научная статья по теме ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА СИСТЕМЫ LI2SO4 LICL H2O ПРИ 490–520°С Химия

Текст научной статьи на тему «ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА СИСТЕМЫ LI2SO4 LICL H2O ПРИ 490–520°С»

ЖУРНАЛ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 60, № 10, с. 1394-1404

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УДК 541.123

ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА СИСТЕМЫ Li2SO4-LiCl-H2O ПРИ 490-520°С

© 2015 г. М. А. Урусова, В. М. Валяшко

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва E-mail: valyashko@igic.ras.ru Поступила в редакцию 31.12.2014 г.

Исследованы фазовые равновесия в системе Li2SO4—LiCl—H2O с пограничными подсистемами различного типа — 1-го (LiCl—H2O) и 2-го (Li2SO4—H2O). Тройные критические кривые (г=ж—тв) и (ж1=ж2—тв), начинающиеся в конечных критических точках "р" и Q двойной системы 2-го типа, не объединяются в единую кривую с двойной гомогенной критической точкой (г=ж—тв) (ж1=ж2—тв), но заканчиваются инвариантными точками (г=ж1—ж2—тв) и (г—ж1=ж2—тв), объединенными моновариантной 4-фазной кривой (г—ж1—ж2—тв) при температуре ниже 490°С. Установлено, что при 490—520°C критические явления в насыщенных растворах отсутствуют, а растворимость каждой из солей изменяется непрерывно от двойной водной системы до растворимости в безводном расплаве. Выше температуры 4-фазного равновесия (г—ж1—ж2—тв) обнаружена область расслаивания ненасыщенных растворов в присутствии газа (г—ж1—ж2), ограниченная моновариантными критическими кривыми (г=ж1—ж2) и (г—ж1=ж2), которая сокращается с ростом температуры и исчезает в трикритической точке (г=ж1=ж2) при ~520°C.

DOI: 10.7868/S0044457X15100189

В предыдущей работе по исследованию сверхкритических равновесий в системе Ы2804—ЫС1— Н20 [1] было показано, что до 470°С в этой системе существуют две области составов гетерогенных растворов, в одной из которых возникает двухфазное равновесие жидкости и пара (газа), а в другой — равновесие расслаивания двух жидкостей. Первое равновесие примыкает к бинарной подсистеме 1-го типа ЫС1—Н20, второе — к подсистеме 2-го типа Ы2804—Н20. Между ними находится флюидная область с гомогенным сверхкритическим флюидом (ненасыщенным или в равновесии с твердой фазой) при любых давлениях.

Как показывают экспериментальные данные, поведение фазовых равновесий в рассматриваемой системе сходно с тем, что наблюдалось в других трехкомпонентных системах с двумя подсистемами различного типа (1-го и 2-го) при сверхкритических температурах [1—6]. С ростом температуры область флюидных равновесий в таких системах сокращается и исчезает, что приводит к возникновению единой области гетерогенных растворов, распространяющейся от одной пограничной двойной системы до другой, в пределах которой наблюдается переход от газово-жидких равновесий (г-ж) и (г—ж—тв) к жидкофазным (ж1—ж2) и (ж1—ж2—тв). При этом происходит объединение двух критических кривых (г=ж—тв) и (ж1=ж2—тв), исходящих из одноименных критических точек р и Р бинарной системы 2-го типа.

Как показано в [1], с ростом температуры в системе Ы2804—ЫС1—Н20 наблюдается сближение

давлений в указанных критических равновесиях (г=ж—тв) и (ж1=ж2—тв) и при 470°С они почти совпадают, хотя составы критических растворов существенно различаются. Это свидетельствует о том, что рассматриваемые кривые не объединяются в единую монотонную критическую кривую с двойной гомогенной критической точкой (ЭНР) (г=ж—тв) ^ (ж1=ж2—тв) [6], но переход одного критического равновесия в другое осуществляется через возникновение 4-фазного равновесия (г—ж1—ж2—тв) при температуре несколько выше 470°С [1]. Подобный вариант изменения критических равновесий, рассмотренный в [2, 5, 6], предполагает, что при дальнейшем возрастании температуры исчезает 4-фазное расслаивание насыщенных растворов, но остается область 3-фаз-ного расслаивания в ненасыщенных растворах (г—ж1—ж2), где моновариантные критические кривые (г=ж1—ж2) и (ж1=ж2—г) завершаются трикритической точкой КЫ (г=ж1=ж2). При температурах, превышающих ГК№ критические поверхности, распространяющиеся от пограничных бинарных кривых (г=ж) и (ж1=ж2), объединяются в единую критическую поверхность.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В настоящей работе исследовали фазовые равновесия в системе Ы2804—ЫС1—Н20 при температурах выше 470 (490—520)°С с целью обнаружения расслаивания растворов в присутствии газа (пара).

ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА СИСТЕМЫ Li2SO4-LiCl-H2O ПРИ 490-520°С

1395

Работу проводили с помощью той же аппаратуры и теми же методами, что и в [1—8]: определение давлений фазовых переходов в автоклаве с ртутным затвором и построение на основе полученных данных кривых p— V при T = const. Давление обычно определяли манометром на 100 МПа (класс точности 1). Изломы на этих кривых указывают на давления, при которых происходит изменение фазового состояния водно-солевой смеси известного состава. Полученные данные используются для построения кривых p—X (при T = const и постоянном соотношении количеств одного из солевых компонентов и воды (обычно LiCl/H2O)), которые позволяют найти состав насыщенного раствора и давление в 3-фаз-ном равновесии (г—ж—тв) или (ж1—ж2—тв).

Кривые p— V в исследуемой области температур отличаются рядом особенностей в зависимости от состава исходной смеси (загрузки автоклава). При относительно невысоких содержаниях LiCl (10-15 мас. % в сумме (LiCl + H2O)) и Li2SO4 (до 15-20 мас. % в сумме (Li2SO4 + LiCl + H2O)) кривые p-V имеют достаточно четкие изломы. Когда содержание Li2SO4 увеличивается (при таких же количествах LiCl), изломы становятся менее выраженными и найденные по ним значения давления можно считать приближенными. При 15-20 мас. % LiCl в сумме (LiCl + H2O) на кривых p—Vнередко обнаруживаются два излома (рис. 1), не всегда достаточно четких. При 25-30 мас. % LiCl в сумме (LiCl + H2O) кривые p-V представляют собой две практически прямые линии, угол пересечения которых хорошо выражен, так что в этой области составов все полученные данные являются достаточно надежными.

В табл. 1 приведены давления, найденные по изломам на кривых p- V, указывающим на разделение гомогенного раствора на две фазы при ненасыщенной жидкости ((ж ^ г-ж) или (ж ^ ж1-ж2)), в насыщенном растворе ((ж-тв) ^ (г-ж-тв) или (ж-тв) ^ (ж1-ж2-тв)) либо при кристаллизации твердой фазы (ж(фл) ^ ж(фл)-

В качестве примера на рис. 1 показаны кривые p-V для разреза 18.4 мас. % LiCl в сумме (LiCl + + H2O) при 490°C. Единственный хорошо выраженный излом при 20 мас. % Li2SO4 в сумме (Li2SO4 + LiCl + H2O) указывает на равновесное давление (г-ж).

При наличии расслаивания ненасыщенных жидкостей в присутствии пара на кривых p- V обнаруживаются два излома (рис. 1 - 30, 40, 50 мас. % Li2SO4): первый из них (при более высоком давлении) возникает в результате гетерогенизации гомогенного раствора (ж ^ ж1-ж2), а второй (при более низком давлении) указывает на возникновение трехфазного равновесия (г-ж1-ж2), разде-

p, МРа

140 |б05040 30 20

130 120 110 100 90 80 70 б0 50

_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_

|—| 10 г Ыб

Количество выпущенной ртути

Рис. 1. Кривые р—У при 490°С и 18.4 мас. % ПС1 в сумме (ЫС1 + Ы20). Цифры у кривых — мас. % Ц2804 в сумме (Ы2804 + ЫС1 + Ы20).

ляющего области (г-ж) и (ж1—ж2) [(ж1—ж2) ^ ^ (г—ж1—ж2) ^ (г-ж)]. В трехкомпонентной системе при постоянной температуре и фиксированном составе сосуществование трех фаз возможно при одном определенном давлении, которому и соответствует излом на кривой р— У. Этот излом указывает не на изменение числа фаз, а на переход при понижении давления одного двухфазного равновесия (ж1—ж2) в другое (г—ж), что осуществляется через возникновение трехфазного равновесия (г—ж1—ж2).

При 60 и 67 мас. % Ы2804 изломы на кривых р— У (второй состав не представлен на рисунке) показывают одинаковую величину давления, что свидетельствует о возникновении 3-фазного равновесия (г—ж—тв^,,).

На рис. 2 представлены кривые р—Х при 490 (а), 500 (б) и 520°С (в), построенные по данным табл. 1, которые имеют различный вид в зависимости от содержания ЫС1, отличаясь наличием куполообразного участка при 15—20 мас. % ЫС1 в сумме (ЫС1 + Ы20) и отсутствием такового при более высоких содержаниях ЫС1 (25, 30 мас. %). При добавлении первых порций Ы2804 (до 15—20 мас. %)

Таблица 1. Давления в двух- и трехфазных равновесиях в системе 02$04—0С1—Н20 при 490—520°С

Ы^04 в сумме (Ы^04 + ЫС1 + Н20), мас. % Давление, МПа

ЫС1 в сумме (ЫС1 + Н20), мас. % разделение фл(ж) на (ж1—ж2) или (г—ж) возникновение (исчезновение) равновесия (г—ж1—ж2)

490°С

10 0 54.4

9.8 58

20.4 125

39.9 132

14.6 0 53.5

9.9 57

20.5 96 58 ?

30.0 100 58 ?

42.6 93 59 ?

55.1 80.4

65.0 62.5

70.1 61*

18.4 0 50.0

20.5 56.5

30.5 76 58

40.3 78 59

50.0 73.5 60

60.5 62*

67.0 62*

20 0 49.0

10.1 52.5

20.1 55.1

30.1 70 56.6

39.7 75 57.6

50.3 63.7

60.0 60*

25 0 45.1

20.1 48.5

30.1 50.0

39.6 50.8*

46.1 50.5*

30 0 42.1

10.2 42.7

20.4 43.6

30.4 44.1*

40.1 44.1*

500°С

10 0 58.4

15.3 62

29.8 >140

40.1 >140

50.1 135

59.1 115

ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА СИСТЕМЫ Li2SO4-LiCl-H2O ПРИ 490-520°С 1397

Таблица 1. Продолжение

Li2SO4 в сумме (Li2SO4 + LiCl + H2O), мас. % Давление, МПа

LiCl в сумме (LiCl + H2O), мас. % разделение фл(ж) на (ж1—ж2) или (г-ж) возникновение (исчезновение) равновесия (г-ж^-ж^

14.9 0 57.4

15.5 61.5

24.8 90 61.8

31.7 107 62.3

40.8 113

51.4 108

63 70

69.6 68.6**; 61.3*

75 85.8**; 61.8*

20 0 53.9

10.5 57.6

21.2 60.3

31 78 61.8

38 80 62.0

45.5 73.5

50 63.7*

64 63.7*

25 0 49.5

19.5 54.9

29.8 57.0

40.1 58.5*

49.5 58.8*

30 0 45.1

11.2 46.1

20.4 47.3

29.9 48.8*

39.8 48.8*

49.5 0 25 9***

20.6 26.5***

30.3 26.8***

50.5 27 0***

520°C

10 0 62

9.7 68.6

65.4 100

14.9 0 62.3

15.3 70.6

30.6 117

40 117

50.3 113

60.4 103

71 75.5

80 57.5*

Таблица 1. Окончание

ЫС1 в сумме (ЫС1 + Н20), мас. % Ы^04 в сумме (Ы^04 + ЫС1 + Н20), мас. % Давление, МПа

разделение фл(ж) на (ж1-ж2) или (г-ж) возникновение (исчезновение) равновесия (г-ж!-ж2)

20 0 60.2

15.2 67.5

30.7 95 70.5 ?

39.9 98 70.5 ?

45.6 91

50.8 91

65.2 67

72.7 65*

25 0 57.4

14.5 61.3

27.7 64.5

40 66.7*

50 66.7*

30 0 52.2

15.2 54.9

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком