加熱條件下鹽溶液水分蒸發速率影響因素的實驗研究

摘 要：通過在不同條件下測定鹽溶液水分蒸發速率，分析加熱溫度、鹽濃度和鹽種類3種影響鹽溶液水分蒸發速率的因素，構建鹽溶液蒸發速率的大致模型。結果表明，在55～95 ℃溫度區間內，實驗條件下的純水蒸發平均速率與溫度大致呈線性關系，當鹽溶液接近飽和時，鹽濃度越高，水分蒸發速率越低，且不同鹽種類對鹽溶液水分蒸發速率的影響較大。

關鍵詞：鹽溶液；鹽濃度；蒸發速率；加熱條件

鹽溶液是一種或多種鹽作為溶質分散在溶劑中形成的均一穩定液體，廣泛存在于各種化學工藝流程中。氯氣、強堿、肥皂、染料、玻璃、陶瓷、化學肥料等化工產品的生產，各類實驗室化學試劑的制備，食品的加工，廢水處理等過程中都涉及鹽溶液。對鹽溶液性質的研究，特別是對以水作為溶劑的鹽水溶液性質的研究至關重要。一方面，可以改善化學工藝流程，提高生產效率，提升產品質量；另一方面，可以探索鹽溶液的新用途，提供新的工藝思路。本研究主要探討了加熱溫度、鹽濃度和鹽種類3種因素對鹽溶液水分蒸發速率的影響，為工藝流程中重結晶、鹽水制冷等涉及鹽溶液處理的步驟提供參考。

1 " 實驗部分

1.1 "實驗試劑

實驗用到的藥品包括氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、無水硫酸銅、無水硫酸鈉、碳酸鉀，均為分析純，購自天津市北辰區方正試劑廠。

1.2 "實驗方法

本實驗蒸發過程主要采用FL-500A型加熱器，其他設備包括TP101型電子數顯溫度計、電子天平（分度值0.01 g）和25 mL燒杯（杯口直徑36 mm）。

1.2.1 "溫度

用10 mL移液管向25 mL燒杯中加入10 mL純水，并用電子天平測得質量m0=30.01 g。設置加熱器溫度為55 ℃，在標準大氣壓下將上述燒杯置于加熱器上加熱10 min。加熱結束后取出燒杯，待自然冷卻后稱量其質量，記為m1；計算前后質量差，記為m=m0－m1=0.26 g。再將溫度分別設置為75 ℃和95 ℃，重復上述操作，測得質量差分別為2.88 g和5.71 g，如表1所示。

1.2.2 "鹽類濃度

向燒杯中加入0.01 mol無水氯化鈣固體，再用10 mL移液管向25 mL燒杯中加入10 mL純水，稱量其質量為m2。設置加熱器溫度為75 ℃，在標準大氣壓下將上述燒杯置于加熱器上加熱10 min。加熱結束后取出燒杯，待自然冷卻后稱量其質量，記為m3；計算前后質量差，記為M1。再在上述條件下將氯化鈣固體添加量分別設置為0.02、0.03、0.05、0.07、0.08、0.09 mol，重復上述操作，總共測得7組M1，分別為2.82、2.83、2.79、2.80、2.11、1.90、0.75 g，如表2所示。

1.2.3 "鹽種類

向燒杯中加入0.04 mol氯化鈉固體，再用10 mL移液管向25 mL燒杯中加入10 mL純水，稱量其質量為m4，設置加熱器溫度為75 ℃，在標準大氣壓下將上述燒杯置于加熱器上加熱10 min。加熱結束后取出燒杯，待自然冷卻后稱量其質量，記為m5；計算前后質量差，記為M2。再在上述條件下分別加入0.05 mol氯化鈉、0.06 mol氯化鈉、0.03 mol氯化鉀、0.04 mol氯化鉀、0.05 mol氯化鉀、0.05 mol無水硫酸銅、0.05 mol碳酸鉀、0.05 mol無水硫酸鈉，重復上述操作，總共測得9組M2，分別為2.64、2.67、2.66、2.78、2.60、2.46、1.62、3.31、2.42 g，如表3所示。

1.3 "數據處理

1～3號實驗組水分蒸發平均速率-溫度曲線如圖1所示，4～10號實驗組水分蒸發平均速率-氯化鈣溶液濃度曲線如圖2所示，11～13號實驗組水分蒸發平均速率-氯化鈉溶液濃度曲線和14～16號實驗組水分蒸發平均速率-氯化鉀溶液濃度曲線如圖3所示。

2 " 結果分析

2.1 "加熱溫度對鹽溶液水分蒸發速率的影響

在標準大氣壓、加熱10 min的條件下，本研究測定了不同溫度25 mL燒杯中10 mL純水的平均蒸發速率。結果表明，當設置溫度低于55 ℃時，10 min內水分蒸發量較小，且隨溫度的升高水分蒸發平均速率變化不大。當設置溫度高于55 ℃、低于95 ℃時，隨著溫度升高，水分蒸發平均速率升高，兩者呈高度線性相關。當設置溫度高于95 ℃時，因為水分短時間大量汽化時鹽溶液中的部分鹽會隨著水分飛濺而離開鹽溶液體系[1]，影響實驗結果，所以本實驗未設置純水沸騰的實驗組。

2.2 "鹽濃度對鹽溶液水分蒸發速率的影響

在標準大氣壓、設置溫度為75 ℃、加熱10 min的條件下，本研究測定了25 mL燒杯中以10 mL純水為溶劑的不同濃度氯化鈣鹽溶液水分蒸發平均速率，結果如表2和圖2所示。當氯化鈣濃度小于5 mol/L時，與表2對照，氯化鈣幾乎對鹽溶液水分蒸發沒有影響。當氯化鈣濃度大于5 mol/L時，隨著濃度的增大，鹽溶液水分蒸發平均速率迅速下降，當氯化鈣濃度達到9 mol/L時，鹽溶液水分蒸發量已經降至0.75 g。當氯化鈣濃度大于9 mol/L時，氯化鈣溶液達到飽和。

實驗表明，當鹽溶液接近飽和時，鹽濃度越大，鹽溶液水分蒸發平均速率越小。當鹽濃度較小時，鹽類對鹽溶液水分蒸發幾乎不產生影響。

2.3 "鹽種類對鹽溶液水分蒸發速率的影響

在標準大氣壓、設置溫度為75 ℃、加熱10 min的條件下，本研究測定了25 mL燒杯中以10 mL純水為溶劑的氯化鈉、氯化鉀、硫酸銅、碳酸鉀和硫酸鈉5種不同濃度鹽溶液水分蒸發平均速率。結果表明，不同鹽類對相應鹽溶液水分蒸發速率的影響差異較大。氯化鈣、硫酸鈉、硫酸銅等吸水性較強的鹽類在接近飽和時，對應鹽溶液水分蒸發平均速率明顯降低。氯化鈉等吸水性較弱的鹽類即使在接近飽和時，對水分蒸發平均速率的影響仍然較小。氯化鉀的吸水性一般，在接近飽和時對鹽溶液水分蒸發平均速率影響有限。值得注意的是，第18號實驗組測得的質量差大于第2號實驗組測得的質量差。分析其原因可能是無水碳酸鉀吸水性極強，由于整體用量較少，在加樣過程中部分碳酸鉀轉化成碳酸氫鉀，在加熱過程中釋放出二氧化碳，所以質量差偏大。

圖2和圖3還表明，吸水性越強的鹽類接近飽和時，濃度越大，其對鹽溶液水分蒸發平均速率的影響越大，而吸水性越弱的鹽類影響越小。

2.4 "結果綜合分析

上述結果表明，鹽溶液水分蒸發速率取決于多種因素，包括加熱溫度、鹽溶液濃度和鹽種類等。在55～95 ℃溫度區間內，實驗條件下的純水蒸發平均速率與溫度大致呈線性關系。當鹽濃度較低時，鹽溶液水分蒸發速率幾乎不受影響，而在接近飽和時影響逐漸增大，鹽濃度越高，水分蒸發速率越低。不同鹽種類對鹽溶液水分蒸發速率的影響差別較大。

在工業生產中，若以蒸干鹽溶液獲得鹽固體為目的，在條件允許的情況下溫度越高，蒸干鹽溶液的速率越高。若以減少溶液蒸發為目的，可在降低溫度的同時向溶液中添加部分吸水性較強的鹽類至該鹽類濃度接近飽和。

實驗結果還表明，由于不同鹽的吸水性不同，繪制出的水分蒸發平均速率-溶液濃度曲線圖也有明顯的差別，例如圖3中的氯化鈉和氯化鉀對應曲線。在鹽類鑒別方面，可控制條件，蒸發該鹽溶液，測定水分蒸發速率并繪制曲線，從而大致確定鹽種類。在工業鹽水制冷劑方面，可調控鹽溶液濃度，選擇更好的制冷鹽，提高冷卻效率。

3 " 結語

鹽溶液在眾多化學工藝流程中發揮著重要作用，研究加熱條件下鹽溶液水分蒸發速率的影響因素同樣至關重要。研究得出，在55～95 ℃溫度區間內，實驗條件下的純水蒸發平均速率與溫度大致呈線性關系，在接近飽和時鹽濃度越高，水分蒸發速率越低，且不同鹽種類對鹽溶液水分蒸發速率的影響較大。在生產中，選擇合適的鹽溶液溫度、鹽溶液濃度和鹽種類，有助于提高化工生產效率、改善工藝流程。

[參考文獻]

[1]祁澤學.水面蒸發鹽度效應及影響因素研究[D].西安：長安大學，2015.

Experimental study on the factors affecting the water evaporation rate of salt

solution under heating conditions

Deng Shuo

（School of Chemistry and Chemical Engineering， Xiamen University， Xiamen 361000， China）

Abstract：By measuring the water evaporation rate of salt solution under different conditions， analyzing three factors that affect the water evaporation rate of salt solution： heating temperature， salt concentration， and salt type， a rough model of the evaporation rate of salt solution was constructed. The results show that the average evaporation rate of pure water under experimental conditions is approximately linearly related to temperature within the temperature range of 55 to 95 ℃. When the salt solution approaches saturation， the higher the salt concentration， the lower the water evaporation rate， and different salt types have a greater impact on the water evaporation rate of the salt solution.

Key words：salt solution; salt concentration; evaporation rate; heating condition