高温高压碱土金属溶液活度系数新模型的研究

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近年来,高温高压下的水溶液逐渐成为许多有机和无机反应的良好媒介,在水热合成新型纳米材料、选择性合成、利用超临界水氧化等方面都有着广泛的应用,因此对极端条件下溶液热力学性质研究的迫切性也日益增长。电解质溶液在化工、冶金、环保、地质和海洋等学科中应用广泛。自从Debye-Hückel在上个世纪开创了电解质溶液理论的基础后,其理论及模型在过去的一个世纪中得到了很大的发展,但大多是在温度压力和浓度不太高的情况下。由于工程应用中的情况复杂多变和高温高压实验条件的限制,建立一个适用于高温高压高浓度电解质溶液热力学性质计算并具有预测功能的模型则显得尤为重要。本论文首先对电解质溶液理论、活度系数模型等方面的研究现状和进展作了扼要的综述。在描述电解质溶液的非理想性时,为了正确反映其在宽温度范围和浓度区域内的变化规律,必须同时考虑长程静电作用、短程推斥作用和离子溶剂化作用以及高温高压下有很大贡献的缔合作用,并且考虑这些作用随温度压力改变的普遍化关系。因此在现有的众多电解质溶液活度系数的模型中,在同时考虑物理作用和化学作用的基础上,本论文采用Pitzer与Simonson的以Margules形式表示的短程作用项,结合Pitzer与李以圭的考虑一个缔合反应的模型,在考虑两个缔合反应的基础上建立新的适用于高温高压高浓度碱土金属卤化物溶液活度系数计算的热力学模型,并将模型中的参数赋予了明确的物理意义。为满足热力学上的一致性,本工作采用水的活度对模型参数进行回归,而后再由这些回归出的参数计算电解质的平均活度系数。对MgCl2、SrCl2、BaCl2在196.2bar、523.15~623.15K的研究表明,该模型对其是适用的。对CaCl2在196.2~588.6bar、523.15~623.15K以及常压273.15~373.15K的研究表明:对于水的活度和电解质的平均活度系数,利用该模型的计算值都能很好的与实验数据相符合。克服以往模型不能同时很好回归MgCl2、CaCl2、SrCl2和BaCl2活度系数的缺陷,新建立的模型能同时很好的对这些碱土金属卤化物溶液在较高浓度时的情况进行回归与计算。本文在课题组对MgCl2、CaCl2进行量化研究的基础上,利用同一数学形式<WP=5>将CaCl2溶液在不同条件下回归出的两个模型参数拟合成温度与压力的函数,并根据拟合的模型参数预测了水的活度与电解质的平均活度系数。与文献中实验数据比较的结果表明:预测结果能与实验数据较好地符合。本文提供的模型可用于计算宽温度压力范围(常温常压至623.15K、588.6bar)内碱土金属卤化物溶液的活度系数;并对实验数据所涉及的温度压力范围内任一状态下溶液的活度系数进行预测。这在前人以往的工作中是没有的,对于复杂多变的工程情况,具有一定的应用价值。
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