Научная статья на тему 'Исследования вязкости системы галлий-литий'

Исследования вязкости системы галлий-литий Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
315
48
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Тихомиров И. А., Орлов А. А., Видяев Д. Г.

Исследована зависимоаь вязкости галламы лития от температуры и концентрации в ней лития. С учетом полученных данных по вязкости галламы лития определены условия проведения процесса обмена щелочных металлов в галламно-обменных системах.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Researches of viscosity of gallium-lithium system

The authors studied the dependence of lithium gallam viscosity on the temperature and concentration of lithium in it. Taking into account the obtained data of lithium gallam viscosity, the authors defined the conditions of carrying out the exchange process of alkali metals in gallam-exchange systems.

Текст научной работы на тему «Исследования вязкости системы галлий-литий»

6. Верещагин Ю.П., Гриневский В.В., Туляков Г.А. Роль структурного фактора при распространении трещин ползучести в перлитной стали // Теплоэнергетика.

- 1990. - № 12. - С. 57.

7. Шубадеева Л.И., Ревякина O.K., Макарчук Т.Б., Гур-вич Л.Я. Влияние нагревов на коррозионную стойкость нержавеющей стали 12Х18Н10Т // Защита металлов. - 1996. - № 2. - С. 133.

8. Горелик С.С., Расторгуев JI.H., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1970. -366 с.

9. Русаков А.А. Рентгенография металлов. - М.: Ато-миздат, 1977. - 480 с.

10. Рентгенография в физическом металловедении / Под ред. Ю.А. Багаряцкого. - М.: Гос. научно-техн. изд-во лит. по черной и цветной металлургии, 1961.

- 368 с.

И. Китайгородский А.И. Рентгеноструктурный анализ мелкокристаллических и аморфных тел. - М.-Л.: Гос. изд-во технико-теоретической лит., 1952. - 588 с.

УДК 532.13:546.3

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЯЗКОСТИ СИСТЕМЫ ГАЛЛИЙ-ЛИТИЙ

И .А. Тихомиров, A.A. Орлов, Д.Г. Видяев

Томский политехнический университет E-mail: chair23@phtd.tpu.edu.ru

Исследована зависимость вязкости галламы лития от температуры и концентрации в ней лития. С учетом полученных данных по вязкости галламы лития определены условия проведения процесса обмена щелочных металлов в галламно-обменных системах.

Введение

Формально, организация противотока галламы лития и раствора гидроксида щелочного металла в колоннах с насадкой не вызывает сомнения, так как различие плотностей противопоставляемых фаз довольно большое (примерно 6:1). Но, как известно, на создание противотока накладывает ограничение вязкость интерметаллического соединения. Так, например, при концентрациях амальгамы лития больше 1,0 моль/л и Т= 20 °С величина вязкости резко возрастает, амальгама затвердевает, и её передвижение по колоннам каскада становится невозможным [1]. Поэтому, для обоснования возможности организации противотока при разделении щелочных металлов галламно-обменным методом в колоннах с насадкой необходимо исследовать зависимость вязкости галламы лития от температуры и концентрации в ней лития.

Анализ литературных данных [2-6] показал, что для изучения вязкости жидких металлических соединений наиболее перспективным и точным является низкочастотный вибрационный метод измерения вязкости. Суть метода заключается в определении затухания механических колебаний пробного тела (зонда), погруженного в объем жидкости. Другие известные методы изучения вязкости оказались либо непригодными для нашего соединения (галламы лития), либо уступают по ряду параметров выбранному методу.

Анализ вариантов низкочастотного вибрационного метода сделан в работе [2]. В ней показано, что для исследования вязкости жидких металлических соединений, обладающих вязкостью от 10'3 до ДО-2 Пас, наиболее приемлемым является амплитудно-амплитудный вариант метода. Он проще в аппаратурном оформлении, имеет наименьшую погрешность по сравнению с другими вариантами и позволяет проводить измерения в автоматическом режиме. В нашем случае вязкость компонентов (лития и галлия) мала, поэтому можно предположить, что вязкость их соединения по величине будет подходить для измерения амплитудно-амплитудным вариантом низкочастотного вибрационного метода.

Описание методики и установки для проведения

экспериментов

Для измерений вязкости нами была использована одна из наиболее удобных конструкций вибрационных вискозиметров - конструкция электродинамического вибрационного вискозиметра продольных колебаний с двумя катушками (возбуждающей и измерительной) [7]. В этом случае механическое сопротивление, функция которого учитывает влияние среды на движение помещённого в нее тела (зонда), легко выражается через ток - в возбуждающей и напряжение - в измерительной катушках. Имея несколько жидкостей с известной зависимостью изменения вязкости и плотности от температу-

ры, можно построить калибровочный график в координатах у1рж ■ цж от Д, где рж - плотность жидкости, кг/м3; цж - вязкость жидкости, сПз;

Л 7ж

Д --------------разница механических сопротивле-

нии в исследуемои жидкости и на воздухе.

Зная Д для исследуемой жидкости, можно найти

значение л/рж • , а, зная плотность исследуемой

жидкости, определить её вязкость.

В качестве калибровочных жидкостей использовались декан, дистиллированная вода, растворы глицерина в воде. Электрическая блок-схема измерительной установки приведена на рис. 1.

Кроме собственно датчика, установка включала: штатив и юстировочное устройство для точной ориентации направления колебаний по нормали к поверхности; автоматическое подъемное устройство для плавного перемещения ячейки с исследуемой жидкостью; схемы генерации, контроля тока и автоматической регистрации; термостатируемые ячейки (внутренний диаметр 16 мм, емкость 10 мл); зонд, представляющий собой полый цилиндр с тонкими стенками диаметром 12 мм и высотой 30 мм.

Крепление зонда к штоку колебательной системы осуществлялось с помощью резьбы. Для исключения конденсации паров на деталях колебательной системы нами были выбраны калибровочные жидкости с температурой кипения заведомо выше 80 °С. Жидкая галлама лития в интервале температур 40...80 ”С практически не образует паров.

Перед началом измерений готовились необходимые жидкости. Ячейки и зонд тщательно промывались сначала водой, затем спирто-толуольной смесью. Зонд прикреплялся к штоку колебательной системы, в ячейки заливались исследуемые жидкости. После установления необходимой температуры в ячейке, в течение 10... 15 мин производилась выдержка с тем, чтобы процессы внутренней перестройки жидкости закончились.

Измерения начинались с записи показания цифрового вольтметра при колебаниях зонда в воздухе

Рис. 1, Электрическая блок-схема измерительной установки

110, одновременно самопишущий потенциометр фиксировал амплитуду колебаний на воздухе. Затем включалось подъемное устройство, которое, поднимаясь вверх с постоянной скоростью, надвигало ячейку с жидкостью на зонд до погружения зонда в исследуемую жидкость на установленную глубину. После погружения зонда записывались показания вольтметра в жидкости 11ж. Затем подъемное устройство опускали и наблюдали при этом за показаниями приборов. Если показания цифрового вольтметра после измерения в жидкости не совпадали с показаниями воздушного фона до измерений, то зонд промывали; в противном случае продолжали измерения, не принимая никаких дополнительных мер.

Таким образом, при заданной температуре производились измерения для каждой жидкости. Затем устанавливалась следующая температура, и измерения повторялись. Шаг температуры составлял 10 °С.

Кроме записей значений тока и напряжения с приборов, на самопишущем потенциометре получали картину изменения амплитуды сигнала при погружении зонда в жидкость. По окончании измерений рассчитывали Д для всех калибровочных жидкостей и строили калибровочные графики для каждой температуры. По ним определяли вязкость исследуемой галламы лития. Для набора статистических данных такие серии опытов проводили пять-семь раз.

Результаты исследований

Первоначально исследования по определению вязкости галламы лития планировалось провести в интервале температур 20...80 °С. Однако выяснилось, что при концентрации галламы лития выше 0,5 моль/л, температуре ниже 40 °С и воздействии вибрации зонда (перемешивании) галлама лития становится твердой. Переход галламы лития в твердое состояние при указанных выше условиях ограничивает температурную область использования всей галламно-обменной системы интервалом температур 40...80 °С, что учтено нами при проведении дальнейших исследований.

Галламу лития для опытов получали прямым растворением металлического лития марки ЛЭ-1 в галлии квалификации "х.ч." при температуре выше температуры плавления металлического лития.

Проведено три серии опытов по измерению вязкости галламы с различным содержанием лития (0,6;

0,8; 1,0 моль/л), в которых получено 15 значений вязкости (табл. 1). Каждое значение является результатом усреднения 5-7 замеров. Относительная ошибка измерений составила 1,5 %.

Из табл. 1 видно, что вязкость галламы лития отличается от вязкости жидкого галлия [2]. С ростом температуры значение вязкости галламы лития уменьшается. Причем, чем выше содержание лития в галламе, тем в большей степени ее вязкость зависит от температуры.

Анализ зависимости вязкости галламы от концентрации в ней лития при постоянной температу-

Таблица 1. Вязкость галламылития ц, Ю'3Па-с

Си, г-экв/л Температура, °С

40 50 60 70 80

0,6 3,947 3,636 3,352 3,088 2,844

0,8 4,923 4,531 4,160 3,752 3,443

1,0 6,673 6,092 5,564 5,068 4,658

ре, рис. 2, показывает, что до концентрации Си = 0,6 моль/л вязкость галламы практически линейно растет с увеличением концентрации в ней лития. В дальнейшем, кривые вязкости более круто отклоняются вверх, что, по нашему мнению, может быть связано с началом образования твердой фазы. Наблюдения показали, что при концентрациях выше 1,5 моль/л галлама лития переходит в "кашеобразное" состояние, а затем в твердое. Следовательно, образование твердой фазы с ростом концентрации лития в галламе действительно имеет место. Поэтому, для обеспечения противотока в обменной на-садочной колонне не следует использовать галламу с концентрацией по литию выше 1,5 моль/л, т.к. это может привести к "закупорке" коммуникаций разделительного каскада колонн и послужить причиной аварийного состояния.

Сходная зависимость вязкости от концентрации натрия в амальгаме для различных значений температуры получена в работах [8,9], рис. 3. Ход кривых в данном случае более пологий, так как вязкость гомогенных жидких амальгам мало отличается от вязкости ртути (цам= 1,558-10'3 Па-с при 7Ь20 °С) [2].

С точки зрения кинетической теории вязкого течения жидкостей Френкеля-Эйринга температурная зависимость вязкости описывается [10] формулой:

ц = А ■ екТ,

где IV - энергия активации вязкого течения; А -предэкспоненциальный множитель; постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

ц, 10‘3 Па-с

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Си, моль/л

Рис. 2. Зависимость вязкости галламы ц от концентрации в ней лития Сипри температуре: 7) 40; 2) 50; 3) 60; 4) 70; 5) 80 °С

0 0,2 0,4 СМа, вес. %

Рис. 3. Зависимость вязкости амальгамы ц от концентрации в ней натрия СЫапри температуре: 7) 20; 2) 40; 3) 60; 4)80°С

По теории, переход атомажидкости (расплавленного металла) из одного, временного, положения равновесия в соседнее, можно рассматривать как последовательность двух актов: "испарения" из исходного положения в промежуточное, связанного с увеличением потенциальной или, точнее говоря, свободной энергии всего комплекса, состоящего из самого атома и атомов, окружающих его, на некоторую величину Д £/= IV, и "конденсации" из промежуточного положения в новое положение равновесия с практически мгновенным сбрасыванием избыточной кинетической энергии, в которую при этом переходит энергия активации [10] (исключающим возможность возвращения в исходное положение).

Исследования проводились нами в узком температурном интервале, поэтому при обработке результатов использовали указанную выше экспоненциальную формулу.

Для нахождения Жнами были построены графики в координатах 1пц - 103/Г, рис. 4.

Полученные результаты приведены в табл. 2.

Из полученных данных видно, что с реличени-ем содержания лития в галламе значения энергии активации вязкого течения и предэкспоненциаль-

Таблица 2. Значения IVи А для расчета вязкости галламы ли-

тия

Концентрация лития в галламе, Си, моль/л

0,0 0,6 0,8 1,0

Предэкспоненциальный множитель, А, 10'3 Па-с 0,305 0,346 0,404 0,451

Энергия активации вязкого течения, Ю'20 Дж 0,738 1,045 1,070 1,156

2,8 3,0 3,2

103/Г, к ’

Рис. 4. Зависимость вязкости галламы лития от обратной температуры при концентрации в ней лития: 1) 7,0; 2) 0,8; 3) 0,6; 4) 0 моль/л

ного множителя возрастают. Вязкость галламы лития подчиняется уравнению Френкеля-Эйринга в исследованном интервале температур. Сравнение полученных нами результатов по определению вязкости галламы лития с данными по вязкости амальгамы лития тех же концентраций [1] показывает, что вязкость галламы выше, следовательно, двигаться по

насадочной колонне галлама лития будет несколько медленнее.

В реальных условиях проведения разделительного процесса в галламно-обменных системах, с учетом влияния всех факторов, выявленных в ходе исследований, нами рекомендовано использовать галламу с концентрацией по литию 0,8... 1,0 моль/л [11].

Галлама при данных концентрациях в ней лития будет заведомо жидкой, следовательно, будет обеспечено противоточное движение галламы и раствора через насадку обменной колонны.

Выводы

На основе проведенных нами исследований по изучению вязкости галламы лития показано, что при температуре не ниже 40 °С и концентрации лития в галламе не выше 1,5 моль/л организация противо-точного движения галламы лития и раствора гидроксида щелочного металла в обменных насадочных колоннах возможна. Для разделения щелочных металлов в галламно-обменных системах рекомендовано использовать галламу с концентрацией по литию 0,8... 1,0 моль/л. Установлено, что вязкость галламы лития подчиняется уравнению Френкеля-Эйринга в исследованном интервале температур. Показано, что галлама лития будет двигаться по насадочной колонне медленнее, чем амальгама лития.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования Российской Федерации (грант ТО-07.2-692).

Список литературы

1. Тихомиров И.А., Орлов А.А., Видяев Д.Г. Влияние примесей на вязкость амальгамы лития // Радиаци-онно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах: Тез. докл. Междунар. конф. -Томск: Томск, политех, ун-т, 1998. - С. 88-99.

2. Соловьев А.Н., Каплун А.Б. Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей. - Новосибирск: Наука, 1970. - 140 с.

3. Исследования в области измерения вязкости, плотности, массы / Под ред. П.П. Кремлевского // Тр. ин-тов Комитета. - M.-JI.: Стандартгиз, 1962. -Вып. 62. - 76 с.

4. Вибрационная вискозиметрия / Под ред. С.С. Ку-тателадзе. - Новосибирск: Наука, 1976. - 178 с.

5. Крутин В.Н. Колебательные вискозиметры и пути их совершенствования // Вибрационная вискозиметрия. - Новосибирск: Наука, 1987. - С. 55-59.

6. Богословский A.B., Алтунина JI.K. Низкочастот-

ный вибрационный метод исследования несмеши-вающихся жидкостей и границы их раздела // Межмолекулярные взаимодействия и электродные процессы в растворах. - Новосибирск: Наука, 1987. - С. 55-59.

7. Алексеев А.Н., Богословский A.B. Комплект функциональных блоков для измерения вязкости и плотности жидкостей // Межмолекулярные взаимодействия и электродные процессы в растворах.

- Новосибирск: Наука, 1987. - С. 59-63.

8. Волков Г.И. Производство хлора и каустической соды методом электролиза с ртутного катода. -М.: Химия, 1968. - 220 с.

9. Schmidt H., Holzinger F. // Chem. Ing. Techn. -1963. - P. 35, 37.

10. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей.

- Д.: Наука, 1975. - 592 с.

11. Тихомиров И .А., Орлов А.А. // Изв. вузов. Физика (приложение). - 2000. - Т. 43. - № 5. - С. 111-115.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.