«ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СОЛЕВЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ» (НА ПРИМЕРЕ БИНАРНОЙ СИСТЕМЫ LINO3 – NACL)

I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

«ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СОЛЕВЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ» (НА ПРИМЕРЕ БИНАРНОЙ СИСТЕМЫ LINO3 – NACL)

Алпанова Регина Руслановна 1
1
Катасонова Е.А. 1
1
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Оглавление

  1. Введение ……………………………………………………………….…2

  2. Экспериментальное исследование многокомпонентных солевых систем с использованием ММУ ДТА нового поколения………..…3

  3. Оптимизация исследования гетерогенных физико-химических систем (на примере бинарной системы LiNO3-NaCl)………………5

  4. Заключение………………………………………………………………8

  5. Список источников и литературы……………………………………9

Введение

Актуальность работы.

Многокомпонентные взаимные солевые системы представляют большой интерес в качестве потенциальных источников новых фазопереходных материалов. В последние 15-20 лет расплавы солей являются объектом всесторонних исследований и находят всё более широкое применение во многих областях промышленности.

Трудно найти такие отрасли науки и техники, в которых широко не применялись бы многокомпонентные системы.

Так например, солевые ионные расплавы широко применяются в качестве электролитов химических источников тока (ХИТ), рабочих тел тепловых аккумуляторов, сред для проведения химических реакций, растворителей в различных технологических процессах.

Постановка проблемы.

В связи со сложной топологической структурой взаимосвязей компонентов, изучение таких систем наиболее рационально проводить с применением инновационных методов, таких как компьютерное моделирование и экспериментальное исследование с использованием возможностей современного аппаратно-программного обеспечения. [1]

Цели работы и основные задачи исследования.

Цель работы  разработка и совершенствование методов теоретического и экспериментального исследования многокомпонентных солевых систем (на примере бинарной системы LiNO3-NaCl)

В работе решались следующие задачи:

 Оптимизация исследование многокомпонентных солевых систем

 Экспериментальное исследование многокомпонентных систем (на примере бинарной системы LiNO3-NaCl) с использованием инновационных технологий.

Экспериментальное исследование многокомпонентных солевых систем с использованием ММУ ДТА нового поколения

В студенческом научно-исследовательском центре (СНИЦ) при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) разработана мобильная малогабаритная установка ДТА нового поколения (рис.1) с интерактивным управлением через персональный компьютер.

Рис.1. Установка ДТА. 1-термоблок, 2-электронный блок

Установки ДТА позволяют исследовать сплавы металлов, солей, оксидов, полимеров, жидких кристаллов, топлив, лекарственных препаратов и т.д.

Установка представляет собой взаимосвязанную систему, состоящую из электронного блока, термоблока и программного обеспечения для ПК. Установки позволяют определять не только температуры фазовых переходов, но, что особенно важно во многих случаях – энтальпии фазовых переходов При протекании эндо- и экзотермических реакций в исследуемом образце на термограмме при соответствующих температурах появляются пики. [2]

Программное обеспечение для ПК выполняет функцию интерактивного управления установкой ДТА, позволяет обрабатывать результаты исследований и дает возможность сохранения результатов в графические файлы, совместимые с офисными пактами программ для ПК.

Интерактивное управление ДТА через ПК позволяет автоматически задавать скорость и температуру нагрева. Установка оснащена такими функциями как автоматический контроль нагрева, регулирование параметров нагрева, возможность включения/отключения температурных засечек на термической кривой. Возможность масштабирования полученной кривой, предусмотренная при разработке автоматизированного режима обработки данных, позволяет уловить даже минимальные термические эффекты на кривой. Калибровка прибора происходит в автоматизированном режиме.

Рис.2. Ученица 9»А» класса МБОУ СОШ №129 г. о. Самары Алпанова Р.Р.

проводит экспериментальные исследования на установке ДТА с интерактивным управлением через персональный компьютер.

Оптимизация исследования гетерогенных физико-химических систем (на примере бинарной системы LiNO3-NaCl)

Исследование многокомпонентных систем трудоёмкий процесс и может занимать от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от сложности топологического строения исследуемой системы.

В связи с этим разработка способов оптимизации исследования гетерогенных физико-химических систем с целью снижения временных и материальных затрат является актуальной задачей. [3]

На базе студенческого научно-исследовательского центра (СНИЦ) при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) создан алгоритм и разработана идеология инновационного исследования топологии и метрики МКС. [4]

Оптимизация исследования многокомпонентных солевых систем позволяет в несколько раз снижает затраты времени и труда на исследования.

В качестве примера оптимизации исследования приведено исследование бинарной системы LiNO3-NaCl.

Выбор указанной системы в качестве объекта исследования обусловлен тем, что ее компонентами являются вещества, обладающие высокой удельной энтальпией плавления. Так, нитрат лития, обладающий высокой удельной энтальпией плавления, применяют как компонент пиротехнических и теплоаккумулирующих составов.

Данная система была исследована ранее методом визульно-политермического анализа [5]. По результатам исследования, на диагональном сечении LiNO3-NaCl наблюдается двойная псевдоэвтектика при 14,8% мол NaCl и 233оС.

Система LiNO3-NaCl является диагональю тройной взаимной системы Li, Na // Cl, NO3. По данным о стандартных энтальпиях образования ΔH°298веществ, образующих тройную взаимную систему [6], составлено уравнение реакции обмена и рассчитан её условный термохимический эффект:

LiCl + NaNO3 → LiNO3 + NaCl – 4,32 ккал/экв (-18,05 КДж)

По классификации А.Г.Бергмана [7] система относится к необратимо-взаимным, сдвиг равновесия происходит в сторону пары солей LiNO3 и NaCl, т.е. образованная ими диагональ является стабильной.

Для исследования были взяты следующие вещества: LiNO3 («х.ч.») и NaCl («х.ч.»), предварительно обезвоженные в сушильном шкафу при температуре 130⁰C с контролем массы. Для проведения экспериментов использовали установку дифференциального термического анализа ДТА. Скорость нагревания–охлаждения образцов составляла 10–15°/мин. Температуры плавления исходных веществ, определенных в результате эксперимента, составили, соответственно, 253 °C для LiNO3, 801°C для NaCl, что согласуется со справочными данными [6].

До проведения экспериментального исследования на установке ДТА методом МЕТА [8] был проведён расчет эвтектической точки исследуемой системы: 10 мол. % NaCl при температуре 238,3 0С. Полученные в ходе эксперимента ДТА результаты приведены в табл.1.

Таблица 1.

Данные собственного эксперимента

Система

LiNO3,

(экв.%)

NaCl,

(экв.%)

Ткрист, ⁰C

LiNO3-NaCl

100

0

253

LiNO3-NaCl

95

5

241,6;220,7

LiNO3-NaCl

90

10

233,6;221,2

LiNO3-NaCl

85

15

218,3

LiNO3-NaCl

80

20

232,9;222,5

LiNO3-NaCl

75

25

270;222

По полученным экспериментальным данным построена диаграмма системы LiNO3 – NaCl (рис. 3).

Рис.3. Диаграмма плавкости системы LiNO3-NaCl (экв.%)

Фазовая диаграмма, представленная на рис.3, имеет три характерные кривые: ликвидус кристаллизации нитрата лития, кристаллизации хлорида натрия, а также линия эвтектических превращений. В солидусе классическая эвтектика при 218,3 ±1 0C наблюдается на всём протяжении диаграммы, что свидетельствует об отсутствии образования соединений между компонентами.

Рис.4. Термограмма кристаллизации эвтектики

системы 15% NaCl – 85% LiNO3 (экв.%)

На рис. 4 приведена термограмма кристаллизации состава 15% NaCl – 85% LiNO3 (экв.%). Он имеет минимальную температуру плавления 218,3 °С и единственный пик на кривой охлаждения, что позволяет идентифицировать его как эвтектику.

Заключение

В результате проведенной научно-исследовательской работы можно сделать следующие выводы:

  1. Применение современной аппаратуры ДТА [2] позволяет фиксировать все фазовые переходы, происходящие в системе.

  2. Установлен состав эвтектики при 15 экв. % и 218,3 0С, что близко к результатам моделирования методом МЕТА.

  3. Двухкомпонентная солевая система LiNO3– NaCl является стабильным диагональным сечением, обладающий высоким значением термохимического эффекта - 4.32 ккал / экв.

Образованный эвтектический состав системы LiNO3-NaCl может иметь

практическое применение в электрохимии и теплоэнергетике, в

области аккумулирования тепловой энергии.

Список литературы

  1. Моргунова О.Е. Дифференциальный термический анализ в инновационных методах исследования многокомпонентных взаимных солевых систем. Труды XIV Международной конференции по термическому анализу и калориметрии в России (RTAC-2013). Санкт-Петербург. 2013. C.216

  2. Трунин А.С. Мобильная малогабаритная установка дифференциального термического анализа с интерактивным управлением через ПК / А.С.Трунин, О.Е.Моргунова, Е.А.Катасонова, О.А.Грибенников, С.Е.Ломаева // Материалы IV Всероссийской с междун. Участием научной Бергмановской конф. «Физико-химический анализ: состояние, проблемы, перспективы развития». Махачкала: Дагестанский гос. пед. ун-т. 2012. С. 76 – 79

  3. Моргунова О.Е. Методология автоматизированного комплексного исследования многокомпонентных систем с применением моделирования и специализированного программного обеспечения / О.Е.Моргунова // Сб. трудов XМеждун. Курнаковского совещания по физико-химическому анализу в 2-х томах. Самара: Самар. гос. техн. ун-т. 2013. Т. 1. С. 154-156.

  4. Трунин А.С. Многокомпонентные солевые системы: методология исследования, достижения, перспективы (По материалам доклада на 68-х Курнаковских чтениях) / А.С.Трунин, О.Е.Моргунова // Журн. неорган. химии, 2012. Т. 57. № 8. С.1243-1250.

  5. Посыпайко В.И. и др. Диаграммы плавкости солевых систем. Тройные взаимные системы. / Посыпайко В.И., Алексеева Е.А., Васина Н.А., Грызлова Е.С., Тарасевич С.А., Афонова В.Н., Петрова Н.Н., Попова И.Г. – М.: Изд-во «Химия», 1977. С. 302

  6. Термические константы веществ. / Справочник в десяти выпусках. Под научным руководством акад. Глушко В.П. Вып. 10, ч. 1, М.: ВИНИТИ ИВТ АН СССР,1981. 299 с.

  7. Бергман А.Г., Бухалова Г.А., Трунин А.С., Моргунова О.Е. Топология комплексообразования и обменного разложениям в тройных взаимных системах и развитие исследований на область многокомпонентных взаимных систем. Самара: Самар. Гос. областная академия Наяновой, 2013. 112с.

  8. Афанасьева О.С. Расчёт состава и температур эвтектик двухкомпонентных систем по известным температурам плавления исходных веществ / О.С. Афанасьева, Г.Ф. Егорова, О.Е. Моргунова // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: Физ.-мат. науки, 2009. № 1(18). С. 228 -238.

10

Просмотров работы: 918