Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ПЕРЕСЫЩЕНИЕ В РАСТВОРАХ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ФОСФАТОВ НАТРИЯ

Никандров М.И. 1 Никандров И.С. 1
1 Дзержинский политехнический институт Нижегородского государственного технического университета, Дзержинск
Определено пересыщение в растворах, насыщенных безводным мононатрийфосфатом, семиводным динатрийфосфатом и десятиводным тринатрийфосфатом. Установлено влияние скорости охлаждения раствора на величину пересыщения. Показано, что пересыщение в растворах мононатрийфосфата равно 0,8–2,6% масс., в растворах динатрийфосфата равно 0,7–1,85% масс. и в растворах тринатрийфосфата равно 0,15–0,6% масс. С уменьшением концентрации растворов, насыщенных безводным мононатрийфосфатом, вязкость раствора возрастает с 4,1 до 7,7 МПа•с, а растворов, насыщенных динатрийфосфатом и тринатрийфосфатом, понижается соответственно с 4,1 до 3,5 МПа•с и с 3,4 до 2,15 МПа•с. Одновременное увеличение вязкости раствора и доли свободной воды для растворов мононатрийфосфата способствует повышению величины достигаемых пересыщений. Оптимум скорости охлаждения для получения хорошо фильтрующих кристаллов составляет 1,5–3 град/час. При кристаллизации семиводного динатрийфосфата оптимальная скорость охлаждения 2–4 град/час, а при кристаллизации десятиводного тринатрийфосфата 5–10 град/час. Дана схема получения фосфатов с минимальными затратами энергии.
размер
кристаллы
раствор
пересыщение
кристаллизация
фосфаты натрия
1. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. – М. : Химия, 1968. – 324 с.
2. Никандров М.И., Ефимова Е.О., Никандров И.С. Способ получения безводного мононатрийфосфата : патент России № 2340549 ; 2008, Бюл. № 34.
3. Никандров М.И., Никандров И.С., Ефимова Е.О. Способ получения семиводного динатрийфосфата : патент России №2277067 ; 2006, Бюл. № 15.
4. Никандров М.И., Кемаев В.И., Ефимова Е.О. и др. Способ получения десятиводного тринатрийфосфата : патент России № 2275328 ; 2005, Бюл. № 12.
5. Руководство к практическим занятиям по технологии неорганических веществ : уч. пособ. [под ред. М.Е. Позина]. – 4 изд., перераб. – Л. : Химия, 1980. – 368 с.
6. Тодес О.М., Себалло В.А., Гольцикер А.Д. Массовая кристаллизация из растворов. – Л. : Химия, 1984. – 232 с.
Введение. Процесс роста кристаллов вещества при кристаллизации всегда проходит из пересыщенных растворов. Величина достигаемых в растворах пересыщений определяет как скорость образования зародышевых центров кристаллизации, так и скорость роста граней кристаллов [1]. Следовательно фильтрующие свойства кристаллов определяются величиной пересыщений в растворах, которые необходимо регулировать, управляя скоростью охлаждения растворов в кристаллизаторе изменением температуры хладагента и скорости его подачи.Цель работы

Разработка гибкой энерго- и ресурсосберегающей технологии концентрированных фосфатов натрия [2-4] с обеспечением регулирования размеров и габитуса получаемых кристаллов вещества и фильтрующих свойств кристаллов. 

Экспериментальная часть

Для исследования свойств растворов фосфатов натрия получали нейтрализацией 73%-ной фосфорной кислоты едким натром до достижения нейтрализации первого, второго или третьего иона водорода. Полученные растворы разбавляли до достижения необходимой концентрации. Кристаллизацию проводили в реакторе, охлаждаемом водой. Скорость охлаждения раствора регулировали в пределах 1-12 град/час изменением температуры (5-28 °С) и интенсивности подачи охлаждающей воды. Выпавшие кристаллы отделяли на воронке Бюхнера, сушили, определяли грансостав (рассеиванием), анализировали на содержание пентаоксида фосфора фотоколориметрически [5]. Величину пересыщения определяли по разности концентраций раствора в момент осаждения первых кристаллов соли и в момент исчезновения кристаллов при нагреве системы. Вязкость растворов определяли термостатированным вискозиметром ВПЖ-2.

Результаты и их обсуждения

Результаты исследования представлены на рисунках 1-3. На рисунке 1 номер линии пересыщения соответствует скорости охлаждения раствора (град/час).

Как видно из рисунка 1, величина пересыщения в растворах фосфатов определяется как скоростью охлаждения растворов, так и степенью замещения ионов водорода в фосфате ионом натрия. В растворах мононатрийфосфата (МНФ), насыщенных безводной солью, величина пересыщений в растворе максимальна и равна 0,8-2,6% масс. С увеличением скорости охлаждения с 1 до 5 град/час величина пересыщения в растворе, насыщенном МНФ, возрастает в 1,95-2 раза. При этом с уменьшением концентрации насыщенного раствора в ходе политермической кристаллизации безводного МНФ по мере движения фигуративной точки равновесной жидкой фазы от перитектики d2 к d1 величина пересыщения раствора возрастает в 1,7-1,75 раза одновременно с ухудшением условий диффузии ионов в растворе по мере роста вязкости насыщенных растворов (рис. 2).

зшс

Рис. 1. Влияние концентрации насыщенных растворов (С, % масс.) на пересыщение (ΔС, % масс.).

зшс

 

Рис. 2. Влияние концентрации насыщенных растворов (С, % масс.) на их вязкость (η, мПа·с).

В этом случае ухудшению диффузии способствует одновременно снижение температуры, рост вязкости растворов и уменьшение концентрации раствора. Поэтому для растворов, насыщенных безводным мононатрийфосфатом, из-за относительно меньшей скорости зародышеобразования диаметр получаемых кристаллов относительно больше, чем у динатрийфосфата или тринатрийфосфата (рис. 3).

зшс

Рис. 3. Влияние пересыщений раствора (ΔС, % масс.) на средний диаметр кристаллов (d, мм) при кристаллизации: 1 - безводного МНФ; 2 - семиводного ДНФ; 3 - десятиводного ТНФ.

В растворах двузамещенного фосфата натрия (ДНФ) достигаемые пересыщения в ходе политермической кристаллизации семиводного динатрийфосфата ниже (0,8-1,85% масс.), чем в растворах МНФ, но выше, чем при осаждении трехзамещенного фосфата (ТНФ) (0,15-0,6% масс.). В растворах ДНФ с увеличением скорости охлаждения раствора с 1 до 5 град/час величина пересыщения в растворе возрастает в 1,8-2,3 раза.

По мере осаждения соли при политермической кристаллизации семиводного динатрийфосфата вязкость раствора понижается. Это способствует уменьшению значений пересыщений в растворах по сравнению с растворами, насыщенными мононатрийфосфатом. Поэтому при равных значениях пересыщений, как видно из рисунка 3, средний диаметр выпавших кристаллов семиводного динатрийфосфата имеет меньшие значения, чем диаметр кристаллов мононатрийфосфата.

В растворах, насыщенных десятиводным тринатрийфосфатом, достигаемые пересыщения значительно ниже. Этому способствует более интенсивное снижение вязкости растворов от начала процесса до завершения кристаллизации и одновременное повышение доли свободной воды в менее концентрированных растворах тринатрийфосфата. Величина пересыщения составляет 0,14-0,63% масс. при скорости охлаждения растворов 1-12 град/час. В результате при равных пересыщениях средний диаметр образующихся кристаллов десятиводного тринатрийфосфата меньше, чем у семиводного динатрийфосфата и безводного мононатрийфосфата.

Как показано Тодесом О.М. [6], изменение условий в системе по мере охлаждения раствора способствует волнообразному изменению пересыщения с амплитудой от 0 до максимально достигаемой величины и частотой, определяемой преимущественно вязкостью раствора. Условия кристаллизации разбивают на три области [6]:

  • область активного роста зародышей до достижения размеров устойчивости (30-50 мкм);
  • область активной коагуляции зародышей с образованием стабильных кристаллов (100-200 мкм);
  • область роста кристаллов.

На рисунке 3 эти области отграничиваются линиями I и II.

При кристаллизации безводного мононатрийфосфата практически весь интервал изменения концентрации раствора в жидкой фазе приходится на область формирования кристаллов стабильного размера. При этом область оптимума скоростей охлаждения приходится на 1,5-3 град/час.

При осаждении семиводного динатрийфосфата область формирования кристаллов стабильного размера также охватывает практически весь интервал изменения концентрации раствора, насыщенного данным кристаллогидратом. Но при скоростях охлаждения 3 и более град/час в конце процесса появляется возможность образования новых зародышей кристаллов, которые из-за дефицита времени для их роста (200-300 с) не достигают размера частиц коагуляции (100 мкм). Поэтому в выделяемом продукте появляется относительно мелкая фракция кристаллов (< 50 мкм). При кристаллизации динатрийфосфата скорость охлаждения раствора целесообразно ограничить в пределах 2-3 град/час.

При выпадении в осадок кристаллов десятиводного тринатрийфосфата область оптимума скорости охлаждения раствора значительно шире и составляет до 8 град/час.

Заключение

Оптимальными скоростями охлаждения являются для выделения: безводного мононатрийфосфата 1,5-3 град/час; семиводного динатрийфосфата 2-3 град/час; десятиводного тринатрийфосфата до 8 град/час.

По результатам исследования разработана гибкая энерго- и ресурсосберегающая технология фосфатов натрия различной замещенности и гидратности с использованитем рецикла маточных растворов.

Рецензенты:

Луконин В.П., д.техн.н., профессор, генеральный директор Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт химии и технологии полимеров им. акад. В.А. Каргина с опытным заводом» (ФГУП «НИИ Полимеров»), г. Дзержинск.

Ширшин К.В., д.хим.н., профессор, заместитель директора Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт химии и технологии полимеров им. акад. В.А. Каргина с опытным заводом» (ФГУП «НИИ Полимеров») по научной работе, г. Дзержинск.


Библиографическая ссылка

Никандров М.И., Никандров И.С. ПЕРЕСЫЩЕНИЕ В РАСТВОРАХ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ФОСФАТОВ НАТРИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 4. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6507 (дата обращения: 27.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074