в табл.1.
Табл.1. Расчет константы скорости и энергии активации растворения борат-ного стекла Х-230 в 0.2н, 0.3н растворах HCl
С, н T, 0C т, мин. ^мин-1 lg(K2/K^ E, КДж/моль
0,2 20 108 0,0046
0,2 50 10 0,050 1,036 66,4
0,3 20 125 0,004
0,3 30 41 0,012 0,477 80,9
0,3 40 25 0,020
0,3 50 19 0,026
Рис. 1. Кинетика растворения стекла Х-230 в растворах соляной кислоты разной концентрации.
а - при температуре 25оС, б - при 35оС, в - при 45оС, г - при 55оС.
На рис.1 приведена кинетика травления стекла Х-230 для различных концентраций соляной кислоты в интервале 25-55оС и рассчитаны соответствующие уравнения, которые использовались при расчете константы скорости и энергии активации растворения боратного стекла Х-230 в 0.2н, 0.3н
растворах HCl. Абсолютные значения коэффициентов этих уравнений и представляют собой средние скорости травления (табл.2).
Табл.2. Уравнения кривых кинетики травления стекла Х-230 для растворов
соляной кислоты разной концентрации
Концентрация раствора, н Уравнение
0,05 y=-0.0011x+0.6125
0,15 y=-0.0023x+0.6123
0,20 y=-0.0026x+0.61
0,50 y=-0.0035x+0.6116
1,0 y=-0.0046x+0.6072
гр/мин 0.00501
0.0040 ^
0.0030
0.0020 f
0.0010 7
0.0000 —■-■-■-■-■-■-■-■-7-тт_
0.0 0.2 0.4 0.6 г-экв/л HCl
Рис.2. Изменение средней скорости Х-230 при травлении растворами HCl при температуре 25оС.
На рис.2 отражено изменение этой скорости с изменением концентрации соляной кислоты. Можно заметить, что скорость в интервале концентраций 0.00-0.2н HCl выше, чем при более высоких концентрациях кислоты. Изменение скорости травления, приведенной на рис.2 можно объяснить следующим образом. Основу стекла Х-230 составляют соединения, которые по-разному взаимодействуют с HCl. Большую скорость при низких концентрациях кислотного раствора вероятнее всего можно объяснить тем, что в этом случае ведущую роль играет химическое взаимодействие.
Начиная с концентрации растворов от 0.2н и более стекло, реагируя с кислотой, образует в поверхностных слоях трудно растворимые соединения бора, а также выпадают в осадок гидратированные окислы Si и Al. В результате чего, процесс химического взаимодействия переходит из области смешивания к диффузионной области.
Выводы. Исследование кинетики растворения стекла Х-230 в разбавленных растворах HCl показало, что имеет место реакция нулевого порядка. Как и следовало ожидать, увеличение концентрации HCl или температуры раствора приводит к росту скорости реакции. Выполнен расчет константы скорости и энергии активации растворения боратного стекла Х-230 в 0.2н, 0.3 н растворах HCl.
Литература
1. Антропова Т.В., Роскова Г.Т. Влияние концентрации кислоты на скорость проработки пластин ликвировавших натриевоборосиликаных стекол. //Физ. и хим. стекла, 1986, 12, №5, с.583 -590.
2. Белюстин А.А., Ивановская И.С. Состав поверхностных слоев, обрамления после взаимодействия с растворами, и электродные свойства щелоч-ноалюмоборосиликатных стекол. // Натриевоалюмоборосиликатное стекло // Физ. и хим. стекла, 1995, 21, №5, с. 507 -517.
3. Venrel B.I., Svatovskaya L.G., Melnikova I.W. Influence of hydrochloric acid concentration on the leaching lineticsof phase separated sodium borosilicate glasses. (Влияние концентрации HCl на кинетику выщелачивания натрие-воборосиликатного стекла с разделением фаз). // Proc. 17 th Int. Congr. Crlass [Beijing., 1995] Vols. -Beijing, 1995, c. 437-440.
4. Rigbi Z., Schonvald G. The influence of pH on the dissolution rate of phase separated lithium borosilicate glass. (Влияние pH на скорость растворения
литиево-боросиликатного стекла с фазовым разделением). // Glass Technol. 1984, 25, №3, с.157 -158.
5. Вензель Б.И., Сватовская А.Г., Мельникова И.М. Исследование кинетики выщелачивания ликвирующих натриевоборосиликатных стекол в связи со структурой образующихся простых стекол. //Физ. и хим. стекла, 1987, 13, №4, с. 628 -631.
6. Чернышова Г.Л., Леликова А.И. Исследование зависимости структуры пористых стекол от условий химической обработки. //Исследования в области химической технологии стекла и стеклоизделий. М., 1986. с.71-73.
7. Еремин Е.Н. Основы химической кинетики. -М.: Высшая школа, 1976.
8. Ашхотов О.Г., Ашхотова И.Б., Мусаева Э.Б., Керефов А.Х. Растворение соляной кислотой боратного стекла Х-230 в заготовках микроканальных пластин. //Микроканальные пластины. Материалы научно-технических конференций. Вып.1. Владикавказ, 2002.
