水盐体系相平衡研究及硫酸钾的制备Word下载.docx
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2、相图标绘和分析
根据实际测定25℃和100℃相平衡数据,容易绘制出K+、Na+//C1-、SO4=-H2O体系的相图,如图1所示。
相图
相图1显示,25℃时K+、Na+//C1-、SO4=-H2O体系存在6个结晶区间,分别是:
AEGFA:
Na2SO4·
10H2O结晶区;
FHRGF:
Na2SO4结晶区;
HRJKBH:
NaCl结晶区;
EGRJPME:
3K2SO4结晶区;
KJPNCK:
KCl结晶区;
MPNDM:
K2SO4的结晶区。
100℃时,存在5个结晶区,分别是:
Na2SO4、Na2SO4·
3K2SO4、KCl、K2SO4。
直接法生产K2SO4:
把配料组成点配制为a点,其反应为,其中W为水,P为含有Na+、SO42—、K+、Cl-、H2O的盐溶液。
理论上计算钾的收率为26-29%之间。
间接法生产K2SO4:
把配料组成点配制为点“1”处,其反应为Na2SO4+2KCl+W1Na2SO4·
3K2SO4+R
式中,W1为水,R为含Na+、SO4=、K+、C1-、H2O盐溶液,Na2SO4·
3K2SO4为钾芒硝,用点g表示。
点g与KCl、H2O配制成物系点b,反应式为g+2KCl+W2K2SO4+P式中,W2为水,P为含Na+、SO4=、K+、C1-、H2O盐溶液。
P盐溶液与Na2SO4配制成物系点3,反应式为P(溶液)+Na2SO4±
W3Na2SO4·
其中±
W3为增加或减少的水量,R为含Na+、SO4=、K+、C1-、H2O盐溶液。
间接法工艺过程的钾收率可达80%左右。
闭路法生产K2SO4和回收NaCl工艺
此工艺在间接法的基础上回收R盐溶中的NaCl和钾芒硝g。
由R点组成经人为调节到4点,加热溶液4点至100℃点处,蒸发掉部分水份,由于溶液4处于100℃时NaCl结晶区内,故析出NaCl,过滤得NaCl和C100℃盐溶液。
C100℃盐溶液处于25℃的钾芒硝结晶区内,故当冷却至25℃时,得到钾芒销和盐溶液3。
把钾芒硝和盐溶液3反复应用,并结合25℃和100℃条件的相图,理论上钾的收率可达100%。
三、实验流程:
依据相图分析大致可提出三种工艺路线,即直接法、间接法、闭路法。
各自流程拟定如下:
直接法见图2,间接法见图3,闭路法见图4.
图2直接法生产K2SO4工艺流程
图3间接法生产K2SO4工艺流程
四、实验装置和实验方法
1、相平衡数据测定方法:
(1)加热水浴于25±
0.05℃;
(2)按相图R、P点用台秤称量,干盐总量不超过20g;
(3)先加入少量水于平衡管中,在依次加入Kcl、Nacl、Na2SO4、K2SO4,开搅拌器,最后把所有水量全部倒入平衡管中,记时间、温度、平衡搅动2—3小时;
(4)停止搅动,静止澄清1—2小时,分别取清液分析和湿渣固体分析或固体鉴定。
2、制备K2SO4的方法:
(1)加热水浴25℃,按相图用杠杆原理或用R、P、g的溶解度数据计算物系点“1”、“a”、“3”、“b”所需各自原料量,干盐总量不超过50g;
(2)按物系点计算出所需的Na2SO4、Kcl、W(H2O)、g(复盐)、p(盐溶液)、R(盐溶液)的量,用台秤称量;
(3)开搅拌器,先加入少量水于反应器中,然后依据不同反应依次加入Kcl、g(复盐)、Na2SO4,最后把所余的水全部加入,记温度、时间,反应3—4小时;
(4)反应结束后,盐浆用真空系统过滤,收集固体和液体,并用台秤称量,关闭反应体系和真空体系;
(5)用分析天平称固、液样品,用重量法测定固、液体中K+含量,用容量法测固、液中的cl-、SO4含量;
(6)根据分析结果计算K2SO4中K+、cl-、SO42-的含量,钾芒硝中K+、cl-、SO42-的含量,K+收率。
3、制备Nacl的方法:
①按相图,用杠杆原理或用100℃和“4”点溶解度数据计算蒸发的水量;
②用电炉蒸发水量,用台秤称量;
③在100±
5℃条件下过滤,并称量固体质量;
④用分析天平称取样品,用容量法测定cl-的含量;
⑤计算Nacl的含量。
图5测定相平衡数据实验装置图
1—精密温度计;
2—搅拌器;
3—相平衡管;
4—恒温水浴
图6生产K2SO4实验装置图
1—温度计;
3—反应器;
4—恒温水浴
4、氯离子含量的测定:
(1)测定原理
在中性或弱碱性溶液中以铬酸钾(K2CrO4)为批示挤,用硝酸银(AgNO3)直接滴定,其反应如下:
Nacl+AgNO3→NaNO3+Agcl↓(白色)
Mgcl2+2AgNO3→Mg(NO3)2+2Agcl(白色)
Kcl+AgNO3→KNO3+Agcl↓(白色)
K2CrO4+2AgNO3→2KNO3+AgCrO4↓(砖红色)
因为氯化银的浓度积较铬酸银小,所以氯化银先沉淀,直至溶液中氯离子全部变为氯化银沉淀后,则砖红色铬酸银沉淀出现,即为滴定终点。
(2)仪器和试剂
25毫升移液管,250毫升容量瓶。
L:
液体5ml(准确到四位小数)溶于500ml容量瓶中。
S:
固体1g(准确到四位小数)左右溶于250ml两瓶中。
250高升锥形瓶,50毫升量筒,50毫升棕色滴定管;
5%K2CrO4和0.05NAgNO3
(3)测定手续
用移液管吸取10毫升上面制备的稀释液于250毫升锥形瓶中,加入约20毫升蒸馏水,加5%K2CrO4批示挤5~7滴,在充分摇动下,用0.065NAgNO3标准溶液滴定至悬浊液由淡黄色变为微砖红色,经充分摇动后不消失,即为终点。
(4)计算方法
Cl-%=
式中V——滴定时所消耗的0.05NAgNO3毫升数;
N——AgNO3标准溶液的当量度;
G——L,S样品重量;
0.03546——CT的毫克当量,克。
(5)注意事项
①溶液的PH最好为9,不得高于10.5及低于6.5。
因为溶液为酸性时,则
AgNO3+H2SO4→Ag2SO4+H2CrO4
会降低生成Ag2CrO4的灵敏度,同时Ag2CrO4能溶解于酸中。
当溶液为碱性时,则AgNO3+NaOH→AgOH+NaNO32AgOH→Ag2O↓(黑色)+H2O
5、硫酸钠含量的测定:
(1)用Bacl2标准溶液滴定试样中的SO4-,使沉淀带负电荷。
当达到等当点后,过量的钡离子(Ba++)被硫酸钡吸附,使沉淀带正电荷,此时,带负电荷的指示剂离子(C14H4OS-)被吸附于沉淀表面,与Ba++生成红色的络合物。
溶液中加乙醇可降低BaSO4溶解度,并能得到表面积较人的细小BaSO4结晶,使吸附能力增强,终于变色明显。
用6N醋酸(HAc)调整溶液深度,使PH在3~3.5之间,避免碳酸根(CO4-)的干扰。
分析天平,称量瓶,10毫升移液管,250毫升容量瓶,25毫升滴定管,250毫升烧杯,10毫升量筒,30毫升滴瓶;
0.2%茜素红,6NHAc,无水乙醇,0.1Bacl2标准溶液。
用称量瓶在分析天平上称取S:
固体1~2g(准确到四位小数);
液体7.5~8g(准确到四位小数)。
置于250毫升烧杯中,加入100毫升溶解。
溶液移入250毫升容量瓶,用水洗涤烧杯数次,洗涤并入容量瓶,然后以水稀释至刻度,摇匀。
用移液管取10毫升稀释液注入250毫升烧杯中,加5毫升H2O加茜素红的指示剂6滴,6NHAc3毫升,摇匀后,再加无水乙醇10毫升,迅速以0.1NBacl2滴定,将到终点时每次加入Bacl2应间隔3~5秒钟,并充分搅拌,直至悬浊液呈现淡红色为终点。
(4)计算方法:
Na2SO4%=×
100
式中:
V——所消耗Bacl2标准溶液的毫升数;
N——Bacl2标准溶液的当量浓度;
0.07103——Na2SO4的毫克当量;
G——S,L样品重量;
(5)注意事项:
①最好在滴定开始时将Bacl2标准溶液需要量的90%迅速加入,近终点时逐渐滴加入,并充分搅拌。
②溶液温度宜在20℃以下,温度过高,沉淀吸附能力减弱,终于不明显。
③溶液的PH值在3~3.5时终点明显。
④溶液中乙醇含量以30~40%为宜。
⑤当水硝中CaSO4,MSO4含量较低时,在计算Na2SO4含量的公式中可忽略不计;
若含量高,则在计算公式另应减去其SO4-的含量。
⑥固体鉴定。
6、钾离子含量测定:
(1)本法是由钾离子与四苯硼酸根作用,产生四苯硼酸钾白色沉淀,经过分离、干燥、称量等步骤,计算出其含钾量。
KCl+Na(C6H5)4BK(C6H5)4B+NaCl
(2)试剂:
浓盐酸(比重1.19)、四苯硼酸钠溶液(约2.5%,每毫升约含25毫克)、EDTA—氢氧化钠溶液、四苯硼酸钠洗液(0.1%)、甲醛溶液(40%)、甲基红指示剂(0.1%乙醇溶液)。
(3)操作程序:
固体试液配置:
称取固体试样S约4.5-5.5g(准确到四位小数)置于烧杯中,移倾于500毫升量瓶中,加蒸馏水至标线,备用。
液体试液配置:
称取液体试样L约5g(准确到四位小数)溶于250ml量瓶中,备用。
固体试液或液体试液中钾含量测定(K2O含量以在20~25毫克为宜):
取5毫升上述试液置于100毫升烧杯内,加入适量的蒸馏水20毫升(以加入下列各种试剂后溶液总量为50毫升)[注1],顺序加入1毫升盐酸(1:
9)、5毫升甲醛溶液和5毫升EDTA—氢氧化钠混合溶液[注2]。
在剧烈搅拌下以每秒1~2滴的速度[注3]加入较理论所需量多4毫升的四苯硼酸钠溶液(每1毫升约相当于3.33毫克K2O[注4],共计约10-11ml),静置30分钟后[注5],用已知重量的细密烧结玻璃过滤坩埚过滤,将沉淀用稀四苯硼酸钠洗液全部洗移入坩埚[注6],再用该溶液洗涤5次,每次用5毫升。
继之,用蒸馏水洗涤2次[注7],每次2毫升。
然后,把坩埚连用沉淀放在120℃[注8]烘箱内1小时,取出,放入干燥器内冷却,称重,重复操作直至恒重[注9]。
固相中钾含量百分率按下式计算:
溶液中钾含量百分率按下式计算:
氧化钾含量百分率按下式计算:
G—四苯硼酸钾克数,g;
0.1341—四苯硼酸钾[KB(C6H5)4]换算为氧化钾(K2O)的系数;
W—所取试样克数,g。
五、实验数据记录:
1、相平衡测定时的数据:
P点配制数据记录表
药品
KCL
K2SO4
Nacl
H2O(不过量)
理论值(g)
13.46
1.37
5.17
46.10
实际值(g)
15.5
1.6
5.9
46.1
P点溶液中Cl-与K+的含量测定数据记录表
G/g
Cl-测定
SO42-测定
K+测定
V/ml
N
5.00076
11.25
0.04958
5.00
0.01008
0.0876
2、K2SO4的制备数据:
间接法物系点配制数据记录表
物系点
试剂加入量/g
反应后固液相质量/g
Na2SO4
H2O
g(芒硝)
固相
液相
1
理论值
28.2
21.8
49.8
63.2
实际值
b
16.8
38.7
24.6
22.4
45.6
间接法离子含量测定数据记录表
相
态
取样量
g
L
15.6
0.05001
13.0
0.0100
0.0869
5.0330
S
2.1
5.2
0.1000
0.1700
1.6045
11.4
0.7
0.0403
5.0528
5.4
13.1
0.3350
5.0060
六、实验数据计算及处理:
1、相平衡数据:
P点各离子实际含量计算:
Cl-%
SO42-%
K+%
2、间接法制备K2SO4
(1)、根据相图、利用杠杆原理计算物系点“1”、“b”所需物料量
1点:
以总干盐量为50g计算
58MNa2SO4+42MK2Cl2=50x解得X=290.05
则各物料加入量为:
K2Cl2
b点:
以总干盐量为20g计算
44.33M钾芒硝+33.04MK2Cl2=20X解得X=614.087
钾芒硝
K2Cl2:
H2O:
实际反应得到钾芒硝质量为24.6g,依据比例关系换算,理论加料量为
钾芒硝;
24.6g,K2Cl2:
16.8gH2O:
38.7g
(2)、各个离子实际含量计算:
1点:
固相:
Cl-%
液相:
b点:
固相:
Cl-%
(3)、反应收率:
收率
七、实验结论
1、在间接法制备K2SO4的实验中,“1”点反应后固相中仍有少量Cl-存在,说明反应值得的钾芒硝不纯;
“b”点反应后固相中也是含有少量Cl-,则说明值得的K2SO4产品纯度未达100%。
2、实验中,第一步、第二步反应收率都在90%以上,说明实验损失不大,但是可以再想办法提高收率。
3、误差分析:
(1)由于在滴定过程中,存在操作失误(如突然放大流速),以及终点变色延迟,滴加过量,使实验值偏高;
或因反应未达到终点使得实验值偏小。
(2)在称量试剂及加入反应器中,有部分残留或损失也会影响结果。
抽滤过程中也会有部分产品损失。
4、本实验总体上算是比较成功的,在实验过程中也非常顺利,通过实验更加的了解了水盐体系制盐的工艺,熟悉了相关的操作。
八、问题讨论(思考题):
1、复分解反应制备K2SO4、NaCl其最大自由度和最小自由度是多少?
答:
F=4-P,最大自由度为P=1时,F=3;
最小自由度为P=3,F=0.
2、由Na2SO4、KCl制备K2SO4、NaCl过程中,主要难点在何处,应如何解决?
主要难点在分析相图,确定适宜的工艺路线和产品中离子含量的控制。
要解决这个问题就要选取合适的物系点,控制好反应温度,时间,准确分析。
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- 体系 相平衡 研究 硫酸钾 制备