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硫酸钠溶液超声结晶热力学和动力学研究

李慧  
【摘要】:砷碱渣是锑冶炼企业产生的一种危险固体废弃物,是在炼锑过程中产生的废渣叫砷碱渣。砷碱渣中的砷及其化合物有剧毒,且易溶于水,若保管不善极易引起砷污染事件。其中硫酸钠是处理砷碱渣的副产物砷酸钠复合盐的主要物质之一。在工业上,硫酸钠在许多领域都有重要的应用,广泛应用于造纸、玻璃、燃料、纺织、医药、合成纤维中等等。同时工业需求不同粒径的硫酸钠,因此无论在哪一方面,对硫酸钠体系结晶过程的研究,对砷碱渣中硫酸钠的资源回收利用、工业上满足不同粒径硫酸钠的需求都有重要的科学意义和现实意义。本文从硫酸钠结晶的热力学、成核动力学以及晶体生长动力学三方面对硫酸钠的结晶过程做了全面详细的研究。 1.采用激光测量系统测定了硫酸钠在自然条件及超声场条件下的溶解度曲线及超溶解度曲线。对超声时间、功率对硫酸钠的溶解度的影响进行了实验研究。实验得出,在本物系中测得硫酸钠溶解度的转折温度为34℃,在此温度前后产生了不同的结晶物相。当低于此转折温度时,物系中所得物相为芒硝,随着温度升高,溶解度增大;而当高于此转折温度时,物系中所得物相为硫酸钠,随着温度升高溶解度呈现降低趋势。这种现象也决定了硫酸钠溶解度曲线的特殊性。硫酸钠溶解度随着超声时间的延长增大直至趋于平衡;超声功率增大则使得硫酸钠溶解度先增加后呈现下降趋势。这说明超声波对硫酸钠的溶解度产生了不可忽略的影响。 2.通过激光法测定硫酸钠溶液介稳区及诱导期。测定了降温速率、搅拌强度、超声时间、功率和频率等因素对介稳区或诱导期的影响。在超声场作用下,介稳区宽度变窄。介稳区随着降温速率的增加而变宽,随着搅拌转速的增加而变窄。根据拟合ln b与ln N和ln(Δ Tmax)的关系分别得出受降温速率及搅拌转速影响的成核方程式和成核级数。受降温速率影响的成核级数随着温度升高持续增加,说明成核级数受温度的影响较大;受搅拌转速影响的成核级数随着温度升高呈现无规律变化,说明此成核级数也是受温度影响,但是所受的影响不大。根据不同过饱和度对硫酸钠诱导期的影响的实验数据看出,过饱和度是促进溶液结晶的推动力。过饱和度增加,诱导期也随着减小,结晶的时间提前发生。通过对(lnS)2和lntind作图进行拟合得出直线的斜率,得出表面张力及表面熵因子。本实验计算得出表面熵因子f 3,因此硫酸钠晶体的生长属于连续生长模式。 3.在硫酸钠晶体生长动力学的实验研究中,首先根据一组随机实验得出硫酸钠粒数密度和粒度关系的曲线,判定出硫酸钠晶体的生长属于粒度相关生长。研究了过饱和度、搅拌强度、超声时间、超声功率等影响因素对晶体生长动力学的影响。通过实验研究表明,过饱和度增大,其成核速率和生长速率均会增加;搅拌强度越大,晶体的平均粒径越小,粒度分布变窄;超声时间的延长有利于晶体的成核及生长;晶体平均粒径的大小随着超声功率的的增加不断减小。在实际工业结晶及实验室研究中,根据研究所得理论数据选择晶体适宜的成核和生长条件,可得到人们所期望的晶体。


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