K+、Mg2+//Cl-、SO42-H2O体系75℃非平衡态成盐特征及其动力学机理研究

摘要

水盐体系介稳相图偏离平衡相图的事实已由前人研究证明，而对高温条件下介稳相图的研究则相对较少，相关数据也比较缺乏。工业实践和近年来的相关研究证明:在高温沸腾蒸发条件下，海水亚型体系的某些成盐相区明显地偏离平衡相图，而且不能用介稳相图很好地描述。考虑到这种固液相关系区别于平衡态和介稳态的固液相关系，提出将沸腾蒸发状态下的水盐体系相关系研究扩展到非平衡热力学范畴，并从结晶动力学角度来研究非平衡相关系机理。
　　本研究采用120℃恒温热源，恒定搅拌速率，75℃恒温沸腾，平均蒸发强度为1.8-2.4g/(L·min)(water)等控制条件，通过监测初始析盐点和固相析出后固液相组成随蒸发进程的变化，对四元体系K+、Mg2+//Cl-、SO42--H2O进行了恒温沸腾蒸发结晶实验，得到了该体系中KCl、K2SO4和复盐钾镁矾(Leonite)在实验条件下的成盐相区，并考察了晶种、过饱和度和平衡时间对成盐相区的影响。实验结果表明:
　　(1)在实验条件下，四元体系K+、Mg2+//Cl-、SO42--H2O中KCl、K2SO4和Leonite的成盐相区与其在平衡相图中的成盐相区有显著区别:KCl成盐区域向K2SO4、复盐钾镁矾(Leonite)、复盐无水钾镁矾（Langbeinite）和复盐钾盐镁矾(Kainite)在平衡相图中的成盐区域均有扩展，其面积由在平衡相图中的1019扩展到1594;K2SO4成盐区域面积由原来的4979缩小为4690;复盐Leonite的成盐区域向K2SO4和复盐Langbeinite在平衡相图的成盐相区有所扩展，但在与KCl平衡相区的边界处发生收缩，其相区面积由在平衡相图中的1736扩展为2836。
　　(2)在相称共饱线上，即使两种盐同时析出，但因成盐速率差异，液相的运动轨迹并不在平衡相图的共饱线上。
　　(3)在非平衡条件下，在无K2SO4品种存在的情况下，K2SO4成盐区域将会继续缩小;复盐Leonite能够在实验条件下所得的成盐区域中稳定存在，它的转化需要足够的过饱和度或者足够的时间。
　　本研究测定了K+、Mg2+//Cl-、SO42--H2O体系在75℃沸腾蒸发条件下3种盐的成盐相区，并得出其成盐特征。这些成盐相区大大偏离其在溶解平衡相图中的相区，并且出现重叠区域，无法用传统意义的介稳相图表达，因而将其定义为非平衡态成盐相图。这一概念的提出，对科学表述复杂水盐体系化学本质和复杂过程的成盐相关系，具有重要意义。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 引言

1．2 相图理论基础及国内外研究现状

1．2．1 稳态平衡相图

1．2．2 介稳相图

1．2．3 非平衡态相图

1．3 水盐体系相图研究的实验方法

1．3．1 稳态平衡相图的实验方法

1．3．2 介稳相图的实验方法

1．3．3 非平衡态相图的实验方法

1．4 溶液结晶动力学理论

1．4．1 溶解度

1．4．2 过饱和溶液

1．4．3 晶体的成核过程

1．4．4 晶体的生长过程

1．5 水盐体系电解质溶液热力学模型

1．6 课题的来源及提出

1．7 研究意义及目的

1．7．1 研究意义

1．7．2 研究目的

1．8 主要研究内容

2 材料与方法

2．1 实验药品及试剂

2．1．1 原料药品

2．1．2 化学分析试剂

2．2 实验仪器及设备

2．3 实验装置

2．4 实验方法、影响因素及条件设定

2．4．1 实验方法

2．4．2 实验影响因素

2．4．3 实验条件设定

2．5 实验设计及安排

2．5．1 成盐规律的考察以及成盐相区的测定

2．5．2 动力学机理初步探讨

2．6 实验过程

2．6．1 料液的配制

2．6．2 75℃等温沸腾蒸发结晶

2．6．3 取样过程

2．7 数据处理与相图绘制

2．7．1 分析内容与方法

2．7．2 固液相平衡测定与相图绘制

3 三种盐成盐规律和成盐区域的结果与讨论

3．1 KCl最大成盐相区及其成盐特征

3．1．1 实验

3．1．2 结果与讨论

3．2 KCl最小成盐相区及其成盐特征

3．2．1 实验

3．2．2 结果与讨论

3．3 K2SO4成盐相区及成盐特征

3．3．1 实验

3．3．2 结果与讨论

3．4 钾镁矾成盐相区及其成盐特征

3．4．1 实验

3．4．2 结果与讨论

3．5 小结

4 动力学机理初步探讨的结果与讨论

4．1 晶种对K2SO4成盐区域稳定性的影响

4．1．1 实验

4．1．2 结果与讨论

4．2 蒸发程度对Leonite成盐区域稳定性的影响

4．2．1 实验

4．2．2 结果与讨论

4．3 时间对Leonite成盐区域稳定性的影响

4．3．1 实验

4．3．2 分析与讨论

4．4 小结

5 结论

6 展望

参考文献

8 攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢

附录