Axit flosilisic-H₂SiF₆ (Hexafluorosilicic Acid)-TQ-CN-1400kg- Tính Chất Hóa Lý và Ứng Dụng Công Nghiệp

 

I. Tính Chất Hóa Học và Vật Lý

A. Đặc Tính Cơ Bản

H₂SiF₆ là một hợp chất vô cơ với công thức phân tử H₂SiF₆, có khối lượng phân tử 144,09 g/mol. Chất này tồn tại dưới dạng dung dịch nước, không tồn tại ở trạng thái khan – một điểm quan trọng để hiểu rõ tính chất của nó. Dung dịch nước của H₂SiF₆ bao gồm muối của cation và anion hexafluorosilicate (SiF₆²⁻), và các dung dịch này có màu không màu.​

Tính Chất Vật Lý:

Tính chất	Giá trị
Màu	Không màu đến vàng nhạt​
Mùi	Cảm giác châm chích, pungent​
Mật độ	1,31 g/cm³ (ở 20°C)​
Điểm sôi	108-109°C (ở 958 hPa)​, ​
Điểm đông	Tùy thuộc nồng độ; dung dịch 40,2% có thể được làm lạnh đến -50°C​
Độ tan trong nước	Hoàn toàn tan​
Áp suất hơi	Tương tự nước​
pH	Axit​
Độ ổn định	Giới hạn ổn định ở khoảng 40% nồng độ H₂SiF₆ trong nước​

B. Các Hình Thức Hydrat và Cấu Trúc Hóa Học

H₂SiF₆ đã được tinh thể hóa dưới dạng nhiều hydrat khác nhau, bao gồm (H₅O₂)₂SiF₆, (H₅O₂)₂SiF₆·2H₂O, và (H₅O₂)(H₇O₃)SiF₆·4,5H₂O. Trong tất cả những muối này, anion hexafluorosilicate hình bát diện được liên kết hydro với các cation. Các liên kết Si-F trong anion này có khoảng cách khoảng 1,71 Å.​

C. Hóa Học Trong Dung Dịch Nước

Điều quan trọng là hiểu rằng H₂SiF₆ không tồn tại dưới dạng phân tử thực sự trong dung dịch nước. Thay vào đó, nó phân huỷ thành nhiều loài trong cân bằng với nhau, bao gồm:

1. Cân bằng hơi hóa của HF và SiF₄: HF(aq) ⇌ HF(g) và SiF₄(aq) ⇌ SiF₄(g)

2. Phân ly điện của HF axit: HF ⇌ H⁺ + F⁻ và HF + F⁻ ⇌ HF₂⁻

3. Phân ly của SiF₆²⁻: SiF₆²⁻ ⇌ SiF₄(aq) + 2F⁻

4. Thủy phân của SiF₄: SiF₄ + 2H₂O ⇌ SiO₂(hydrat) + 4HF​

Hiện tượng này giải thích tại sao H₂SiF₆ được đặc trưng tốt nhất bằng một hệ thống được xác định theo nồng độ cụ thể của HF, H₂SiF₆, SiO₂ và H₂O, hơn là một chất riêng lẻ.

D. Độ Ổn Định Và Nồng Độ

Nồng độ H₂SiF₆ tối đa được sản xuất và bán trên thị trường là 47%. Tuy nhiên, giới hạn ổn định của chất được tìm thấy trong văn học là khoảng 60% nồng độ H₂SiF₆ trong nước. Các sản phẩm thương mại thường có nồng độ từ 20-47%.​

Tính chất phân tích tiêu chuẩn EN 12175 được sử dụng để phân tích H₂SiF₆ bằng cách dịch chuyển các cân bằng để biểu thị thành phần dưới dạng H₂SiF₆ và lượng dư fluoride được biểu thị dưới dạng HF (tuy nhiên không nhất thiết có HF "tự do" thực sự).​

E. Tính Chất Hóa Học – Tính Ăn Mòn Và Phản Ứng

H₂SiF₆ là một chất ăn mòn mạnh đối với hầu hết các kim loại và tấn công gương và thạch cao. Khi bị đốt nóng, nó phân huỷ, phát thải các hợp chất fluoride độc hại, có thể phản ứng bạo lực với các vật liệu kiềm,. Chất này không tương thích với axit mạnh cô đặc, kiềm mạnh, các tác nhân oxy hóa, chất rắn dễ cháy và các peroxide hữu cơ. Phản ứng với kim loại sản xuất khí hydro dễ cháy.​

Một tính chất đặc biệt là H₂SiF₆ có xu hướng tìm đường rò rỉ như một số hóa chất khác. Do đó, cần phải cẩn thận trong thiết kế bộ chứa.​

II. Ứng Dụng Trong Mạ Điện

A. Cơ Chế Hành Động

H₂SiF₆ được sử dụng trong một số ứng dụng mạ điện, mặc dù nó không phải là thành phần chính. Trong phép mạ, nó hoạt động như một tác nhân xử lý bề mặt kim loại, giúp loại bỏ các lớp oxy hóa và chuẩn bị bề mặt để mạ.

B. Các Loại Bể Mạ

Mặc dù các nguồn hiện tại không chỉ định rõ ràng nồng độ H₂SiF₆ trong các bể mạ niken tiêu chuẩn, nhưng H₂SiF₆ được biết đến trong các ứng dụng xử lý bề mặt kim loại. Ví dụ, một bể mạ niken điển hình (Bể Watts) có thành phần:​

Hóa chất	Nồng độ
NiSO₄·6H₂O	240-300 g/L (hoặc 20-30 oz/gal)
NiCl₂·6H₂O	30-60 g/L (hoặc 10-20 oz/gal)
H₃BO₃	30-50 g/L (hoặc 4-6 oz/gal)
Chất làm sáng	0,005-5 g/L

H₂SiF₆ hoặc fluorosilicate có thể được sử dụng ở nồng độ thấp (thường < 1-2% theo thể tích) như một tác nhân xử lý trước hoặc để cải thiện độ dẫn điện của bể,.​

C. Mạ Chì Ưu Điểm

H₂SiF₆ được sử dụng trong phép điện phân tinh luyện chì – được gọi là Quy Trình Betts – một ứng dụng quan trọng mà tôi sẽ mô tả chi tiết dưới đây.

III. Tách Au Từ Quặng Và Các Ứng Dụng Xử Lý Kim Loại Quý

A. Quy Trình Betts Cho Tinh Luyện Chì (Lead Refining)

Quy trình Betts là một quá trình công nghiệp để tinh luyện chì từ bullion không thuần khiết. Đây là ứng dụng chính và quan trọng nhất của H₂SiF₆ trong ngành kim loại quý.

Thành Phần Điện Phân:

Điện phân được thực hiện trong một hỗn hợp của chì fluorosilicate (PbSiF₆) và hexafluorosilicic acid (H₂SiF₆). Các thông số điều hành như sau:​

Thông số	Giá trị
Nồng độ Pb	40-45 g/L
Nhiệt độ	45°C (113°F)
Hiệu thế điện	0,5 Volt được áp dụng ban đầu, có thể tăng lên 0,7 V theo thời gian
Mật độ dòng	Khoảng 2 A/dm² (trong các điều kiện lịch sử)
Thời gian xử lý	Tùy theo khối lượng vật liệu
Nồng độ H₂SiF₆	Nước muối điện từ fluorosilicate chì được dùng; nồng độ tổng thể khoảng 20-25%

Cơ Chế Hành Động:

Cathode được làm từ các tấm chì tinh khiết mỏng, trong khi các anode được chúc từ chì không thuần khiết cần được tinh chế. Khi chạy:

• Ở anode: Chì hòa tan, như những tạp chất ít quý hơn chì (Cu, Ni, v.v.)

• Những tạp chất quý hơn chì (Ag, Au, Bi) rơi từ anode khi nó hòa tan, lắng xuống đáy bình dưới dạng "bùn anode"

• Ở cathode: Chì kim loại tinh khiết lắng đọng, với các kim loại ít quý hơn vẫn còn trong dung dịch,​

Lợi Thế Của Quy Trình Betts:

1. Khả năng tạo ra chì có độ tinh khiết cao (>99,99%)

2. Khả năng khôi phục các kim loại quý từ bùn anode (Au, Ag, Bi)

3. Hiệu quả của quy trình được chứng minh

Nhược Điểm Và Các Vấn Đề:

Một vấn đề lớn với quy trình Betts là:

1. Độ nhạy cảm với Antimon (Sb): Nếu chì thô chứa antimon có nồng độ cao (4-5% Sb), quá trình này sẽ gặp khó khăn. Nó chỉ hoạt động tốt khi nồng độ Sb ở mức 0,4-0,8%​

2. Phát thải HF: H₂SiF₆ có áp suất hơi bão hòa cao (27,5 kPa), dễ phân huỷ thành HF độc hại​

3. Chi phí cao: Do độ phức tạp, quy trình Betts chỉ được sử dụng khi cần chì tinh khiết cao​

Các Phương Pháp Thay Thế Mới:

Một phương pháp mới sử dụng axit clopheric (HClO₄) thay vì H₂SiF₆ đã được phát triển, giảm tiêu thụ năng lượng xuống còn khoảng 20% so với phương pháp Betts và không phát thải fluorine,.​

B. Tách Vàng Từ Quặng - Vai Trò Gián Tiếp

Mặc dù H₂SiF₆ không phải là một tác nhân tách vàng trực tiếp được sử dụng phổ biến, nhưng nó có các ứng dụng gián tiếp:

1. Tiền Xử Lý Quặng Khó Tiêu: Trong quặng khó tiêu chứa pyrít và các khoáng vật chứa sắt, các quá trình oxy hóa được sử dụng trước khi tách vàng. Các loại axit khác được ưa thích (H₂SO₄, HNO₃, HF).

2. Xử Lý Nước Thải Mở Quặng: H₂SiF₆ có thể được sử dụng để xử lý các chất tẩy rửa axit mở quặng chứa fluoride.​

3. Sản Xuất Hóa Chất Tách: H₂SiF₆ được sử dụng để sản xuất các muối hexafluorosilicate được sử dụng trong một số quy trình xử lý quặng.

Các phương pháp tách vàng trực tiếp phổ biến hơn sử dụng cyanide (NaCN khoảng 400-1000 ppm) hoặc thiourea (0,2-1,0 g/L với 0,75 g/L Fe³⁺).​

IV. Ứng Dụng Công Nghiệp Khác

A. Flo Hóa Nước Uống (Water Fluoridation)

Đây là ứng dụng lớn nhất của H₂SiF₆ trên toàn thế giới. H₂SiF₆ được sử dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia bao gồm Hoa Kỳ, Anh, Ireland và các quốc gia khác.​

Nồng Độ Và Liều Lượng:

Ứng Dụng	Nồng độ
Mục tiêu fluoride cuối cùng trong nước uống	0,7 mg/L (mg/L = ppm) (khuyến cáo PHS 2015 USA)​, ​
WHO khuyến cáo	0,5-1,5 mg/L tùy theo khí hậu​
EPA tiêu chuẩn uống nước	Tối đa 4,0 mg/L; tiêu chuẩn phụ 2,0 mg/L để bảo vệ trẻ nhỏ khỏi phì nước bọt​
Nước đóng chai	Tối đa 0,7 mg/L (FDA, Hoa Kỳ)​
Nồng độ H₂SiF₆ để sử dụng	6,0 mg/L của dung dịch 25% H₂SiF₆ (tương ứng với 1,2 mg/L fluoride)​
Nồng độ Na₂SiF₆	2,0 mg/L tương ứng với 1,2 mg/L fluoride​

Cơ Chế Hoạt Động:

H₂SiF₆ được thêm vào nước công cộng, nơi nó nhanh chóng thủy phân thành fluoride, SiO₂ (silica) và các sản phẩm khác. Phản ứng thủy phân:

6H2O+H2SiF6→Si(OH)4+6H++6F−6H2O+H2SiF6→Si(OH)4+6H++6F−

SiO₂ thủy hóa (Si(OH)₄) được coi là tự nhiên và không phải là mối nguy hiểm sức khỏe.​

B. Xử Lý Bề Mặt Kim Loại Khác - Tẩy Rỉ Sét

H₂SiF₆ được sử dụng trong một số ứng dụng tẩy rỉ sét và xử lý bề mặt:

1. Tẩy Rỉ Sét Thép Không Gỉ: HF được kết hợp với HNO₃ cho quá trình tẩy rỉ. Thành phần bề thường bao gồm:

Thành phần	Nồng độ (g/L)
HNO₃ tự do	100-130
HF tự do	20-40
Fe³⁺	35-45

Khi nồng độ sắt tăng, hoạt tính tẩy rỉ giảm. Tốt nhất là giữ nồng độ kim loại dưới 40-50 g/L.​

2. Tẩy Rỉ Vật Liệu Đồng-Niken: HF/HNO₃ được sử dụng, với H₂SiF₆ đôi khi được xem xét cho các ứng dụng đặc biệt.​

3. Nhiễm Điện Chì (Betts Process) - Đã mô tả chi tiết ở trên.

C. Sản Xuất Fluoride Nhôm (Aluminum Fluoride - AlF₃)

H₂SiF₆ là nguyên liệu chính để sản xuất AlF₃, được sử dụng trong luyện nhôm để giảm nhiệt độ nóng chảy từ 1500°C xuống 600-850°C.​

Quy Trình:

Hexafluorosilicic acid được phản ứng với Al(OH)₃ hoặc Al₂O₃:

Thông số	Giá trị
Nhiệt độ phản ứng	40-110°C
Thời gian phản ứng	1-20 phút
Tỷ lệ mol Al(OH)₃:H₂SiF₆	1,7-1,99 (tối ưu: 1,97:1)
Tỷ lệ mol CaCl₂:H₂SiF₆ (cho CaSiF₆)	2-5 (cho nước muối canxi)
Nồng độ H₂SiF₆	> 25% (khối lượng)
Hiệu suất	> 94% có thể đạt được

Sau phản ứng, slurry được lọc ngay để tách silica cake và lấy dung dịch chứa AlF₃. Sau đó AlF₃ được tinh thể hóa từ dung dịch bằng cách hạt giống với AlF₃·3H₂O ở 70-90°C trong 4 giờ.​

Sản Phẩm Phụ:

Từ quá trình này, một bánh silica chứa khoảng 30% độ ẩm và 10% nội dung AlF₃ được tạo ra.​

D. Bảo Quản Gỗ (Wood Preservation)

H₂SiF₆ được sử dụng để sản xuất các tác nhân bảo quản gỗ, đặc biệt là các muối hexafluorosilicate của nhôm và magiê. Các ứng dụng này cung cấp:

1. Bảo vệ chống nấm

2. Bảo vệ chống côn trùng

3. Tăng độ bền của gỗ

Nồng độ sử dụng thường là 2-5% (theo thể tích) của axit trong các hỗn hợp bảo quản,.​

E. Sản Xuất Gốm và Sứ (Ceramics and Ceramware)

H₂SiF₆ được sử dụng để:

1. Tăng độ cứng của gốm

2. Là tác nhân khắc mặt để tạo ra các hoàn thiện độc đáo

3. Được sử dụng trong emalie cho gốm sứ,​

Nồng độ điển hình: 1-3% theo thể tích.​

F. Vô Trùng Hóa Thiết Bị (Equipment Sterilization)

H₂SiF₆ được sử dụng để khử trùng các bộ phận thiết bị trong các nhà máy bia, chai rượu và các cơ sở khác.

Nồng độ:

Ứng Dụng	Nồng độ
Vô trùng hóa thiết bị nấu bia/chai rượu	1-2% (theo thể tích)

Chất này hoạt động bằng cách axit hóa và phá vỡ các màng sinh học trên bề mặt, ,.​

G. Khử Trùng Tàu/Mặt Đồng-Đồng (Disinfection of Copper and Brass)

H₂SiF₆ được sử dụng để khử trùng các bộ phận đồng và đồng vàng trên tàu.

Nồng độ: Nồng độ không được chỉ định chính xác nhưng thường là 1-5% dung dịch cho mục đích khử trùng , ,.​

H. Tăng Cứng Xi Măng (Cement Hardening)

H₂SiF₆ được sử dụng để tăng tính chất cơ học của xi măng.

Nồng độ và Liều Lượng: Khoảng 0,5-2% (theo khối lượng) của xi măng được thêm vào.​

V. Bảng Tóm Tắt Liều Lượng Ứng Dụng

Ứng Dụng	Nồng độ/Liều Lượng	Ghi Chú
Flo Hóa Nước Uống	6,0 mg/L H₂SiF₆ (dung dịch 25%) hoặc 2 mg/L Na₂SiF₆	Đạt 0,7-1,0 mg/L F⁻ cuối cùng
Quy Trình Betts (Tinh Luyện Chì)	Nước muối 20-25% H₂SiF₆; Pb 40-45 g/L	45°C; 0,5V điện thế ban đầu
Mạ Niken	< 1-2% H₂SiF₆ (xử lý trước)	Thành phần bể chính: NiSO₄ 240-300 g/L
Sản Xuất AlF₃	> 25% H₂SiF₆ (khối lượng); tỷ lệ mol Al:FSA = 1,97:1	40-110°C; 1-20 phút phản ứng
Bảo Quản Gỗ	2-5% H₂SiF₆ hoặc các muối hexafluorosilicate	Hỗn hợp xử lý gỗ
Gốm Sứ	1-3% (theo thể tích)	Tăng độ cứng, khắc
Vô Trùng Thiết Bị	1-2% (theo thể tích)	Bia, rượu, chai
Khử Trùng Đồng/Đồng Vàng	1-5% dung dịch	Khử trùng tàu
Xi Măng	0,5-2% (theo khối lượng)	Tăng cứng
Tẩy Rỉ Thép Không Gỉ	HF 20-40 g/L (với HNO₃ 100-130 g/L)	Nhiệt độ dưới 60°C

VI. An Toàn Và Xử Lý

Tính Chất Nguy Hiểm:

1. Độc Tính: H₂SiF₆ là độc tính cao qua đường hít, nuốt và tiếp xúc da. Tiếp xúc con người có thể gây chấn thương hoặc tử vong.​

2. Phân Huỷ Nhiệt: Phân huỷ khi nóng, phát thải HF độc hại và các hợp chất fluoride,.​

3. Tính Ăn Mòn: Ăn mòn đối với hầu hết kim loại, tấn công gương và thạch cao,.​

4. Tìm Đường Rò Rỉ: Có xu hướng tìm đường rò rỉ trong các bộ chứa,.​

5. Các Vật Liệu Không Tương Thích: Kiềm mạnh, axit cô đặc, tác nhân oxy hóa, chất rắn dễ cháy, các peroxide hữu cơ,.​

Khuyến Nghị Lưu Trữ:

• Bộ chứa: XLPE (Cross-linked Polyethylene) với mật độ tương đối 1,9​

• Các phụ tùng tiếp xúc: PVC hoặc C-276 Hastelloy​

• Giotin: EPDM hoặc Viton GF​

• Nắp: Nắp cửa sổ kín để quản lý khí thải hóa chất​

• Nhiệt độ: Không vượt quá 100°F (37,8°C) khi giao hàng hoặc lưu trữ​

• Nước: Khuyến cáo thông gió bên ngoài môi trường kín do nguy hiểm sức khỏe từ khí và thiệt hại cho gương và kim loại​

Tối Thiểu Hóa Rủi Ro:

Một hệ thống hoàn chỉnh trang bị các tính năng chuyên biệt có thể giảm đáng kể rủi ro liên quan đến hóa chất độc này.