铝酸钠溶液的粘度
成琼文,李小斌,彭志宏,刘桂华,周秋生
(中南大学 冶金科学与工程学院,湖南 长沙,410083)
摘要: 研究了溶液的温度、氧化铝质量浓度、苛性比αk等因素对铝酸钠溶液粘度的影响。研究结果表明:低温、高浓度、高苛性比及过饱和度较高的溶液粘度较大,反之则较小。这主要是因为溶液的温度、浓度和苛性比等因素影响了溶液中Al(OH)4-4与聚合铝酸根离子间的相互转变,从而影响了溶液的粘度;对实验数据进行多元线性拟合得到了溶液粘度与温度、浓度及苛性比的定量关系:lnη=-1.554+1.139αk+0.01872ρ-0.0503T。
关键词: 铝酸钠溶液; 粘度; 氧化铝
中图分类号:TF802 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)02-0229-05
Viscosity of Sodium Aluminate Solution
CHENG Qiong-wen, LI Xiao-bin, PENG Zhi-hong, LIU Gui-hua, ZHOU Qiu-sheng
(School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The influences of temperature, concentration of alumina and molar ratio of soda and alumina (αk) on the viscosity of pure sodium aluminate solution were studied. Results show that viscosity mainly depends on temperature, concentration, n(Na2O)/n(Al2O3), and supersaturation of the solution. The viscosity is higher at lower temperature, higher concentration, higher αk and higher supersaturation. This may be attributed to the transformation between Al(OH)4-4 and poly-aluminate ion at different temperatures, concentrations and n(Na2O)/n(Al2O3).Through multi-element linear regression the quantitative relationship among viscosity of the solution, temperature, concentration and n(Na2O)/n(Al2O3) is obtained as follows: lnη=-1.554+1.139αk+0.01872ρ-0.0503T.
Key words: sodium aluminate solution; viscosity; alumina
粘度是铝酸钠溶液的一个重要物理参数。在氧化铝生产过程中,铝酸钠溶液的粘度对赤泥沉降、分离等过程有重要的影响[1]。溶液的粘度过大会使赤泥的沉降速度变小,造成赤泥与铝酸钠溶液分离困难,从而不利于沉降槽的作业;在铝酸钠溶液种分过程中,溶液的粘度同样起着重要的作用。因此,研究铝酸钠溶液的粘度有重要的理论与实际意义。
研究者对于铝酸钠溶液粘度的研究较多[2,3]。但对铝酸钠溶液粘度与各影响因素间的定量关系的研究较少。为此,作者对溶液粘度与温度、溶液中各成分浓度、苛性比等影响因素间的相互关系及其作用机理进行研究,并总结了其内在规律。
1 实 验
1.1 实验原料及方法
利用工业氢氧化铝(中国铝业中州分公司生产)和氢氧化钠(重庆南州市宏原化工有限公司生产)配制苛性比αk(即Na2O与Al2O3的分子比)介于1.39~3.37的15个纯铝酸钠溶液样品,对应各苛性比溶液再分别配制以20 g/L为浓度梯度、质量浓度为180~240 g/L的氧化铝溶液,在20~80 ℃,以5 ℃为间隔测定每份溶液的粘度。
1.2 实验设备
实验设备有:NDJ-79型旋转式粘度计(上海同济大学机电厂制造);DKB-501A型超级恒温水槽(上海精宏实验设备有限公司制造)。
1.3 粘度计精度标定
在20~60 ℃,以5 ℃为温度梯度测定水的绝对粘度,并与标准粘度对比,可得粘度计的平均相对误差为2.96%,精度较高。实验结果如表1所示。
表 1 不同温度下水的标准粘度ηs和实测粘度ηm
Table 1 Standard and measured viscosity
2 结果与讨论
2.1 铝酸钠溶液的粘度与质量浓度、温度及苛性比的关系
不同温度下铝酸钠溶液的粘度η与苛性碱质量浓度的关系如图1所示。可见,铝酸钠溶液粘度受浓度的影响较大。在等温条件下,随苛性碱浓度升高,粘度明显上升。同时,当溶液苛性碱质量浓度和溶液苛性比αk一定时,铝酸钠溶液粘度随温度的升高而下降。
不同苛性比时,溶液粘度与温度的关系如图2所示。从图2可以看出,在高苛性比条件下,随着温度的升高,铝酸钠溶液的粘度先是急剧下降,而后下降趋势变得较平缓。而低苛性比溶液的粘度随着温度的变化比较缓慢。这说明温度升高可显著降低溶液的粘度,而且苛性比越高,其下降得越明显。
图 1 不同温度下溶液粘度与苛性碱质量浓度的关系
Fig. 1 Relationship between viscosity of solution and concentration of caustic soda at different temperatures
图 2 苛性比不同时溶液粘度与温度的关系
Fig. 2 Relationship between viscosity of solution and temperature with different αk
在30 ℃,苛性比不同时,溶液粘度与氧化铝质量浓度的关系如图3所示。可见,在同一温度下,随着氧化铝浓度的升高,溶液的粘度急剧升高。而且苛性比越高,溶液粘度随氧化铝浓度的变化越大。
对实验数据进行回归,得:
其中:A为常数;E为粘流活化能,J·mol-1;T 为溶液热力学温度,K。
铝酸钠溶液的αk为2.50时,实验测得lnη与1/T的关系如图4所示。当氧化铝浓度为245.47 g/L时,对实验数据进行回归得:
同样可得,铝酸钠溶液的粘度和氧化铝浓度间符合下列关系式[4]:
其中:ρ为溶液中氧化铝的质量浓度,g/L;η0为氧化铝的质量浓度为零时苛性钠溶液的粘度,Pa·s;η为铝酸钠溶液的粘度,Pa·s;K为常数。
图 3 在30 ℃,苛性比不同时溶液粘度与氧化铝质量浓度的关系
Fig. 3 Relationship between viscosity of solution and alumina concentration with different αk at 30 ℃
图 4 αk=2.50,氧化铝质量浓度不同时铝酸钠溶液粘度的对数lnη与1/T的关系
Fig. 4 Relationship between lnη and 1/T with different alumina concentrations when αk=2.50
从式(2)可以看出铝酸钠溶液的粘度与氧化铝的质量浓度呈指数关系。当溶液中氧化铝的质量浓度从260 g/L稀释到130~140 g/L时,溶液的粘度下降至原来的1/3~1/2。
当溶液苛性比为1.39~3.00,温度为25~65 ℃时,实验测得铝酸钠溶液的粘度如表2所示,对其进行多元线性拟合后可得到以粘度的对数lnη与温度T、氧化铝质量浓度ρ和溶液的苛性比αk之间的关系:
2.2 讨 论
铝酸钠溶液的粘度变化主要取决于它的结构变化[5]。目前,大量的试验和相关的研究却对铝酸钠溶液中存在胶体离子这一说法提出了质疑。多数研究者支持“铝酸钠溶液为真溶液,但离子以较复杂的形式存在”的观点[6]。运用铝酸根离子在一定条件下可以发生聚合反应从而生成复杂离子的理论,可较好地解释铝酸钠溶液粘度的变化。
对不同浓度和摩尔比铝酸钠溶液的拉曼光谱、红外线和紫外线光谱以及核磁共振谱等进行研究,结果表明,由于溶液的主要谱线或谱带都属于Td型空间群,所以,认为四面体构型的Al(OH)-4是铝酸根离子的主要存在形式[7,8];在中等浓度的铝酸钠溶液中,还存在有Al2O(OH)2-6。陈念贻通过研究发现,在高苛性比的溶液中还存在有少量的八面体Al(OH)2-6离子[6]。随着氧化铝浓度的升高,Al(OH)-4离子将发生聚合反应,或以氧桥Al—O—Al连接形成[(HO)3—O—Al(OH)3]2-,或形成环状聚合离子。在相同苛性比条件下,粘度随碱浓度的升高而增加,一方面是因为氧化铝浓度升高有利于多聚体离子的生成,另一方面,水化能力很强的Na+和OH-使铝酸根离子也以多聚体形式存在,并形成离子对。所以,在较高浓度下,铝酸钠溶液中存在二聚或多聚的链状和环状聚合物或离子对等。这些大离子和聚合结构的存在,可能导致了溶液的粘度较大[9-11]。
随着溶液温度的升高,聚合反应减弱,离子的聚合程度减小,粒子的运动速度加快,粘度急剧减小。温度再升高时,溶液中的离子变得相对单一,而且聚合程度变化减小,所以,此时粘度随温度的变化较为缓慢。而在低苛性比条件下,溶液开始时处于氢氧化铝的过饱和状态,在30 ℃以下铝酸钠溶液结构较为稳定,所以,粘度随温度变化比较平缓。随着温度升高,离子间聚合程度变小,粘度随温度的升高继续较平稳地减小,没有出现在高苛性比时急剧下降的现象。
表 2 不同实验条件下测得的铝酸钠溶液粘度
Table 2 Data of measured viscosity of sodium aluminate solutions under various experimental conditions η/(MPa·s)
从图4所示的氧化铝浓度为245.47 g/L时lnη-1/T关系曲线可以看出,溶液粘度开始随温度的变化相对缓慢地变化,随后,随温度的下降较快升高,即在较高浓度下,粘度的对数随体系温度倒数的升高呈“弓”型变化。从铝酸钠溶液的结构出发,溶液在75 ℃以上全部裂解为Al(OH)-4的单一离子。因此,可以认为在较高温度下,温度降低对溶液粘度的影响主要是使小离子的热运动减慢,从而使粘度增大。随着温度的进一步降低,由于溶液浓度较大,溶液中离子的聚合程度因温度的降低而显著增大,离子聚合后对溶液粘度产生了明显的作用,此时温度和聚合离子共同影响溶液粘度,因此,此时溶液的粘度随温度的降低变化较快。
综上所述,铝酸钠溶液的粘度与其结构有着密切的关系。温度、溶液浓度和苛性比等因素影响溶液中Al(OH)-4与聚合铝酸根离子间的相互转变,从而影响溶液的粘度。这与实验中观察到的现象相吻合。
3 结 论
a. 纯铝酸钠溶液的粘度主要受温度、浓度、苛性比及溶液过饱和度的影响,温度升高,粘度降低;溶液浓度、苛性比及过饱和度升高,粘度升高。
b. 粘度与苛性比、温度和氧化铝质量浓度之间的关系符合方程:
lnη=-1.554+1.139αk+0.01872ρ-0.0503T。
c. 当溶液从铝酸钠的过饱和状态向饱和状态变化时,因发生了聚合反应使溶液的粘度受温度的影响很大;在高温及未饱和溶液中,粘度随温度、浓度的变化较小。
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收稿日期:2004-10-12
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50274076)
作者简介:成琼文(1973-),男,湖南湘乡人,讲师,硕士研究生,从事铝酸钠溶液粘度研究
论文联系人: 成琼文,男,讲师;电话:0731-8830453(O); E-mail: webmaster@jobsky.net
