硫酸鈣在鹽水中的溶解度及溶度積實(shí)驗(yàn)研究

顏亞盟，張 仂

(中鹽工程技術(shù)研究院有限公司 天津300450)

硫酸鈣在鹽水中的溶解度及溶度積實(shí)驗(yàn)研究

顏亞盟，張 仂

(中鹽工程技術(shù)研究院有限公司 天津300450)

測定了硫酸鈣在不同溫度和不同濃度鹽水溶液中的溶解度，并分析了鹽水溶液中各離子對鈣離子的溶解濃度的影響及鹽水濃度、溫度對硫酸鈣溶解度及溶度積的影響。結(jié)果表明：鈣離子的溶解濃度隨溶液中氯離子、鎂離子、鉀離子濃度的增加先增加后降低，隨硫酸根濃度的增加先減小后增加；硫酸鈣的溶解度隨氯化鈉濃度的增加先增加，中間出現(xiàn)一個極大值后再降低；在鹽水濃度為 25%時，硫酸鈣的溶解度隨溫度升高，在 70,℃時達(dá)到最高，而后降低；硫酸鈣的溶度積隨鹽水濃度的增加先升高再降低。

硫酸鈣 鹽水 溶解度 溶度積

0 引 言

制鹽行業(yè)生產(chǎn)的原料鹵水中除含有較高濃度的NaCl外，還含有少量的 Ca2+、SO42-等雜質(zhì)離子[1]，其中鈣離子在蒸發(fā)濃縮制鹽過程中會形成 CaSO4等難溶物，在鹵水輸送、預(yù)熱、蒸發(fā)過程中形成的硫酸鈣在輸送管路和蒸發(fā)罐加熱管壁上結(jié)垢，影響蒸發(fā)傳熱效果。由于設(shè)備結(jié)垢，使得在生產(chǎn)過程中需要周期性的用水或酸清洗加熱管道和蒸發(fā)裝置，消耗過多的蒸汽等能源，造成能源的浪費(fèi)和有效生產(chǎn)運(yùn)行時間的減少。相關(guān)學(xué)者對硫酸鈣在不同體系中的溶解度進(jìn)行了大量研究。[2-6]本文著重以制鹽行業(yè)生產(chǎn)的精制鹽為原料，研究硫酸鈣在鹽水中的溶解度，對預(yù)防蒸發(fā)制鹽過程中和設(shè)備中硫酸鈣結(jié)垢具有重要參考價值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

精制鹽，中鹽東興鹽化股份有限公司，99.3%；硫酸鈣，分析純，維科特(天津)化工產(chǎn)品貿(mào)易有限公司；DJ1C增力電動攪拌器，天津市華興科學(xué)儀器廠；DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；DT500A電子天平，中國江蘇長熟長青儀器儀表有限公司；滴定裝置等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先配制不同濃度的氯化鈉溶液，然后向其中加入足量的硫酸鈣，并置于恒溫水浴鍋中。分別設(shè)定不同的水浴溫度，保溫攪拌 4～5,h，使硫酸鈣在溶液中達(dá)到溶解平衡。然后在該溫度下保溫靜置 1,h左右，用移液管吸取上層澄清的溶液定容在容量瓶中，分析測定其成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽水溶液中各離子對鈣離子的溶解濃度影響

分別配制 5%至＜30%范圍內(nèi)的鹽水溶液，測定硫酸鈣在 25,℃、40,℃、80,℃下的溶解度，對最終達(dá)平衡的溶液做成分分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 1。由表 1數(shù)據(jù)分析得到鹽水溶液中各離子對鈣離子的溶解濃度影響見圖1。

表1 溶解平衡的鹽水溶液中各離子成分Tab.1 Ion compositions of brine after dissolution equilibrium

圖1 鹽水溶液中各離子對鈣離子的溶解濃度影響Fig.1 The effect of ion compositions on solubility of the calcium ion

由圖1可以看出，在鹽水體系中鈣離子的溶解濃度隨溶液中氯離子、鎂離子、鉀離子濃度的增加先增加后降低，在不同溫度下都有一個極大值。而隨溶液中硫酸根離子濃度的增加先減小后增加，有一個極小值。這說明鹽水體系中氯離子、鎂離子、鉀離子對鈣離子的溶解濃度有增溶作用，在低濃度范圍內(nèi)，隨各離子濃度的增加，增溶作用增大，超過一定濃度后，增溶作用減小。而硫酸根離子對鈣離子的溶解濃度影響與之相反。

2.2 鹽水溶液中氯化鈉濃度對硫酸鈣溶解度的影響

將最終達(dá)平衡的溶液中的各離子成分折合成化合物，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 2。其中鹽水溶液中氯化鈉濃度對硫酸鈣溶解度的影響見圖2。

表2 溶解平衡溶液的化合物成分Tab.2 The composition of compounds in brine after dissolution equilibrium

圖2 氯化鈉的濃度對硫酸鈣溶解度的影響Fig.2 The effect of sodium chloride concentration onthe solubility of calcium sulfate

由圖 2可以看出，在不同的溫度下，硫酸鈣的溶解度隨氯化鈉濃度的增加先增加，中間出現(xiàn)一個極大值后再降低。在不同溫度下，硫酸鈣溶解度的極大值數(shù)值基本相同，大概都為 7.10,g/L左右。只是出現(xiàn)極大值的氯化鈉濃度范圍有所不同。在溫度為 25,℃時，硫酸鈣的溶解度出現(xiàn)極大值的氯化鈉濃度為105.75～163.83,g/L范圍內(nèi)。溫度為 40,℃時，硫酸鈣的溶解度出現(xiàn)極大值的氯化鈉濃度為 163.64,g/L。溫度為 80,℃時，硫酸鈣的溶解度出現(xiàn)極大值的氯化鈉濃度為 224.38,g/L。參考有關(guān)文獻(xiàn)[6]，在鹽水溶液中，隨氯化鈉濃度的增大，離子強(qiáng)度逐漸增加，而硫酸鈣的活性系數(shù)會經(jīng)歷一個減小，出現(xiàn)極小值再增大的過程，因此硫酸鈣在鹽水中的溶解度會隨著氯化鈉濃度的增加先增加，出現(xiàn)極大值后再降低。

2.3 溫度對硫酸鈣溶解度的影響

實(shí)驗(yàn)中測定了硫酸鈣在 25,℃、40,℃、50,℃、60,℃、70,℃、80,℃、90,℃下 25%鹽水中的溶解度。溫度對硫酸鈣溶解度影響的關(guān)系曲線見圖3。

由圖 3可以看出，隨溫度的升高，硫酸鈣的溶解度先緩慢地增加，在 70,℃時達(dá)到最高，為 6.08,g/L，而后降低。

圖3 溫度對硫酸鈣溶解度的影響Fig.3 The effect of temperature on the solubility of calcium sulfate

2.4 溫度和鹽水濃度對硫酸鈣溶度積的影響

由不同溫度和不同鹽水濃度下的溶解平衡的鹽水溶液中鈣離子濃度和硫酸根離子濃度折算成硫酸鈣的溶度積[以(mmol/L)2表示]數(shù)據(jù)見表 3。其中鹽水濃度對硫酸鈣溶度積影響的關(guān)系曲線見圖 4，在25%鹽水濃度下，溫度對硫酸鈣溶度積影響的關(guān)系曲線見圖5。

表3 不同溫度和鹽水濃度下的硫酸鈣的溶度積Tab.3 Solubility products of calcium sulfate under sodium chloride with different temperatures and concentrations

圖4 鹽水濃度對硫酸鈣溶度積的影響Fig.4 The effect of sodium chloride concentrationon the solubility product of calcium sulfate

圖5 溫度對硫酸鈣溶度積的影響Fig.5 The effect of temperature on the solubility product of calcium sulfate

由表 3可以看出，在溫度為 25～90,℃，鹽水濃度為 5%至＜30%范圍內(nèi)，硫酸鈣的溶度積數(shù)值范圍為 1,461～2,898 (mmol/L)2。由圖 4可以看出，硫酸鈣的溶度積隨鹽水濃度的增加先升高再降低，有一個極大值。由圖 5可以看出，在 25%鹽水中，溫度在25～90,℃時硫酸鈣的溶度積有些差別，呈波浪形變化，數(shù)值范圍在1,461～2,068 (mmol/L)2。

4 結(jié) 論

鈣離子的溶解濃度隨溶液中氯離子、鎂離子、鉀離子濃度的增加先增加后降低，隨硫酸根濃度的增加先減小后增加。

硫酸鈣的溶解度隨氯化鈉濃度的增加先增加，中間出現(xiàn)一個極大值后再降低。極大值數(shù)值基本相同，為 7.10,g/L左右。在不同溫度下，出現(xiàn)極大值的氯化鈉濃度范圍有所不同。

在鹽水濃度為25%時，硫酸鈣的溶解度隨溫度的升高，先緩慢地增加，在 70,℃時達(dá)到最高，為6.08,g/L，而后降低。

硫酸鈣的溶度積隨鹽水濃度的增加先升高再降低，有一個極大值。在 25%鹽水中，溫度為 25～90,℃時硫酸鈣的溶度積數(shù)值范圍在1,461～2,068(mmol/L)2。

［1］唐娜，趙彪，任成龍，等. 添加劑對石膏型鹵水體系硫酸鈣結(jié)晶動力學(xué)影響研究[J]. 鹽業(yè)與化工，2011，40(2)：15-18.

［2］田萍，寧朋歌，曹宏斌，等. 二水硫酸鈣在銨鹽溶液中溶解度測定及熱力學(xué)計算[J]. 過程工程學(xué)報，2012，12(4)：625-630.

［3］袁存光，唐仕明，于劍峰，等. 江蘇油田鹵水輸送管道中硫酸鈣結(jié)垢趨勢預(yù)測[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報，2011，35(4)：154-156.

［4］陳魁，向蘭. 硫酸鈣溶解行為初探[J]. 鹽業(yè)與化工，2006，35(2)：1-3.

［5］尹忠，趙曉東. 硫酸鈣在鹽酸和氯化鈉水溶液中的溶解度[J]. 油田化學(xué)，1994，11(4)：345-347.

［6］曹宗侖，陳進(jìn)富，劉亞，等. 油田采出水中成垢物質(zhì)CaSO4·2,H2O、CaCO3的溶解度[J]. 石油與天然氣化工，2006，35(6)：473-476.

Solubility and Solubility Product of Calcium Sulfate in Brine

YAN Yameng，ZHANG Le
(Engineering Technology Institute Co.，LTD. of CNSIC，Tianjin 300450，China)

The solubility of calcium sulfate in brines with different concentrations and temperatures was studied. The effects of different ions in brine on concentration of calcium ion and the effects of brine concentration and temperatures on the solubility and solubility product of calcium sulfate were analyzed. Experimental results indicated that the solubility of calcium ion first increased and then decreased along with the increasing of the concentration of chloride ion，magnesium ion，and potassium ion；first decreased and then increased along with the increasing of the concentration of sulfate ion. The solubility of calcium sulfate first increased，after reaching a maximum value and then decreased along with the increasing of the concentration of sodium chloride. In the 25% brine，the solubility of calcium sulfate first increased slowly and then decreased along with the increasing of temperature. Under 70,℃，the solubility of calcium sulfate reached the highest level and then decreased. The solubility product of calcium sulfate increased first and then decreased with the increasing of the concentration of brine.

calcium sulfate；brine；solubility；solubility product

TQ95

A

1006-8945(2014)10-0013-05

天津市科技興海專項(xiàng)(KJXH2012-02)。

2014-09-10