CC BY
6DOI: 10.6060/tcct.20186103.5667 УДК: 541.123.7
ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В СИСТЕМЕ К,Са/^04,НС0з,Е-Ш0 ПРИ 25 °С
И. Джабборов, Л. Солиев, И. Низомов, Д. Мусоджонова
Идибек Джабборов, Лутфулло Солиев, Исохон Низомов*, Джамила Мусоджонова
Кафедра общей и неорганической химии, Таджикский государственный педагогический университет
им. С. Айни, пр. Рудаки, 121, Душанбе, Республика Таджикистан, 733740
E-mail: soliev.lutfullo@yandex.com, Isokhon@mail.ru*, musojonova-j@mail.ru
В статье рассмотрены результаты исследования по определению возможных фазовых равновесий на геометрических образах пятикомпонентной взаимной водно-солевой системе из сульфатов, гидрокарбонатов, фторидов калия и кальция при 25 °С с последующим построением её диаграммы фазового комплекса. Знание закономерностей определяющих строение фазового комплекса данной системы, необходимо не только для получения новых научных данных как справочный материал, но и для того, чтобы способствовать созданию оптимальных условий для утилизации жидких отходов промышленного производства алюминия, содержащих составляющих данную систему соли. Для решения поставленной задачи нами использован метод трансляции, который основан на положении, согласно которому размерность геометрических образов диаграммы исходной (частной) системы при добавлении последующего компонента увеличивается на единицу, за счет его концентрации, т.е. трансформируются. Так как исследуемая пятикомпонентная система состоит из пяти частных четырёхкомпонентных систем, то добавление в любой из них пятого компонента сопровождается трансформаций геометрических образов всех пяти четырёхкомпонентных систем. Трансформированные геометрические образы согласно своим топологическим свойствам транслируются на уровень пятикомпонентного состава. На уровне пятикомпонентного состава трансформированные геометрические образы, с соблюдением правила фаз Гиббса, взаимно пересекаются, образуя при этом геометрические образы данного уровня компонентности. Исследование фазовых равновесий пятикомпонентной водно-солевой взаимной системы из сульфатов, гидрокарбонатов, фторидов калия и кальция и построение её диаграммы фазового комплекса методом трансляции (при 25 °С) показало, что она характеризуется наличием пятнадцати дива-риантных полей, тринадцати моновариантных кривых и четырёх нонвариантных точек. На основании полученных данных впервые построена полная замкнутая фазовая диаграмма исследованной системы, и для удобства её чтения фрагментирована по областям дивариантных равновесий.
Ключевые слова: система, метод трансляции, фазовые равновесия, компоненты, диаграмма, геометрические образы, нонвариантные точки, моновариантные кривые, дивариантные поля
PHASE EQUILIBRIA IN SYSTEM К,Са/^04,НС0з,Е-Ш0 AT 25 °C I. Jabborov, L. Soliev, I. Nizomov, J. Musojonova
Idibec Jabborov, Lutfullo Soliev, Isohon Nizomov*, Jamila Musojonova
Department of General and Inorganic Chemistry, Tajik Pedagogical University named after S. Aini, Rudaki ave.,121, Dushanbe, 733740, Tajikistan
E-mail: soliev.lutfullo@yandex.com, Isokhon@mail.ru*, musojonova-j@mail.ru
The article describes a study on the identification of possible phase equilibria in mutual geometrical images offive-component system of water and salt from sulfates, bicarbonates, potassium and calcium fluoride at 25 °C, followed by the construction of its phase diagram complex. Knowledge of the laws governing the structure of the phase complex of this system is necessary not only to obtain
new scientific data as reference material, but also to contribute to the creation of optimal conditions for the utilization of liquid wastes of aluminum industrial production containing the system of salts that make up this system. To solve the problem, we used the translation method, which is based on the position according to which the dimension of the geometric images of the diagram of the original (private) system increases by one by adding a subsequent component, due to its concentration, i.e. are transformed. Since the investigated five-component system consists offive particular four-component systems, the addition of the fifth component to any of them is accompanied by transformations of the geometric images of all five four-component systems. Transformed geometric images according to their topological properties are broadcasted to the level of a five-component composition. At the level of the five-component composition, the transformed geometric images, in accordance with the Gibbs phase rule, intersect each other forming geometric images of a given level of component-ness. Investigation ofphase equilibria five-component water-salt reciprocal system of sulfates, bicarbonates, potassium and calcium fluorides and construction of its phase diagram with complex translation method (at 25 °C) showed that it is characterized by fifteen divariant fields, thirteen monovar-iant curves, and four invariant points. On the basis of the obtained data, the complete closed phase diagram of the investigated system was constructed for the first time and, for the convenience of its reading, it is fragmented by the regions of divariant equilibria.
Key words: system: translation method, phase equilibria, components, diagram, geometrical images, non-variants points, monovariant lines, divariant fields
Для цитирования:
Джабборов И., Солиев Л., Низомов И., Мусоджонова Д. Фазовые равновесия в системе K,Ca//SO4,HCO3,F-H2O при 25 °С. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2018. Т. 61. Вып. 3. С. 26-30 For citation:
Jabborov I., Soliev L., Nizomov I., Musojonova J. Phase equilibria in system К,Са/^04,НС0з^-Н20 at 25 °C. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2018. V. 61. N 3. P. 26-30
В данной работе приведены результаты исследования фазовых равновесий в системе К,Са/^04,НС03^-Ш0 при 25 °С методом трансляции [4-5], который вытекает из принципа совместимости элементов строения частных n-компонент-ных систем с элементами строения общей n+1 компонентной системы в одной диаграмме.
Прогрессивность и актуальность использования метода трансляции для исследования многокомпонентных систем были подтверждены при прогнозировании фазовых равновесий и построения фазовых диаграмм ряда других пятикомпо-нентных, а также фрагментов шестикомпонентной системы [6-9].
Таблица 1
Фазовый состав нонвариантных точек системы К,Са//804,НС0з^-Ш0 при 25 °С на уровне четырехкомпо-
нентного состава
Table 1. The phase composition of non-variant points of К,Са//804,НС0з^-Ш0 system at 25 °С on the level of
Закономерности фазовых равновесий в системе К,Са//804,ИС0з,Р-И20 определяют условия галургической переработки природных и технических объектов, содержащих сульфаты, гидрокарбонаты, фториды калия и кальция. В частности, жидкие отходы промышленного производства алюминия характеризуются содержанием перечисленных солей [1-3]. Следовательно, знание строения диаграмм фазовых равновесий пятикомпонентной системы К,Са//804,ИС0з,Р-И20, составляющих ее четырех- и трехкомпонентных систем кроме теоретического имеет также важное прикладное значение.
Нонвариантная точка Фазовый состав осадков Нонвариантная точка Фазовый состав осадков
Система K2S04-KHm3-KF-H20 Система К,Сa//S04,HC0з-H20
Е14 Ар + Кб + Кц Е64 Сн + Ар + ^
Система СaS04-Ca(HC0з)2-CaF2-H20 Е74 Сн + Гп + СаГ
Е24 Гп + СаГ + Фо Е84 Сн + СаГ + Кц
Система К,Сa//SО4,Г-H2О Система K,Сa//HC0з,F-H20
Е34 Ар + Кб + Сн Е94 СаГ + Кц + Кб
Е44 Сн + Фо + Гп Е104 СаГ + Фо + Кб
Е54 Сн + Фо + Кб
Исследуемая пятикомпонентная система включает следующие четырехкомпонентные системы: К2804-КИС0з-КР-Н20; К,Са/^О4,Р-ШО; ^Са/^О^ИСОз-ШО; К,Са//НСОз,Р-И2О и Са8О4-Са(ИСОз)2-Сар2-ШО. Нонвариантные точки, характеризующие эти четырехкомпонентные системы, и соответствующие этим точкам равновесные твердые фазы при 25 °С заимствованы из [10] и скомпонованы в табл. 1.
В табл. 1 приняты следующие условные обозначение: Сн - сингенит К2804'Са804'Н20; Ар - арканит К2804; Кц - калицинит КНСОз; Гп - гипс Са804'2И20; СаГ- кальций гидрокарбонат Са(НСОз)2; Фо - флюорит Сар2; Кб - кароббиит КР.
В табл. 1 и далее буквой Е обозначена нон-вариантная точка с верхним индексом, указывающим на кратность точки (компонентность системы), и нижним индексом, указывающим на ее порядковый номер.
построенной диаграммы: общее количество геометрических образов и их взаимное расположение, согласно основным принципам физико-химического анализа и правилу фаз Гиббса.
Чтобы построенную диаграмму использовать как основу (матрицу) для нанесения на ней элементов строения исследуемой системы на уровне пятикомпонентного состава (согласно принципу совместимости), которые формируются при трансляции геометрических образов уровня четырехком-понентного состава, необходимо объединять идентичные поля кристаллизации. После завершения такой операции получим схематическую диаграмму изотермы 25 °С системы К,Са//8О4,ИСО3,Р-И2О, которая представлена на рис. 2.
CaF2
Рис. 1. «Развертка» солевой части диаграммы фазовых равновесий изотермы 25 °С системы K,Са//SO4,HCOз,F-H2O на уровне четырехкомпонентного состава Fig. 1. Scanning of the salt part of the diagram of phase equilibria of the 25 °C isotherm of system K,Са//SO4,HCOз,F-H2O at the level of a four-component composition
На рис. 1 приведена «развертка» солевой части диаграммы фазовых равновесий пятикомпо-нентной системы K,Са//SO4,HCO3,F-H2O при 25 °С на уровне четырехкомпонентного состава. На рис. 1 положения геометрических образов диаграммы (точки, кривые, поля) нанесены схематически, без увязки их с координатным остовом. Однако, при этом сохраняется достаточная информативность
е:-Е;
Рис. 2. Схематическая диаграмма фазовых равновесий системы K,Са//SO4,HCOз,F-H2O при 25 °С на уровне четырехкомпонентного состава, построенная методом трансляции Fig. 2. Schematic diagram of the phase equilibria of the system K^/SO^H^^-ftO at 25 °C at the level of the four-component composition constructed by the translation method
«Сквозная» [5] трансляция нонвариантных точек уровня четырехкомпонентного состава на уровень пятикомпонентного состава, дает следующие нонвариантные точки этого уровня компо-нентности с равновесными твердыми фазами: Е14+Е34+Е64 — ^ Е15 = Ар + Кц + Кб + Сн; Е24+Е44+Ет4 — ^ Е25 = Гп + СаГ + Фо + Сн; Е54+Ею4 - - ^ Е35 = Кб + Фо + Сн + СаГ; Е84+Е94 — ^ Е35 = Сн + Кц + СаГ + Кб.
На рис. 3 представлена полная замкнутая схематическая диаграмма фазовых равновесий системы К,Са//804,ИС0з,Р-И20 при 25 °С, построенная методом трансляции.
' *-----
' i J / \ V "-I / -9
■f,
/
J t
г
Рис. 3. Схематическая диаграмма фазовых равновесий системы К,Са/^04,НС03^-Н20 при 25 °С на уровне пятиком-понентного состава, построенная методом трансляции Fig. 3. Schematic diagram of phase equilibria of the system К,Са//804,НС0з,Б-Н20 at 25 °C at the level of a five-component composition constructed by the translation method
Таким образом, анализ построенной диаграммы показывает, что для исследуемой системы при 25 °С на уровне пятикомпонентного состава кроме 4 нонвариантных точек характерно также наличие 13 моновариантных кривых и 15 дивари-антных полей. Моновариантные кривые имеют двоякую природу образования. Одни из них образованы в результате трансляции нонвариантных точек уровня четырехкомпонентного состава на уровень пятикомпонентного состава. Они на диаграмме отмечены пунктирными линиями, а направления трансляции указаны стрелками. Их количество равно количеству нонвариантных точек уровня четырехкомпонентного состава, а фазовый состав осадков идентичен фазовому составу осадков соответствующих транслированных четверных точек. Другие моновариантные кривые проходят между нонвариантными точками уровня пятикомпонентного состава (их 3), они отмечены толстыми сплошными линиями и характеризуются следующим фазовым составом осадков:
Е1
h
Е25-
Е45 = Кц + Кб + Сн; Е35 = Фо + СаГ + Сн;
Ез5 — Е45 = Кб + СаГ + Сн. В табл. 2 приведены перечень и контуры дивариантных полей изотермы 25 °С системы К,Са//804,ИС0з,Р-И20, обнаруженные методом трансляции.
Таблица 2
Перечень и контуры полей двунасыщения системы K,Ca//SO4,HCO3,F-H2O при 25 °С, найденные методом трансляции Table 2. The list and contours of the bi-saturation of the K,Ca//SO4,HCO3,F-H2O system at 25 °C found by the translation method
Равновесные твердые фазы полей Контуры полей на диаграмме (рис. 3) Равновесные твердые фазы полей Контуры полей на диаграмме (рис. 3)
1 2 3 4
Кб + Ар Ei4----■*■ Ei5 А Е34------; Фо + Сн ЕЛ---* Е25 Г Е54----■*■ Е35
Ар + Кц Ei4-----*■ Ei4 А Е64------1 Сн + Гп Е45----♦ Е25 А 6------!
Кц + Кб Е!5 1 Еэ4----^ Е45 Кб + Фо Е54 * Е35 * 1 Ею4------1
Фо + Гп Е24-----Е25 А 1 Е45------ Кц + Сн Еб4----^4 1 Е84----^ Е45
Гп + СаГ Е24----* Е25 А Е/------ Сн + СаГ Е74-----Е45 А 1 Е84------
СаГ + Фо Е25----■*- Е25 1 Ею4-----»- Е35 Кц + СаГ Е84----^Е45 А 1 Eg4-------
Кб + Сн Е34—— Еа5^ >Е45 Еб4----- СаГ + Кб Eg4----^Е45 1 Ею4----■*■ Е35
Ар + Сн Е34----">• Ei5 А Еб4------1
Анализ фазового состава дивариантных полей показывает, что сингенит (Сн) образует наибольшее число дивариантных полей совместной кристаллизации (6 из 15) с другими равновесными твердыми фазами исследуемой системы. Это указывает на значительное простирание поля кристаллизации сингенита (Сн), как равновесной фазы исследуемой системы при 25 °С. На рис. 4 представлен фрагмент построенной методом трансляции диаграммы фазовых равновесий системы К,Са//804,ИС0з,Р-И20 при 25 °С в области кристаллизации сингенита. Как видно из рис. 4, синге-нит, как равновесная фаза исследуемой системы
Рис. 4. Фрагмент схематической диаграммы фазовых равновесий системы K,Са//SO4,HCOз,F-H2O при 25 °С в области парагенеза сингенита (K2SO4 СаS04•H20) с другими фазами Fig. 4. The fragment of the schematic diagram of the phase equilibria of the system K^/SO^B^^-ftO at 25 °C in the region of the paragenesis of syngenite (K2SO4 СаS04•H20) with other phases
при 25 °С, участвует в формировании: одного ди-вариантного поля уровня четырехкомпонентного и 6 дивариантных полей уровня пятикомпонентного составов; 6 моновариантных кривых уровня четы-рехкомпонентного и 9 моновариантных кривых уровня пятикомпонентного составов; 6 нонвари-антных точек уровня четырехкомпонентного и 4 нонвариантных точек уровня пятикомпонентного составов.
Полученные методом трансляции данные показывают, что для системы К,Са//8О4,ИСОз,Р-И2О при 25 °С для уровней четырех- и пятикомпонент-ного составов характерны следующие количества геометрических образов: дивариантные поля (А), моновариантные кривые (Б) и нонвариантные точки (С):
Геометрические образы А Б С
Уровень четырехкомпонентного
состава 7 14 10
Уровень пятикомпонентного
состава 15 13 4
ЛИТЕРАТУРА
1. Мирсаидов У.М., Исматдинов М.Э., Сафиев Х.С. Проблемы экологии и комплексная переработка минерального сырья и отходов производства. Душанбе: Дониш. 1999, 53 с.
2. Эрматов А.Г., Мирсаидов У.М., Сафиев Х.Х., Азизов
Б. Утилизация отходов производства алюминия. Душанбе: изд. АН РТ. 2006. 62 с.
3. Азизов Б.С., Сафиев Х.С., Рузиев Д.Р. Комплексная переработка отходов производства алюминия. Душанбе: Эр-граф. 2005. 149 с.
4. Солиев Л. Прогнозирование строения диаграмм фазовых равновесий многокомпонентных водно-солевых систем методом трансляции. М. 1987. 28 с. Деп. в ВИНИТИ АН СССР 20.12.87г. № 8990-В 87.
5. Солиев Л. Прогнозирование фазовых равновесий в многокомпонентной системе морского типа методом трансляции. Кн. 1. Душанбе: ТГПУ. 2000. 247 с.
6. Солиев Л., Усмонов М. Фазовые равновесия в системе №,Са//8О4,СОз,НСОз-И2О при 0 °С. Ж. неорг. хим. 2013. Т. 58. № 4. С. 530-534.
7. Солиев Л., Нури В., Авлоев Ш. Фазовые равновесия в системе №,Са//8О4,ИСОз,Р-И2О при 25 °С. Ж. неорг. хим. 2014. Т. 59. № 3. С. 421-425.
8. Солиев Л. Фазовые равновесия в системе №,К,М^,Са// SO4,CI-H2O при 50 °С в области кристаллизации сильвина. Ж. неорг. хим. 2015, Т. 60. № 8. С. 1110-1116.
9. Солиев Л. Фазовые равновесия в системе №,К,М^,Са// SO4,CI-H2O при 50 °С в области кристаллизации полига-лита. Ж. неорг. хим. 2016. Т. 61. № 4. С. 534-540.
10. Справочник экспериментальные данные по растворимости многокомпонентных водно-солевых систем. 2004. Том 2. Кн. 1-2. 1248 с.
REFERENCES
1. Mirsaidov U.M., Ismatdinov M.E., Safiev Kh.S. Ecology problems and complex processing of primary raw materials and wastes. Dushanbe: Donish. 1999. 53 p. (in Russian).
2. Ermatov A.G., Mirsaidov U.M., Safiev Kh.Kh., Azizov B.
Recycling of aluminum production waste. Dushanbe: AN RT. 2006. 62 p. (in Russian).
3. Azizov B.S., Safiev Kh.S., Ruziev D.R. Integrated processing of aluminum waste products. Dushanbe: Er-graf. 2005. 149 p. (in Russian).
4. Soliev L. Forecasting the structure of the phase equilibrium diagrams of multicomponent water-salt systems by the translation method. M. 1987. 28 p. Dep. VINITI AN USSR. № 8990-B-87 (in Russian).
5. Soliev L. Prediction of phase equilibria in a multicomponent marine-type system by the translation method. Dushanbe: TGPU im. K. Dzhuraeva. 2000. Book I. 247 p. (in Russian).
6. Soliev L., Usmonov М. Phase equilibria in the Na,Ca//SO4, CO3,HCO3-H2O system at 0 °C. Russ. J. Inorg. Chem. 2013. V. 58. N 4. P. 463-467.
7. Soliev L., Nuri V., Avloev Sh. Phase equilibria in the Na,Ca//SO4,HCO3,F-H2O system at 25°C. Russ. J. Inorg. Chem. 2014. V. 59. N 3. P. 274-278.
8. Soliev L. Phase equilibria in the Na,K,Mg,Ca//SO4,CI-H2O system at 50 °C, in the sylvite crystallization field. Russ. J. Inorg. Chem. 2015. V. 60. N 8. P. 1008-1014.
9. Soliev L. Phase equilibria in the Na,K,Mg,Ca//SO4,CI-H2O system at 50 °C in the polyhalite crystallization field. Russ. J. Inorg. Chem. 2016. V. 61. N 4. P. 511-517.
10. Experimental Solubility Data in Multinary Water-Salt Systems. M.: Khimizdat. 2004. V. 2. Books 1, 2. 1248 p.
Поступила в редакцию (Received) 14.11.2017 Принята к опубликованию (Accepted) 07.02.2018
