CC BY
20
УДК
Нефедочкина А.В., Почиталкина И.А.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ С ПОСТОЯННОЙ ИОННОЙ СИЛОЙ
Нефедочкина Анастасия Викторовна - магистрант 1-го года обучения кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов
Почиталкина Ирина Александровна - д.т.н., профессор кафедры технологий неорганических веществ и электрохимических процессов; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь д. 9; pochitalkina@list.ru:
На примере водных растворов сульфата кальция различной степени пересыщения исследована кинетика кристаллизации образующейся соли. Получены кинетические зависимости вида ССа2+=^^г), по которым определены отдельные стадии процесса кристаллизации и значение равновесной концентрации ионов Ca2+. Сравнение полученного значения с литературными данными свидетельствует о сходимости результатов с учетом влияния ионной силы растворов. Ключевые слова: сульфат кальция, кинетика, кристаллизация, равновесная концентрация, степень пересыщения.
CRYSTALLIZATION OF CALCIUM SULFATE IN AQUEOUS SOLUTIONS WITH CONSTANT IONIC STRENGTH
Nefedochkina A.V., Pochitalkina I. A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The kinetics of crystallization of the resulting salt is studied using the example of aqueous solutions of calcium sulfate of various degrees of supersaturation. Kinetic dependences of the form CCa2 + = f (lgT) were obtained, which were used to determine the individual stages of the crystallization process and the value of the equilibrium concentration of Ca2 + ions. Comparison of the obtained value with the literature data indicates the convergence of the results taking into account the influence ofthe ionic strength of solutions.
Key words: calcium sulfate, kinetics, crystallization, equilibrium concentration, degree of supersaturation.
Вода имеет важное значение в человеческой деятельности, она широко используется в быту и во всех отраслях промышленности. Жесткость воды, вызванная присутствием в ней ионов кальция и магния, ограничивает применение водных ресурсов без специальной подготовки. Применение реагентной технологии водоподготовки позволяет корректировать состав воды и предотвратить осаждение солей жесткости [1]. Для расчета необходимого количества химических реагентов требуется знание равновесной концентрации малорастворимых соединений и влияния физико-химических факторов на кинетику кристаллизации. На примере модельных растворов исследован процесс кристаллизации CaSO4 заданной степени пересыщения Х, где Х=4, 5, 6.
Целью работы являлось получение кинетических зависимостей, описывающих процесс кристаллизации сульфата кальция в модельных растворах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
• Освоение комплексонометрического метода определения ионов Са2+ в водных растворах
• Приготовление модельных растворов
• Определение равновесной концентрации ионов кальция, соответствующей выходу кинетической кривой на равновесие
• Сравнение полученных равновесных концентраций со значениями, представленными в справочной литературе
• Анализ твердой фазы, полученной в процессе снятия пересыщения с помощью методов химического анализа, оптической и электронной микроскопии.
Для аналитического контроля параметров жидкой фазы в процессе кристаллизации применяли
ионометрический, комплексонометрический и кондуктометрический методы, твердую фазу анализировали с помощью рентгенофлюоресцентного, рентгенофазового методов, а также оптической и электронной микроскопии.
Модельные растворы CaSO4 получены из исходных растворов по следующей реакции:
Ыа2804 + СаСЬ СаБО^ + 2ЫаС1
Для получения модельных растворов CaSO4 заданной степени пересыщения использовали исходные растворы СаСЬ и №2804 концентрацией 1М. Модельные растворы готовили на фоне ионной силы, создаваемой раствора №аС1. ¡та = 0,2М. Кинетический эксперимент проводили при температуре 25 °С. Равновесную концентрацию С£азо4 = 1,495-10-2 моль/дм3 принимали по наиболее цитируемому литературному источнику [2].
Текущую концентрацию CaSO4 определяли комплексонометрическим методом анализа проб [3], отобранных из реакционного объема. Среднее арифметическое значение результатов трех параллельных опытов представлены на рисунке 1 в виде зависимости Сса2+=Щ§т).
С помощью обработки полученных кинетических кривых определены периоды образования устойчивых зародышей, массовой кристаллизации и выход на равновесие. Полученные данные представляют научный интерес для описания механизма процесса кристаллизации и практический - для обоснования эффективной технологии водоподготовки и корректного подбора химических реагентов.
. мни
Рис.1 Кинетические кривые спонтанного снятия пересыщения из растворов CaSO4
Из рисунка 1 видно, что в процессе кристаллизации из растворов различной степени пересыщения значение достигаемой равновесной концентрация CaSO4, определяемой комплексонометрическим методом, постоянно в пределах ошибки определения (5,0%), что свидетельствует о корректном подборе ионной силы раствора, создаваемой №С1.
Далее для визуализации и корректной интерпретации результатов анализа твердой фазы кинетический эксперимент повторяли с добавлением люминофора в исходный раствор сульфата натрия.
В заданные моменты времени от начала эксперимента образующуюся твердую фазу выделяли из реакционного объема фильтрованием и анализировали с помощью метода электронной микроскопии. Микрофотографии образовавшихся кристаллов представлены на рисунке 2.
В условиях проведения эксперимента, полученные кристаллы соответствуют СаS04•2Н20, что подтверждается результатам рентгенофазового анализа, они имеют форму пластин длиной 200-400 мкм и шириной 100-200 мкм. Сингония кристаллов -моноклинная, параметры кристаллической решетки: а = 6,28 А Ь = 15,15 А, с = 5,67 А, р = 114,12° [4]. Под действием химических реагентов из кристаллов исходной формы формируются друзы, размер которых многократно превышает размер монокристаллов.
Световое излучение кристаллов, обусловленное сорбированнием на их поверхности люминофора, позволяет получить дополнительную информацию о морфологии и кристаллической структуре образующихся частиц, влиянии на нее физико-химических факторов, и механизме кристаллизации сульфата кальция.
2. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. Издание четвертое, переработанное и дополненное. -М.: Изд. Химия, 1971. - 456 с.
3. ГОСТ 31954-2012 Вода питьевая. Методы определения жесткости. - М.:Стандартинформ.2018.18 с
4. Фрумина Н.С., Кручкова Е.С, Муштакова С.П. Аналитическая химия кальция. - М.: Наука, 1974. 250 с.
10 |лт
100 нт
Список литературы
1. Розвезев, К. Г. Разработка комплексной технологии предотвращения осадкообразования и увеличения сроков пробега оборудования в процессах мембранной очистки воды / К. Г. Розвезев, А. И. Михайличенко, И. А. Почиталкина // Успехи в химии и химической технологии. - 2010. - Т. 24. - № 2(107). - С. 95-98.
Рис.2 Микрофотография образовавшихся кристаллов сульфата кальция
