基于Pitzer热力学模型的高盐废水体系NaCl⁃Na2SO4⁃H2O溶解度预测

doi:10.3969/j.issn.1672-6952.2021.05.006

辽宁石油化工大学学报 ›› 2021, Vol. 41 ›› Issue (5): 32-37.DOI: 10.3969/j.issn.1672-6952.2021.05.006

基于Pitzer热力学模型的高盐废水体系NaCl⁃Na₂SO₄⁃H₂O溶解度预测

叶菊梅¹(), 刘微¹, 李天涯², 李壮¹(), 刘焕阳³

^1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001
^2.辽宁师范大学化学化工学院，辽宁大连 116029
^3.中国石油天然气股份有限公司辽宁销售仓储分公司设备工程部，辽宁沈阳 110000

收稿日期:2020-07-30 修回日期:2020-08-25 出版日期:2021-10-25 发布日期:2021-11-09
通讯作者: 李壮
作者简介:叶菊梅（1996⁃），女，硕士研究生，从事固废处理、工业废盐回收等方面的研究；E⁃mail：1256423820@qq.com。
基金资助:
辽宁省教育厅一般项目(L2020023)

Prediction of Solubility of NaCl⁃Na₂SO₄⁃H₂O in High Salt Wastewater by Pitzer Thermodynamic Model

Jumei Ye¹(), Wei Liu¹, Tianya Li², Zhuang Li¹(), Huanyang Liu³

^1.College of Petroleum Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.College of Chemistry and Chemical Engineering，Liaoning Normal University，Dalian Liaoning 116029，China
^3.Equipment Engineering Department，Liaoning Sales and Storage Branch of PetroChina Co. Ltd. ，Shenyang Liaoning 110000，China

Received:2020-07-30 Revised:2020-08-25 Published:2021-10-25 Online:2021-11-09
Contact: Zhuang Li

摘要/Abstract

摘要：

为了研究温度为298.15 K时NaCl?Na₂SO₄?H₂O三元体系的盐类析出规律，采用Pitzer模型预测和计算了该体系的活度系数及溶解度，分析了Na⁺、Cl^－和SO $4 2 -$ 离子活度系数的变化规律及其对应的三元体系相图。结果表明，随着液相中Na₂SO₄质量分数的增加，Cl^－和SO $4 2 -$ 的活度系数无明显变化，而Na⁺的活度系数呈先增大后下降趋势。当液相中Na₂SO₄质量分数小于6.8%时，Na⁺的活度系数上升的平均速率为4.4%；当液相中Na₂SO₄质量分数为6.8%～14.9%时，Na⁺的活度系数下降的平均速率为4.1%；当液相中Na₂SO₄质量分数大于14.9%时，Na⁺的活度系数下降速率最快，其平均值为8.0%；当液相中NaCl质量分数大于22.9%、Na₂SO₄质量分数小于6.8%时，随着水分的蒸发，NaCl先析出而Na₂SO₄后析出；当液相中NaCl质量分数为14.0%～22.9%、Na₂SO₄质量分数为6.8%～14.9%时，析出顺序相反。

关键词: 废盐溶液, Pitzer模型, 活度系数, 溶解度预测, 相平衡

Abstract:

In order to study the salt precipitation law of the NaCl?Na₂SO₄?H₂O ternary system at a temperature of 298.15 K, the Pitzer model was used to predict and calculate the activity coefficient and solubility of the system, and the variation of the activity coefficients of Na⁺, Cl^- and SO $4 2 -$ and the corresponding phase diagram of the ternary system were analyzed. The results show that with the increase of the Na₂SO₄ mass fraction, the activity coefficients of Cl^- and SO $4 2 -$ have no obvious change, while the activity coefficient of Na⁺ icreases first and then decreases. When the mass fraction of Na₂SO₄ in the liquid phase is less than 6.8%, the average change rate of the increase in the activity coefficient of Na⁺ is 4.4%. When the mass fraction of Na₂SO₄ in the liquid phase is between 6.8% and 14.9%, the average change rate of decrease in the activity coefficient of Na⁺ is 4.1%, when the mass fraction of Na₂SO₄ in the liquid phase reaches 14.9%, the activity coefficient of Na⁺ decreases fastest, and the average change rate is 8.0%; when the mass fraction of NaCl in the liquid phase is greater than 22.9% and the mass fraction of Na₂SO₄ is less than 6.8% ,as the water evaporates, NaCl precipitates first and Na₂SO₄ precipitates later; when the liquid phase mass fraction of NaCl is 14.0%～22.9% and the mass fraction of Na₂SO₄ is 6.8%～14.9%, the precipitation order is reversed.

Key words: Waste salt solution, Pitzer model, Activity coefficient, Solubility prediction, Phase equilibrium

中图分类号:

TQ150

叶菊梅, 刘微, 李天涯, 李壮, 刘焕阳. 基于Pitzer热力学模型的高盐废水体系NaCl⁃Na₂SO₄⁃H₂O溶解度预测[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(5): 32-37.

Jumei Ye, Wei Liu, Tianya Li, Zhuang Li, Huanyang Liu. Prediction of Solubility of NaCl⁃Na₂SO₄⁃H₂O in High Salt Wastewater by Pitzer Thermodynamic Model[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2021, 41(5): 32-37.

图/表 4

表1 温度为298.15 K时NaCl和Na2SO4的Pitzer作用参数

物质	β⁽⁰⁾	β⁽¹⁾	C^φ
NaCl	0.077 22	0.251 38	0.001 06
Na₂SO₄	0.046 04	0.933 50	－0.004 83

表2 Pitzer热力学模型中各项参数的意义

参数	意义
$E θ c c' (I)$ 、 $E θ a a' (I)$ 、 $E θ' c c' (I)$ 、 $E θ' a a' (I)$	用于描述3⁃1型及更高不对称性的电解质溶液中静电不对称混合效应
$θ c c'$ 、 $θ a a'$	表示在溶液中不同阳离子间、不同阴离子间的作用
$ψ c c' a$	表示溶液中不同阳离子和阴离子之间的作用
$ψ c c a$	表示溶液中相同阳离子和阴离子之间的作用

表2 Pitzer热力学模型中各项参数的意义

参数	意义
$E θ c c' (I)$ 、 $E θ a a' (I)$ 、 $E θ' c c' (I)$ 、 $E θ' a a' (I)$	用于描述3⁃1型及更高不对称性的电解质溶液中静电不对称混合效应
$θ c c'$ 、 $θ a a'$	表示在溶液中不同阳离子间、不同阴离子间的作用
$ψ c c' a$	表示溶液中不同阳离子和阴离子之间的作用
$ψ c c a$	表示溶液中相同阳离子和阴离子之间的作用

表3 NaCl?Na2SO4?H2O体系在298.15 K时的活度系数及溶解度

质量摩尔浓度/（mol·kg^-1）			离子活度系数			液相中质量分数/%
Na⁺	Cl^-	SO $4 2 -$	Na⁺	Cl^-	SO $4 2 -$	NaCl	Na₂SO₄	H₂O
0.456 0	0.456 0	0	4.885 3	0.755 7	0.195 0	26.448 0	0	73.552 0
0.451 1	0.431 0	0.020 1	5.015 1	0.745 9	0.191 0	24.998 0	2.854 2	72.147 8
0.443 0	0.394 8	0.048 2	5.187 8	0.732 3	0.186 6	22.898 4	6.844 4	70.257 2
0.408 9	0.344 8	0.064 1	5.030 5	0.717 8	0.182 2	19.998 4	9.102 2	70.899 4
0.356 5	0.258 6	0.097 9	4.871 7	0.693 3	0.177 0	14.998 8	13.901 8	71.099 4
0.347 5	0.242 2	0.105 3	4.858 1	0.688 7	0.173 7	14.047 6	14.952 6	70.999 8
0.282 3	0.172 4	0.109 9	4.353 9	0.676 2	0.177 3	9.999 2	15.605 8	74.395 0
0.214 4	0.086 2	0.128 2	3.954 8	0.662 2	0.183 8	4.999 6	18.204 4	76.796 0
0.153 5	0	0.153 5	3.674 9	0.650 8	0.197 7	0	21.797 0	78.203 0

表3 NaCl?Na2SO4?H2O体系在298.15 K时的活度系数及溶解度

质量摩尔浓度/（mol·kg^-1）			离子活度系数			液相中质量分数/%
Na⁺	Cl^-	SO $4 2 -$	Na⁺	Cl^-	SO $4 2 -$	NaCl	Na₂SO₄	H₂O
0.456 0	0.456 0	0	4.885 3	0.755 7	0.195 0	26.448 0	0	73.552 0
0.451 1	0.431 0	0.020 1	5.015 1	0.745 9	0.191 0	24.998 0	2.854 2	72.147 8
0.443 0	0.394 8	0.048 2	5.187 8	0.732 3	0.186 6	22.898 4	6.844 4	70.257 2
0.408 9	0.344 8	0.064 1	5.030 5	0.717 8	0.182 2	19.998 4	9.102 2	70.899 4
0.356 5	0.258 6	0.097 9	4.871 7	0.693 3	0.177 0	14.998 8	13.901 8	71.099 4
0.347 5	0.242 2	0.105 3	4.858 1	0.688 7	0.173 7	14.047 6	14.952 6	70.999 8
0.282 3	0.172 4	0.109 9	4.353 9	0.676 2	0.177 3	9.999 2	15.605 8	74.395 0
0.214 4	0.086 2	0.128 2	3.954 8	0.662 2	0.183 8	4.999 6	18.204 4	76.796 0
0.153 5	0	0.153 5	3.674 9	0.650 8	0.197 7	0	21.797 0	78.203 0

图1 温度为298.15 K时NaCl?Na2SO4?H2O的三元相图

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基于Pitzer热力学模型的高盐废水体系NaCl⁃Na₂SO₄⁃H₂O溶解度预测

Prediction of Solubility of NaCl⁃Na₂SO₄⁃H₂O in High Salt Wastewater by Pitzer Thermodynamic Model

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