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        四元鹽水體系熱力學(xué)性質(zhì)和相平衡的預(yù)測(cè)*

        2014-09-18 06:52:20翦立新吳曉婭譚雨齊陳子芳
        關(guān)鍵詞:體系實(shí)驗(yàn)模型

        翦立新,吳曉婭,譚雨齊,陳子芳,尹 霞

        (湖南大學(xué) 化學(xué)傳感與計(jì)量學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

        1 模型方法

        為準(zhǔn)確描述電解質(zhì)溶液的熱力學(xué)性質(zhì),Clegg和Pitzer等人[3]提出了一個(gè)用于計(jì)算任意多元電解質(zhì)溶液由稀到濃的熱力學(xué)性質(zhì)的模型(簡(jiǎn)稱PSC模型),該模型關(guān)于體系中各物種活度系數(shù)的計(jì)算公式較為復(fù)雜,基本形式如下:

        A=a+bT,(A=Bca,WW,ca,UW,ca,VW,ca,Wijk,

        QW,ijk,Uijk)

        在計(jì)算三元體系及多元體系相圖之前,需要知道體系中各固相的平衡常數(shù).對(duì)任何給定的鹽Mv+Xv-·nH2O,其溶解平衡可表示為:

        Mv+Xv-·nH2O=v+M++v-X-+nH2O

        達(dá)到平衡時(shí),平衡常數(shù)K的表達(dá)式為:

        lnK=v+lnaM++v-lnaX-+nlnaH2O

        aM+,aX-和aH2O分別為M+,X-和水的活度.利用二元模型參數(shù)和二元體系的溶解度數(shù)據(jù)可計(jì)算出不同溫度下的平衡常數(shù)K,并將其與溫度關(guān)聯(lián)成以下形式:

        lnK=A+B/T+CT+DlnT

        結(jié)合所獲得的二元及三元模型參數(shù)以及不同溫度下的平衡常數(shù)K,就可以計(jì)算三元和四元體系的溶解度.本文在模型計(jì)算中所用的程序均為作者用C語言自行編寫.

        2 三元體系溶解度的計(jì)算

        2.1 三元體系溶解度的計(jì)算

        KCl-H2O體系的PSC模型參數(shù)采用Holmes等人[4]所提供的298.15 K和423.15 K時(shí)的滲透系數(shù),KNO3-H2O體系的模型參數(shù)擬合于Zeng等人[5]及Barry[6]所給的298.15 K和425.5 K的水活度數(shù)據(jù).對(duì)于MgCl2-H2O體系,本文用Rard等人[7]提供的298.15 K的水活度和Fangh?nel等人[8]所給的373.45 K的水活度擬合二元參數(shù),Mg(NO3)2-H2O體系的二元參數(shù)擬合于298.15 K[9]和333.15 K[10]的水活度數(shù)據(jù),NaCl-H2O體系的二元參數(shù)擬合于文獻(xiàn)[11]所提供的298.15 K和348.15 K的水活度,NaNO3-H2O體系的二元參數(shù)采用Pearce等人[12]提供的298.15 K的水活度和Bobmann等人[13]提供的424.96 K的數(shù)據(jù).所有二元參數(shù)與溫度的關(guān)系式列于表1.

        表1 二元PSC模型參數(shù)

        表2 四元體系中固相的ln K與溫度T (K)的關(guān)系

        100 w

        100 w

        2.2 三元鹽水體系的熱力學(xué)計(jì)算

        根據(jù)本組前期研究[2]可知,僅用PSC模型的二元參數(shù)難以準(zhǔn)確計(jì)算三元體系的相圖.為獲得三元鹽水體系的準(zhǔn)確信息,用相關(guān)體系的溶解度數(shù)據(jù)分別擬合三元相互作用參數(shù),所用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源及參數(shù)與溫度的關(guān)系式見表3.結(jié)合表1~3中的二元及三元模型參數(shù)分別計(jì)算KCl-MgCl2-H2O,KNO3-Mg(NO3)2-H2O,KCl-KNO3-H2O,MgCl2-Mg(NO3)2-H2O,KNO3-NaNO3-H2O,MgCl2-NaCl-H2O,Mg(NO3)2-NaNO3-H2O,KCl-NaCl-H2O和NaCl-NaNO3-H2O體系的相圖,并與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比,結(jié)果見圖2~10.

        對(duì)于KCl-KNO3-H2O體系,預(yù)測(cè)了溫度范圍在273.15 K~364.15 K的共飽和線(圖4(a)中的點(diǎn)劃線),并與文獻(xiàn)值[17](圖4(a)中的符號(hào))進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)二者完全吻合.同時(shí)計(jì)算了不同溫度下共飽和點(diǎn)組成所對(duì)應(yīng)的飽和溶液的水活度,并按式(4)換算成飽和蒸汽壓,與實(shí)驗(yàn)值[17]進(jìn)行對(duì)比(見圖4(b)),結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值基本一致.

        aw(T)=p(T)/p*(T)

        式中p(T)和p*(T)分別為溫度T時(shí)鹽溶液和純水的飽和蒸汽壓.

        另外將預(yù)測(cè)的KNO3-NaNO3-H2O和NaCl-NaNO3-H2O體系在363.15 K時(shí)飽和溶液的水活度與實(shí)驗(yàn)值[18]對(duì)比,結(jié)果分別見圖6(b)和圖10(b)),預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合,且誤差在實(shí)驗(yàn)值所給誤差范圍內(nèi).

        圖3 KNO3-Mg(NO3)2-H2O體系溶解度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值[14]比較

        圖4 KCl-KNO3-H2O體系熱力學(xué)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值[14, 17, 18]比較

        圖5 MgCl2-Mg(NO3)2-H2O體系溶解度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值[16]比較

        3 四元鹽水體系溶解度的預(yù)測(cè)

        圖6 KNO3-NaNO3-H2O體系熱力學(xué)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值[14, 19]比較

        圖7 MgCl2-NaCl-H2O體系溶解度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值[14]比較

        圖8 Mg(NO3)2-NaNO3-H2O體系溶解度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值[16]比較

        圖9 KCl-NaCl-H2O體系溶解度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值[14]比較

        NaNO3 mole fraction (free water)

        表3 三元PSC模型參數(shù)

        J(Mg2+)

        圖12 K+,Na+∥體系干鹽圖的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值[22]比較

        圖13 Mg2+,Na+∥體系干鹽圖的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值[16]比較

        圖14 298.15 K時(shí)K+,Mg2+,Na+∥體系干鹽圖的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值[25]比較

        4 結(jié) 論

        表4 K+,Na+∥體系的飽和蒸汽壓預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值[23]比較

        所用的二元模型參數(shù)擬合于水活度或滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)值,三元模型參數(shù)通過擬合三元體系的溶解度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到.

        計(jì)算結(jié)果充分說明應(yīng)用PSC模型,借助有限的二元及三元鹽水體系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)復(fù)雜鹽水體系的熱力學(xué)性質(zhì),為工程應(yīng)用提供可靠的理論指導(dǎo).

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