научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСТВОРИМОСТИ ОКСИДА БАРИЯ В БАРИЙСОДЕРЖАЩИХ ГАЛОГЕНИДНЫХ РАСПЛАВАХ Физика

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСТВОРИМОСТИ ОКСИДА БАРИЯ В БАРИЙСОДЕРЖАЩИХ ГАЛОГЕНИДНЫХ РАСПЛАВАХ»

РАСПЛАВЫ

1 • 2011

УДК 541.123:532.733+546.431.21

© 2011 г. М. В. Солодкова1, А. В. Волкович, Ж. В. Жукова, М. В. Сигайлов, И. С. Трофимов, Н. В. Кальченко

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСТВОРИМОСТИ ОКСИДА БАРИЯ В БАРИЙСОДЕРЖАЩИХ ГАЛОГЕНИДНЫХ РАСПЛАВАХ

Методами планирования эксперимента Бокса—'Уилсона и изотермического насыщения, для интервала температур 1006—1106 К получено модельное уравнение растворимости ВаО в барийсодержащих галогенидных расплавах.

Ключевые слова: оксид бария, хлорид бария, хлорид щелочного металла, хлорид-но-фторидный расплав, обратный эффективный радиус катиона соли-растворителя, растворимость, метод Бокса—Уилсона, коэффициент регрессии, коэффициент Стью-дента, метод изотермического насыщения.

Одним из способов получения бария и его сплавов является электролиз расплавленных смесей ВаС12 с хлоридами щелочных металлов [1, 2]. Образование и накопление оксида бария вследствие окисления и гидролиза гигроскопичного электролита во влажной атмосфере воздуха может существенно сказываться на протекании технологического процесса. В литературе обнаружено достаточно большое количество работ, посвященных определению растворимости оксида бария в галогенидных расплавах [3—17]. Однако все исследования являются однофакторными и не позволяют получить адекватную модель, учитывающую одновременное влияние всех основных параметров на процесс растворения оксида бария в солевых расплавах. Для создания таковой модели нами использован метод планирования эксперимента Бокса—Уилсона [22] в совокупности с методом изотермического насыщения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Растворимость оксида бария определяли методом изотермического насыщения. Исходные соли квалификации ЧДА предварительно сушили и переплавляли. Для удаления следов влаги расплав продували хлористым водородом в течение 1—1.5 ч, затем вакуумировали 1 — 1.5 ч, барботировали аргоном и вновь вакуумировали до полного прекращения газовыделения. Переплавленные соли хранили в эксикаторе под атмосферой аргона. Непосредственно перед опытом расплав еще раз подвергали аналогичной обработке.

Оксид бария получали прокаливанием Ва(МО3)2 квалификации ЧДА, как описано в [19]. Затем его прессовали в таблетки, так как введение в расплав порошка приводит к образованию взвеси и соответствующему завышению результатов [20]. Таблетки ВаО хранили в герметичной колбе под атмосферой аргона. Известно [21], что в интервале температур 773—973 К, наряду с ВаО, образуется некоторое количество ВаО2, который, как и оксид бария, растворяется в расплаве и является причиной невоспроизводимости результатов опытов. При нагревании пероксид бария разлагается по реакции

ВаО2 ' > 1073 к> ВаО + 1/2О2. (1)

18о1одок8@гашЪ1ег.ги

Таблица 1

0

Значения координат центра плана (zt) и звездных точек (±а)

Координата x1 x2 x3 Х4

и zi 1056 30 10 1.025

- а 973 5 0.5 0.75

+а 1139 55 19.5 1.28

Поэтому для удаления следов BaO2 таблетку перед ее введением в расплав прокаливали в ячейке под вакуумом при 1100 К в течение 1.5 ч.

Эксперименты проводили в кварцевой ячейке, герметично закрываемой резиновой пробкой, защищаемой от теплового излучения экраном из тефлона. Исследуемую солевую смесь помещали с цилиндрический тигель из оксида бериллия. Температуру в нем поддерживали с точностью ±3 К. Пробы расплава отбирали с его поверхности намораживанием на полированный молибденовый стержень без нарушения инертной атмосферы ячейки и анализировали комплексонометрическим титрованием [18]. Для уточнения состава исследуемой солевой смеси перед введением BaO отбирали пробу расплава. После этого таблетку оксида бария вводили в расплав как описано выше. Ее выдерживали в контакте с солевой фазой в течение 3 ч. Этого времени, как показано в [15—17], достаточно для установления в системе равновесия. Затем с интервалом 15 мин отбирали 3 пробы расплава и анализировали на содержание бария, что позволяло судить о достижении в системе равновесия. За величину растворимости оксида бария (S) принимали среднее значение из трех параллельных измерений.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для проведения исследований выбран план четырехфакторного эксперимента. В качестве параметра отклика системы (j) принята величина растворимости оксида бария. В данном плане варьировали: температурой (T(x:), K), концентрацией хлорида

бария (CBaCl2 (x2), мол. %) и фторида натрия (CNaF (x3), мол. %) в расплавленной смеси,

величиной обратного эффективного радиуса катиона соли-растворителя (гэф (x4), А-1) (кристаллографические радиусы катионов взяты по Гольдшмидту [23], методика расчета гэф приведена в работе [24]). Другие, влияющие на результат эксперимента параметры поддерживались постоянными.

За нижний г"'" (-1) и верхний zmax (+1) уровни выбраны: температура 1006 и 1106 К; концентрация хлорида бария 15 и 45 мол. %; концентрация фторида натрия 6.3 и 13.7 мол. %; величина обратного эффективного радиуса катиона соли-растворителя 0.87 А-1 — расплав (№-К)С1экв и 1.18 А-1 — расплав (2Ь1-№)С1эвт. Координаты центра плана (0) определяли по выражению

min max

z0 = -—+-z--x. (2)

Рассчитанные значения ¿1, а также принятые с учетом [22] координаты звездных точек (±а) приведены в табл. 1. В качестве соли-растворителя в центре плана выбран

расплав NaCl (гэф = 1.02 А для звездных точек: —а — KCl (гэф = 0.75 А и +а — LiCl (= 1.28 А-1).

Необходимое количество опытов (N) определили по формуле

N = n + n • к + n0 = 24 + 2 • 4 + 5 = 29, (3)

где n = 2 — количество уровней; k = 4 — число варьируемых факторов; n0 = 5 — число опытов в центре плана. План проведения четырехфакторных экспериментов (матрица планирования) в безразмерном масштабе представлен в табл. 2. Значение а2 при k = 4 и n0 = 5 составляет 2.770 [22].

Авторами [22] отмечается, что эксперимент, реализованный для определения оптимальных условий процесса, можно адекватно описать полиномом второго порядка с учетом парного взаимодействия изменяемых параметров

y = b0 + b1 • xx + b2 • x2 + b3 • x3 + b4 • x4 + b5 • x1 • x2 +

+ b6 • xi • x3 + b7 • xi • x4 + b8 • x2 • x3 + b9 • x2 • x4 + (4)

+ b10 • x3 • x4 + b11 • x2 + b12 • x2 + b13 • x2 + b14 • x2.

По результатам экспериментов (табл. 2) рассчитаны коэффициенты регрессии (bj) уравнения (4) по формуле

N N

bj = Z ^y^ Zx-2' (5)

i = 1 i = 1

и их ошибки — по формуле

N

р/Z x^ (6)

N

2 2 2 Ч = '

i = 1

"0

0 "0Ч2

где *воспр = ^ (у— у ) /п0 = 4.29 ■ 10 4 мол. % — средняя дисперсия ;-го экспери-

г = 1

мента. Результаты расчетов представлены в табл. 3.

Значимость коэффициентов ^ уравнения (4) оценивали по критерию Стьюдента

(Ч,)

Ч = п Ы*., (7)

рассчитанные значения которого приведены в табл. 3. Видно, что во всех случаях

выполняется условие > ?(0 95,N_15) = 2.09 [22], т.е. полученные величины боль-

ше табличного значения коэффициента Стьюдента. Это свидетельствует о том, что

Таблица 2

Матрица планирования и результаты опытов по определению растворимости оксида бария в галогенидных расплавах хлоридов щелочных металлов

№ опыта Х1 х2 х3 Х4 ■51, мол. %

1 -1 -1 -1 -1 3.57

2 -1 -1 -1 +1 4.18

3 -1 -1 +1 -1 4Л5

4 -1 -1 +1 +1 4.И

5 -1 + 1 -1 -1 Ю.И

6 -1 + 1 -1 +1 13..9

7 -1 + 1 +1 -1 12.Ю

8 -1 + 1 +1 +1 15.Ю

9 +1 -1 -1 -1 5..3

10 +1 +1 6.15

11 +1 +1 7.32

12 +1 +1 +1 10.80

13 +1 +1 13.27

14 +1 + 1 +1 16.30

15 +1 +1 +1 15.65

16 +1 +1 +1 +1 17.74

17 —а 0 0 0 8.!4

18 +а 0 0 0 15..4

19 0 —а 0 0 2..3

20 0 +а 0 0 14..5

21 0 0 —а 0 7.!4

22 0 0 +а 0 15..8

23 0 0 0 —а 5.09

24 0 0 0 +а 21.78

25 0 0 0 0 8.И

26 0 0 0 0 8..9

27 0 0 0 0 8..2

28 0 0 0 0 8.И

29 0 0 0 0 8.И

в уравнении (4) все коэффициенты Ь^ значимы. С учетом этого выражение (4) принимает вид

у = 9.152 + 1.667 • + 4.094 • х2 + 1.315 • х3 + 2.002 • х4 -- 0.215 • х1 • х2 + 0.335 • х1 • х3 + 0.167 • х1 • х4 + + 0.029 • х2 • х3 + 0.351 • х2 • х4 + 0.092 • х3 • х4 +

+ 0.626 • х2 - 0.712 • х2 + 0.451 • х2 + 1.072 • х4.

(8)

Проведена проверка на адекватность полученного уравнения (8) по критерию Фишера

^ ^ад/^воспр, (9)

Таблица 3

Расчетные значения коэффициентов Ь), их среднеквадратичные отклонения и величины коэффициентов Стьюдента

j bj 2 с % ■ 106 b

0 9.152 0.091 2092

1 1.667 4..81 747

2 4.094 4.981 1834

3 1..15 4.81 589

4 2.002 4.981 897

5 —0.215 6.706 83

6 0.335 6.706 130

7 0.167 6.706 65

8 0.029 6.706 11

9 0.351 6.706 136

10 0.092 6.706 35

11 0.626 6.992 237

12 —0.712 6.992 269

13 0.451 6.992 171

14 1.072 6.992 406

N

где Зад = Z (уГИ — Урасч) /(N — k) = 9.23 ■ 10-4 мол. % — дисперсия адекватности (k — i = 1

число значимых коэффициентов в уравнении регрессии (8), равно 15). Полученное значение F равно 2.152. Табличная величина критерия Фишера (F(1 —p)(/i, f2)) для p = = 0.05 при /1 = 14, f2 = 4 составляет 5.873 [22]. Поскольку F(095) (14, 4) больше, чем рассчитанное из соотношения (9), то можно считать, что выражение (8) адекватно описывает эксперимент.

Уравнение (8) позволяет определить максимальную и минимальную растворимости оксида бария в заданных диапазонах. Так, максимальная растворимость BaO, равная 20.43 мол. %, наблюдается на уровне х: = 1, х2 = 1, х3 = 1, х4 = 1, что соответствует расплаву (2П—№)эвт Cl — 45 мол. % BaCl2 — 13.7 мол. % NaF при T = 1106 К. Минимальная растворимость BaO (S™m) равна 2.14 мол. % при х1 = —1, х2 = —1, х3 = —0.987, х4 = = —0.649. Концентрация фторидного натрия (х3) при этих условиях составляет

6.35 мол. %, а величина обратного эффективного радиуса катиона соли-растворителя

(х4) равна 0.92 А—1. Катиона соли-растворителя с таким значением гэф не существует.

Поэтому принимаем наиболее близкое значение гэф = 0.75 А—1, что соответствует расплаву KCl. Таким образом, S™n должна наблюдаться в смеси KCl — 15 мол. % BaCl2 —

6.36 мол. % NaF при T = 1006 К.

Уравнение (8) также позволяет оценить величину растворимости оксида бария и в диапазонах, выходящих за рамки нижнего и верхнего пределов изменяемых парамет-

мол. % 7.14

5.89 4.64 3.39

-1.0, -0.5

0.5 1.0

СМаР, мол. %

мол. %

8 6 4

1.0

Т и СВаа2 = СОШ!

мол. % 14.32

11.27

8.23

5.18

-1.0;

-0.5 0

0.5 1.0

Св^ мол. %

1.0

г-1 Л-1

Т и = СОШ1

5, мол. %

0.5

1.0

т, К

-

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