用電導(dǎo)率法測量硫酸鈉在高溫飽和水中的溶解度

田敬 劉磊 劉琛 孟憲宇 路遙 樊帆

摘 要：相比傳統(tǒng)的無機(jī)鹽溶解度的測量方法，電導(dǎo)率法具有高效、簡單和安全等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文首先在常溫常壓的條件下，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了硫酸鈉溶液的濃度和電導(dǎo)率的關(guān)系：電導(dǎo)率隨著溶液濃度的增大先增大后減小，并且確定硫酸鈉溶液電導(dǎo)率的最大值與硫酸鈉的溶解度一一對(duì)應(yīng)；然后，通過自行設(shè)計(jì)的高溫高壓實(shí)驗(yàn)儀器，運(yùn)用硫酸鈉溶液濃度和電導(dǎo)率的關(guān)系，測量硫酸鈉在高溫高壓下的溶解度。測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，硫酸鈉的溶解度逐步降低。

關(guān)鍵詞：電導(dǎo)率；硫酸鈉；溶解度；高溫高壓水的溶鹽能力非常強(qiáng)，水中過高的含鹽量會(huì)使化工裝置和余熱鍋爐等熱力設(shè)備的結(jié)垢非常嚴(yán)重，進(jìn)而影響熱力設(shè)備的傳熱效率[1]。因此，準(zhǔn)確測定水中的含鹽量對(duì)熱力設(shè)備的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行具有重要意義。傳統(tǒng)的測量方法是取樣法，該方法需要進(jìn)行高溫高壓取樣測量，測量過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，具有明顯的延后性，并且取樣測量部分無法接入DCS系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的自動(dòng)檢測，同樣也存在巨大的安全隱患。因此，尋找一種能夠在熱力設(shè)備和化工設(shè)備中在線應(yīng)用的電導(dǎo)率測量方法，不但有著十分迫切的現(xiàn)實(shí)需要，而且對(duì)于推動(dòng)測量技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)的進(jìn)步，也有著至關(guān)重要的理論價(jià)值。

測量無機(jī)鹽溶解度的方法有很多，但是主要有稱重法、折光法、密度分析法和電導(dǎo)率法等四種方法[2]。但是如果被測介質(zhì)在高溫高壓的狀態(tài)下，稱重法、折光法和密度分析法由于受到本身實(shí)驗(yàn)方法的局限，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測量，但是電導(dǎo)率法由于本身實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)，不需要采樣的過程，不但可以實(shí)現(xiàn)無機(jī)鹽溶液在高溫高壓的狀態(tài)下溶解度的測量，而且具有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，另外整個(gè)測量過程幾乎不用人為操作和干預(yù)，也是一種極其安全的測量方法。綜上，電導(dǎo)率法必然是無機(jī)鹽溶液在高溫高壓狀態(tài)下測量其溶解度的最佳選擇。

溶液的電導(dǎo)率隨著溶液的濃度、溫度和壓力的變化而變化，但是，當(dāng)溶液的溫度和壓力不變時(shí)，溶液的電導(dǎo)率就與溶液的濃度一一對(duì)應(yīng)，這就是本文用電導(dǎo)率法測量無機(jī)鹽在高溫高壓下溶解度的理論基礎(chǔ)[3]。無機(jī)鹽的種類非常多，本文選取了硫酸鈉這種在工業(yè)生產(chǎn)中十分常見的無機(jī)鹽作為代表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。首先，在常溫常壓下，我們?cè)诓煌瑴囟认屡渲屏瞬煌瑵舛鹊牧蛩徕c溶液，通過比較其濃度和電導(dǎo)率的關(guān)系，驗(yàn)證了硫酸鈉溶液的濃度與其電導(dǎo)率值一一對(duì)應(yīng)，并且發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率最大值所對(duì)應(yīng)的溶鹽量與硫酸鈉的溶解度相差無幾。因此，根據(jù)我們自行搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，完成了對(duì)高溫高壓狀態(tài)下硫酸鈉溶液電導(dǎo)率的測量。

1 硫酸鈉的電導(dǎo)率和溶解度的關(guān)系

1.1 影響硫酸鈉電導(dǎo)率的因素

從根本上說，無機(jī)鹽溶液的電導(dǎo)率與其溶液中的帶電粒子密度、帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度和粒子的化學(xué)價(jià)有著直接的關(guān)系[4]。但是，如果對(duì)于同一種無機(jī)鹽溶液，由于該溶液的帶電粒子相同，也就是帶電粒子的化學(xué)價(jià)相同，也就是對(duì)于同一種無機(jī)鹽溶液，其電導(dǎo)率僅與帶電粒子的密度和帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，而帶電粒子的密度僅與無機(jī)鹽溶液的濃度有關(guān)；帶電粒子的移動(dòng)速度與無機(jī)鹽溶液的壓力和溫度有關(guān)。綜上，對(duì)于某種特定的無機(jī)鹽溶液，其濃度、溫度以及壓力是決定電導(dǎo)率高低的重要物理量。

1.2無機(jī)鹽溶液的濃度與其電導(dǎo)率的關(guān)系

無機(jī)鹽溶液的濃度決定了溶液中帶電粒子的濃度，而帶電粒子的濃度決定了無機(jī)鹽溶液電導(dǎo)率的高低[4]。但是，并不是無機(jī)鹽溶液的濃度越大，其電導(dǎo)率也一定越高，而是無機(jī)鹽溶液的電導(dǎo)率先隨著溶液的濃度增大而增大，當(dāng)無機(jī)鹽溶液的濃度到達(dá)一定值（其溶解度附近）后，其電導(dǎo)率就已經(jīng)趨于平穩(wěn)，但是當(dāng)無機(jī)鹽溶液的濃度進(jìn)一步增大后，無機(jī)鹽溶液的電導(dǎo)率甚至開始下降[5]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)無機(jī)鹽溶液的濃度很低時(shí)，由于溶液中的帶電粒子數(shù)很少，無機(jī)鹽的電離程度非常徹底，就是說，隨著無機(jī)鹽溶液濃度的增大，帶電粒子的濃度也會(huì)增大，即無機(jī)鹽溶液的導(dǎo)電率也會(huì)增大；隨著無機(jī)鹽溶液濃度的進(jìn)一步增大，溶液中的帶電粒子濃度進(jìn)一步增大，帶電粒子間的相互作用力進(jìn)一步增大，這會(huì)大大影響電解質(zhì)的電離程度，導(dǎo)致電解質(zhì)的電離更加困難，導(dǎo)致電導(dǎo)率緩慢增大；當(dāng)無機(jī)鹽溶液的濃度非常高時(shí)，各種帶電粒子間會(huì)相互耦合，使得電解質(zhì)的電離程度不增反降，即隨著無機(jī)鹽溶液濃度的進(jìn)一步增大，溶液的電導(dǎo)率開始緩慢下降[6]。

綜合上述分析，當(dāng)溶液的溫度和壓力不變時(shí)，電導(dǎo)率由溶液的濃度唯一確定，這就是本文用電導(dǎo)率法測量硫酸鈉在高溫飽和水中溶解度的理論基礎(chǔ)。但是，我們首先通過在常溫常壓下測量無機(jī)鹽溶液電導(dǎo)率和溶液濃度的關(guān)系，用以驗(yàn)證該理論基礎(chǔ)的可靠性。

2 硫酸鈉在常溫常壓下的溶液濃度和電導(dǎo)率的關(guān)系

2.1 常溫常壓下測量電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

通過之前理論分析可知，溫度對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的影響至關(guān)重要，為了保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)是在溫度恒定狀態(tài)下完成，本實(shí)驗(yàn)采用了DF-101S型恒溫裝置，并配合精度為0.1℃的溫度計(jì)進(jìn)行溫度復(fù)查。實(shí)驗(yàn)中配置不同濃度的硫酸鈉溶液，是通過采用精度為0.01g的電子稱準(zhǔn)確稱取蒸餾水和硫酸鈉的質(zhì)量，然后混合攪拌均勻。最后，當(dāng)一定濃度硫酸鈉溶液在DF-101S型恒溫裝置中一定時(shí)間后，采用電導(dǎo)率儀準(zhǔn)確測量硫酸鈉溶液的電導(dǎo)率，重復(fù)三次取其平均值為最終測量結(jié)果。

2.2 測量結(jié)果

在常溫常壓下，硫酸鈉溶液的電導(dǎo)率隨著溶液濃度的升高先大后小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)溶液濃度很小時(shí)，硫酸鈉的電離程度非常徹底，電導(dǎo)率快速增加，但是當(dāng)硫酸鈉溶液的濃度繼續(xù)增大后，硫酸鈉的電離程度開始降低，其電導(dǎo)率也隨之變化緩慢，當(dāng)硫酸鈉溶液的濃度很高時(shí)，由于大量正負(fù)帶電粒子耦合，導(dǎo)致電導(dǎo)率反而開始下降。常溫常壓下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了之前理論分析的正確性。

3 硫酸鈉在高溫高壓下的溶液濃度和電導(dǎo)率的關(guān)系

3.1 高溫高壓反應(yīng)釜

隨著溶液溫度上升，溶液的壓力也會(huì)隨之上升，為了確保實(shí)驗(yàn)的安全進(jìn)行，我們?cè)O(shè)計(jì)并制造了高溫高壓反應(yīng)釜。該反應(yīng)釜由底座、本體和密封結(jié)構(gòu)三部分構(gòu)成。密封結(jié)構(gòu)主要由不銹鋼組成，但密封面由紫銅組成，密封結(jié)構(gòu)與本體結(jié)構(gòu)通過錐螺紋連接，即反應(yīng)釜里面的壓力越大，密封越牢固，并且密封面材質(zhì)為紫銅，確保了絕對(duì)安全的密封效果。通過水壓試驗(yàn)證明，該高溫高壓反應(yīng)釜密封效果良好，可以承受35Mpa的壓力。再通過加裝測量電極，即可通過該高溫高壓反應(yīng)釜實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫高壓硫酸鈉溶液電導(dǎo)率的測量。

3.2實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

高溫高壓下硫酸鈉溶液的濃度與電導(dǎo)率的變化關(guān)系與常溫常壓下基本一致：電導(dǎo)率隨著溶液濃度的增大先增大后減小。根據(jù)之前理論分析可知，無機(jī)鹽溶液電導(dǎo)率最大值所對(duì)應(yīng)的溶液濃度與其溶解度基本一致。硫酸鈉在290℃溶解度為16g/100g左右，在300℃時(shí)溶解度為13g/100g，在320℃時(shí)溶解度為10g/100g，可見，隨著溫度的上升，硫酸鈉的溶解度呈逐漸下降的趨勢(shì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）在常溫常壓下，隨著硫酸鈉溶液濃度增加，其電導(dǎo)率值先增大后減小。并且發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率由增大變?yōu)闇p小的區(qū)間所對(duì)應(yīng)的溶液濃度與其溶解度幾乎一致。

（2）高溫高壓下硫酸鈉溶液濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系與常溫常壓下基本一致。隨著溫度的上升，硫酸鈉的溶解度呈逐漸下降的趨勢(shì)。