Авторы: Базин Владлен Владимирович, Шитова Инна Юрьевна

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №18 (122) сентябрь-2 2016 г.

Дата публикации: 19.09.2016

Статья просмотрена: 2 раза

Библиографическое описание:

Базин В. В., Шитова И. Ю. Теоретические основы выбора дисперсной фазы для получения коррозионно-стойкого серного композиционного материала // Молодой ученый. — 2016. — №18. — С. 57-60.



В работе приводятся теоретические основы выбора дисперсной фазы для получения химически стойкого серного композита. В качестве критерия использованы рассчитанные значения изобарно-изотермического потенциала. Сделан вывод, что кварцсодержащие наполнители, сульфаты натрия, калия, магния, кальция и марганца инертны к действию серы и агрессивных сред.

Ключевые слова: сера, серный композит, наполнитель, энергия Гиббса

Большинство породообразующих минералов, а также наиболее распространенные соединения, входящие в состав минералов, являются по отношению к сере химически активными, что, во многих случаях, приводит к образованию растворимых веществ, снижающих показатели эксплуатационных свойств. К химически активным наполнителям относятся вещества, способные вступать в химическое взаимодействие с вяжущем с образованием на границе раздела фаз «дисперсионная среда-дисперсная фаза» соединений различного состава, которые оказывают значительное влияние на процессы формирования структуры материала и его физико-механические и эксплуатационные свойства.

В настоящей работе выбор наполнителя для изготовления серных композитов, стойких в различных средах осуществляли с применением критериального подхода [1]. На практике в качестве критерия для оценки направленности процесса используют изобарно-изотермический потенциал:

,(1)

где – энтальпия процесса;  энтропия процесса;  температура.

Изменение энтальпии Н и энтропии S реакции согласно закону Гесса (первое следствие из закона Гесса) равны:

,(2)

,(3)

где — стандартный тепловой эффект реакции при 298 К; и — стандартные тепловые эффекты образования продуктов реакции и исходных веществ соответственно; — энтропия реакции при 298 К; и — стандартные энтропии образования продуктов реакции и исходных веществ соответственно; и — количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно.

Тепловой эффект реакции при другой температуре (отличной от стандартной) согласно закону Кирхгофа равен:

,(4)

где и — тепловые эффекты реакции при Т2 и Т1соответственно; – изменение теплоёмкости системы реагирующих веществ в конечном и начальном состоянии.

При расчёте возможны следующие варианты:

1) ; 2) ; 3) .

Первый вариант означает, что при данных условиях (температуре, давлении, концентрации и т. д.) возможно самопроизвольное протекание исследуемого процесса. Второй вариант — созданных внешних условий недостаточно для проведения процесса, система находится в состоянии равновесия. Третий вариант — при данных условиях протекание процесса невозможно.

В данной работе термодинамический подход использовался для оценки возможности следующих химических взаимодействий: 1) между наполнителем и серой в процессе приготовления материала; 2) между наполнителем и агрессивной средой в процессе эксплуатации материала; 3) между сульфидами, образующимися на границе раздела фаз «сера-наполнитель», и агрессивной средой.

По результатам термодинамического анализа, которому были подвергнуты основные породообразующие минералы, а также наиболее распространенные соединения, входящие в состав минералов, осуществляли выбор дисперсной фазы (табл. 1). Главным критерием выбора наполнителя являлась его химическая инертность к взаимодействию с серой и к действию различных кислот и солей.

Таблица 1

Результаты термодинамических расчётов*

Компонент наполнителя

Энергия Гиббса, кДж/моль

Образование сульфида при температуре изготовления

(Т=

160˚С)

Эксплуатационные среды

кислоты

соли

соляная

серная

азотная

хлорид натрия

сульфат магния

T=25оC

T=50оC

T=25оC

T=50оC

T=25оC

T=50оC

T=25оC

T=50оC

T=25оC

T=50оC

Оксиды

NaO

-287,9

K2O

-499,3

MgO

-161,7

CuO

-162,2

CaO

-66,3

ZnO

-81,5

BaO

-146,8

SiO2

302,3

PbO

-108,6

MnO

-21,1

FeO

-36,92

Соли

Na2CO3

193,0

Na2SO4**

242,4

K2CO3

149,7

K2SO4**

256,3

MgCO3

-92,5

MgSO4**

1915,7

CuCO3

680,5

CuSO4

-45,2

CaCO3

148,7

CaSO4

184,0

ZnCO3

-97,2

ZnSO4

22,8

BaCO3

207,9

PbCO3

-66,8

PbSO4

77,4

MnCO3

49,2

MnSO4**

93,3

FeCO3

-10,6

FeSO4

61,4

Примечания: в числителе — значения энергии Гиббса для процесса взаимодействия наполнителя с агрессивной средой; в знаменателе — то же для процесса взаимодействия сульфидов, образующихся на границе раздела фаз «сера — наполнитель», с агрессивной средой; * — значения термодинамических величин взяты из справочной литературы [2…4]; ** — применение наполнителя возможно только после экспериментальной проверки в разбавленных растворах указанных солей и кислот.

Из анализа табл. 1 видно, что для изготовления серных материалов, стойких в растворах различных кислот и солей, целесообразно использовать кварцсодержащие наполнители (андезит, опоку, диабаз, кварц и др.), а также сульфаты натрия, калия, магния, кальция и марганца. Эти наполнители инертны к действию серы и агрессивных сред. На что указывает изобарно-изотермический потенциал (). Сульфаты натрия, калия, магния и марганца являются растворимыми в воде, поэтому их применение возможно только после экспериментальной проверки в разбавленных растворах указанных кислот и солей. Поэтому, в качестве наполнителя для изготовления химически стойких композитов на основе серного вяжущего предлагается использовать кварцевую муку, полученную измельчением речного кварцевого песка (р. Сура). Кроме инертности, кварцевый песок является еще и доступным и широко распространенным сырьём в Пензенской области.

Литература:

  1. Антонов, А. В. Системный анализ [Текст] / А. В. Антонов. — М.: Высшая школа, 2004. — 454 с.
  2. Карапетьянц, М. Х. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ [Текст] / М. Х. Карапетьянц, М. Л. Карапетьянц. — М.: «Химия», 1968. — 472 с.
  3. Рабинович, В. А. Краткий химический справочник [Текст] / В. А. Рабинович, З. Я. Хавин. — Л.: «Химия», 1978. — 392 с.
  4. Равдель, А. А. Краткий справочник физико-химических величин [Текст] / А. А. Равдель, К. П. Мищенко. — Л.: «Химия», 1974. — 200 с.
  5. Стромберг, А. Г. Физическая химия [Текст] / А. Г. Стромберг, Д. П. Семченко.  М.: «Высшая школа», 1999. — 527 с.
Основные термины (генерируются автоматически): границе раздела фаз, дисперсной фазы, агрессивной средой, разбавленных растворах указанных, выбора дисперсной фазы, продуктов реакции, исходных веществ, основы выбора дисперсной, образования продуктов реакции, сульфаты натрия, эффект реакции, действию серы, кварцсодержащие наполнители, качестве критерия, растворах указанных солей, агрессивных сред, состав минералов, процесса взаимодействия наполнителя, различных кислот, тепловые эффекты реакции.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос