【摘 要】
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硼酸及硼酸衍生物的应用领域广泛,其产量需求逐年攀升。高科技领域特别是涉核领域,所需求的硼酸对质量要求极高,除纯度需要达到99.5%以上,某些金属杂质含量需要控制在ppm级,现有的硼酸合成方法难以满足涉核领域的要求,所以开展一种创新型核级硼酸制备工艺具有重要意义。本研究应用实验与分子模拟手段相结合,探讨了三氟化硼与水反应的工艺可行性,为核级硼酸的工业合成方法提供了实验指导和理论支持。首先,利用三氟化
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硼酸及硼酸衍生物的应用领域广泛,其产量需求逐年攀升。高科技领域特别是涉核领域,所需求的硼酸对质量要求极高,除纯度需要达到99.5%以上,某些金属杂质含量需要控制在ppm级,现有的硼酸合成方法难以满足涉核领域的要求,所以开展一种创新型核级硼酸制备工艺具有重要意义。本研究应用实验与分子模拟手段相结合,探讨了三氟化硼与水反应的工艺可行性,为核级硼酸的工业合成方法提供了实验指导和理论支持。首先,利用三氟化硼与水一步法制备硼酸,通过控制原料摩尔比、反应时间获取硼酸粗品。其次,针对纯度不够和杂质含量过高问题,采取重结晶法对硼酸产品进行提纯,考察了结晶温度以及溶液浓度对产物纯度的影响。最后,采用X射线衍射、扫描电镜、X射线能谱仪和电感耦合等离子体质谱等手段对硼酸产品进行表征,证实重结晶所得硼酸纯度可达99.56%,杂质含量小于1 ppm,收率为86.63%,基本符合核级硼酸纯度标准。此外,采用Materials Studio分子模拟软件,对反应中涉及到的分子结构进行优化,计算分子能量,并使用DMOl~3模块,利用GGA/BP泛函,运用LST/QST计算方法对过程中所涉及的部分反应进行模拟计算,为核级硼酸制备反应的进行提供理论指导。分子模拟结果证实水的HOMO能量最高,三氟化硼的LUMO值较低,水与三氟化硼容易发生反应。HBF（OH）3→B（OH）3+HF为生成硼酸的反应,反应势垒较小,反应容易发生。HBF3OH+H2O→HBF2（OH）2+HF、HBF3OH+HF→HBF4+H2O、BF3+HF→HBF4等三个反应为放热反应,释放热量较多,为避免能量浪费和副反应发生,需要控制反应温度不要高于450 K。
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