Электропроводность щелочных растворов вольфрамата натрия
Студ. Гадиев Г.А., студ. Касаева М.С., доц. Алкацева В.М.
Кафедра металлургии цветных металлов.
Северо-Кавказский государственный технологический университет
Целью работы явилось исследование зависимости удельной электропроводности щелочных растворов вольфрамата натрия от их состава (WO3, NaOH) и температуры, а также поиск условий, отвечающих их наибольшей удельной электропроводности.
Исследования проводили на растворах с составом, близким к растворам, получаемым в результате электрохимического растворения вторичного вольфрамового сырья.
Измерения электропроводности растворов проводили с помощью переменно-токового кондуктометра ОК-102/1 с платинированными электродами.
Как показал предварительный анализ литературных данных [1-3], растворы, получаемые электрохимическим растворением вторичного вольфрамового сырья, содержат до 120 г/дм3 WO3, 20-200 г/дм3 NaOH, а температура их находится в пределах 40-70 оС. Несколько расширив эти границы, мы провели исследования на растворах состава 10-150 г/дм3 WO3 и 20-200 г/дм3 NaOH при температурах 20-70 оС, использовав планируемый эксперимент.
Исходя из этого, приняты следующие уровни независимых переменных:
WO3, г/л 10 – 80 – 150;
NaOH, г/л 20 – 110 – 200;
t, оС 20 – 45 – 70.
Значения независимых переменных в кодовом масштабе:
X1 =  ; X2 =  ; X3 =  . (1)
Для изучения электропроводности щелочных растворов вольфрамата натрия воспользовались планом Рехтшафнера. Матрица планирования приведена в табл.1.
Растворы, соответствующие по составу каждому пункту плана, готовили из однокомпонентных растворов Na2WO4 и NaOH, которые в свою очередь были приготовлены из реактивов марки ЧДА и ХЧ соответственно.
В соответствии с составами растворов (табл.1) готовили в каждом случае 200 мл раствора, содержащего Na2WO4 и NaOH. Приготовленный щелочной раствор вольфрамата натрия переводили в стакан и замеряли электропроводность в интервале температур 20-70 оС с шагом 5о. Поскольку составы растворов в некоторых пунктах плана одинаковы, то при замере электропроводности их объединили.
Пересчет показаний кондуктометра (S) на удельную электропроводность проводили по формуле
c =  , См/м, (2)
где К – постоянная ячейки.
Т а б л и ц а 1
Матрица планирования и результаты опытов
| № |
Кодовый масштаб |
Натуральный масштаб |
c, |
| оп. |
X1 |
X2 |
X3 |
WO3,
г/л
|
NaOH,
г/л
|
t,
оС
|
См/м |
| 1 |
- |
- |
- |
10 |
20 |
20 |
9,979 |
| 2 |
- |
+ |
+ |
10 |
200 |
70 |
61,948 |
| 3 |
+ |
- |
+ |
150 |
20 |
70 |
24,592 |
| 4 |
+ |
+ |
- |
150 |
200 |
20 |
21,796 |
| 5 |
- |
- |
+ |
10 |
20 |
70 |
18,800 |
| 6 |
- |
+ |
- |
10 |
200 |
20 |
29,581 |
| 7 |
+ |
- |
- |
150 |
20 |
20 |
12,207 |
| 8 |
+ |
0 |
0 |
150 |
110 |
45 |
36,887 |
| 9 |
0 |
+ |
0 |
80 |
200 |
45 |
43,192 |
| 10 |
0 |
0 |
+ |
80 |
110 |
70 |
51,031 |
| 11 |
0 |
0 |
0 |
80 |
110 |
45 |
38,759 |
Значения удельной электропроводности растворов при 20-70 оС приведены в табл.2.
Обработкой экспериментальных данных, представленных в табл.1, получена кодовая модель зависимости удельной электропроводности щелочных растворов вольфрамата натрия от состава и температуры:
c = 38,788 – 0,4891 X1 + 13,1934 X2 + 11,1972 X3 – 1,4269  -
- 8,8044  + 1,0309  - 2,4959 X1X2 + 0,8983 X1X3 +
+ 5,8938 X2X3; (3)
Fрасч = 130740,15; F0,05;10;1 = 242.
Т а б л и ц а 2
Значения удельной электропроводности растворов
при 20-70 оС, См/м
t,
oC
|
№ опыта |
| 1, 5 |
2, 6 |
3, 7 |
4 |
8 |
9 |
10, 11 |
| 20 |
9,979 |
29,581 |
12,207 |
21,796 |
24,324 |
25,942 |
26,463 |
| 25 |
10,870 |
32,700 |
13,454 |
25,006 |
26,641 |
28,616 |
29,047 |
| 30 |
11,672 |
35,818 |
14,612 |
28,750 |
29,225 |
32,494 |
31,631 |
| 35 |
12,563 |
39,204 |
15,771 |
32,360 |
31,809 |
36,104 |
34,125 |
| 40 |
13,543 |
42,501 |
17,107 |
35,703 |
34,304 |
39,849 |
36,531 |
| 45 |
14,345 |
45,849 |
18,266 |
39,315 |
36,887 |
43,192 |
38,759 |
| 50 |
15,236 |
49,327 |
19,602 |
42,657 |
38,937 |
46,401 |
41,432 |
| 55 |
16,038 |
52,417 |
21,028 |
45,866 |
41,877 |
49,878 |
43,926 |
| 60 |
16,929 |
55,766 |
22,275 |
50,011 |
44,105 |
53,087 |
46,252 |
| 65 |
17,820 |
58,857 |
23,522 |
52,953 |
46,647 |
56,430 |
48,835 |
| 70 |
18,800 |
61,948 |
24,592 |
55,360 |
48,807 |
59,372 |
51,031 |
Поскольку чем выше удельная электропроводность раствора, тем ниже удельный расход электроэнергии на электрохимическое растворение вторичного вольфрамового сырья, то методом нелинейного программирования по модели (3) был найден максимум целевой функции c = 62,062 См/м и его координаты:
X1 = -0,7307 или 28,851 г/дм3 WO3;
X2 = 1 или 200 г/дм3 NaOH;
X3 = 1 или 70 оС.
Частные зависимости удельной электропроводности растворов при значениях других переменных на нулевом уровне приведены на рисунке.
Для описания зависимости электропроводности щелочных растворов вольфрамата натрия от температуры (25-70 оС) воспользовались формулой Кольрауша [4]:
ct = ct=25 [1 + a(t – 25) + b( t – 25)2], (4)
в которой за стандартную температуру принята t=25 оС.
 Частные зависимости удельной электропроводности растворов.
Экспериментальные данные хорошо описываются линейным уравнением вида
ct = ct=25 [1 + a(t – 25)]. (5)
Расчетные значения ct=25, a, а также коэффициента корреляции (rрасч) приведены в табл.3.
Т а б л и ц а 3
Коэффициенты математических моделей температурной зависимости удельной электропроводности растворов и оценка адекватности
№
оп.
|
ct=25,
См/м
|
a,
град.-1
|
rрасч |
rкрит |
| 1,5 |
10,8376 |
0,016174 |
0,9998 |
0,6319 |
| 2,6 |
32,6967 |
0,020039 |
0,9999 |
0,6319 |
| 3,7 |
13,3439 |
0,018915 |
0,9997 |
0,6319 |
| 4 |
25,3974 |
0,026951 |
0,9993 |
0,6319 |
| 8 |
26,8049 |
0,018436 |
0,9998 |
0,6319 |
| 9 |
29,1996 |
0,023353 |
0,9995 |
0,6319 |
| 10,11 |
29,1448 |
0,016793 |
0,9999 |
0,6319 |
Чтобы распространить полученные данные на растворы другого состава из изученной области, получены модели зависимости удельной электропроводности растворов при 25 оС (ct=25) и температурного коэффициента (a) от состава раствора (по WO3 и NaOH) в кодовом масштабе:
ct=25 = 28,8810 – 1,2642 X1 + 8,4122 X2 – 0,5482  - 7,8299  -
- 2,4514 X1X2; (6)
Fрасч = 271,97; F0,05;6;1 = 234;
a = 0,01645 + 0,002328 X1 + 0,002952 X2 + 0,004045  +
+ 0,001043 X1X2; (7)
Fрасч = 105,90; F0,05;6;1 = 19,33.
Выполненные исследования связаны с физико-химическим обоснованием процесса прямого электрохимического растворения отходов металлического вольфрама в растворах натриевой щелочи.
Список литературы
1. Гуриев Р.А., Алкацев М.И. Электрохимическое растворение вольфрама под действием переменного тока // Изв. вузов. Цв. металлургия. 1980. № 1. С. 61-64.
2. Резниченко В.А., Палант А.А., Ануфриева Г.И., Гуриев Р.А., Гаврилов В.К. Исследование процесса электрохимического растворения многофазных сплавов на основе вольфрама // Изв. АН СССР. Мет. 1985. № 2. С. 32-35.
3. Балихин В.С., Резниченко В.А., Корнеева С.Г., Корчагин И.В., Крепков П.Н. О переработке отходов торированного вольфрама // Цв. мет. 1972. № 11. С. 65-67.
4. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа, 1984. 519 с.
|