Электропроводность щелочных растворов вольфрамата натрия

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

 = , См/м, (2)

где К – постоянная ячейки.

Т а б л и ц а 1

Матрица планирования и результаты опытов

№

Кодовый масштаб

Натуральный масштаб



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:

 = 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  = 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]:

t = t=25 [1 + (t – 25) + ( t – 25)2], (4)

в которой за стандартную температуру принята t=25 оС.



Смм 

Частные зависимости удельной электропроводности растворов.

Экспериментальные данные хорошо описываются линейным уравнением вида

t = t=25 [1 + (t – 25)]. (5)

Расчетные значения t=25, , 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.

t=25,

См/м

,

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 (t=25) и температурного коэффициента () от состава раствора (по WO3 и NaOH) в кодовом масштабе:

t=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;

 = 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.