用电导率法测量硫酸钠在高温饱和水中的溶解度

田敬 刘磊 刘琛 孟宪宇 路遥 樊帆

摘 要：相比传统的无机盐溶解度的测量方法，电导率法具有高效、简单和安全等诸多优点。本文首先在常温常压的条件下，通过实验验证了硫酸钠溶液的浓度和电导率的关系：电导率随着溶液浓度的增大先增大后减小，并且确定硫酸钠溶液电导率的最大值与硫酸钠的溶解度一一对应；然后，通过自行设计的高温高压实验仪器，运用硫酸钠溶液浓度和电导率的关系，测量硫酸钠在高温高压下的溶解度。测量结果发现，随着温度的升高，硫酸钠的溶解度逐步降低。

关键词：电导率；硫酸钠；溶解度；高温高压水的溶盐能力非常强，水中过高的含盐量会使化工装置和余热锅炉等热力设备的结垢非常严重，进而影响热力设备的传热效率[1]。因此，准确测定水中的含盐量对热力设备的设计和安全运行具有重要意义。传统的测量方法是取样法，该方法需要进行高温高压取样测量，测量过程费时费力，具有明显的延后性，并且取样测量部分无法接入DCS系统，无法实现对水质的自动检测，同样也存在巨大的安全隐患。因此，寻找一种能够在热力设备和化工设备中在线应用的电导率测量方法，不但有着十分迫切的现实需要，而且對于推动测量技术的发展和工业的进步，也有着至关重要的理论价值。

测量无机盐溶解度的方法有很多，但是主要有称重法、折光法、密度分析法和电导率法等四种方法[2]。但是如果被测介质在高温高压的状态下，称重法、折光法和密度分析法由于受到本身实验方法的局限，无法实现实时准确的测量，但是电导率法由于本身实验方法的优势，不需要采样的过程，不但可以实现无机盐溶液在高温高压的状态下溶解度的测量，而且具有实时、准确和灵敏度高等优点，另外整个测量过程几乎不用人为操作和干预，也是一种极其安全的测量方法。综上，电导率法必然是无机盐溶液在高温高压状态下测量其溶解度的最佳选择。

溶液的电导率随着溶液的浓度、温度和压力的变化而变化，但是，当溶液的温度和压力不变时，溶液的电导率就与溶液的浓度一一对应，这就是本文用电导率法测量无机盐在高温高压下溶解度的理论基础[3]。无机盐的种类非常多，本文选取了硫酸钠这种在工业生产中十分常见的无机盐作为代表进行实验研究。首先，在常温常压下，我们在不同温度下配制了不同浓度的硫酸钠溶液，通过比较其浓度和电导率的关系，验证了硫酸钠溶液的浓度与其电导率值一一对应，并且发现，电导率最大值所对应的溶盐量与硫酸钠的溶解度相差无几。因此，根据我们自行搭建的实验台，完成了对高温高压状态下硫酸钠溶液电导率的测量。

1 硫酸钠的电导率和溶解度的关系

1.1 影响硫酸钠电导率的因素

从根本上说，无机盐溶液的电导率与其溶液中的带电粒子密度、带电粒子运动速度和粒子的化学价有着直接的关系[4]。但是，如果对于同一种无机盐溶液，由于该溶液的带电粒子相同，也就是带电粒子的化学价相同，也就是对于同一种无机盐溶液，其电导率仅与带电粒子的密度和带电粒子的运动速度有关，而带电粒子的密度仅与无机盐溶液的浓度有关；带电粒子的移动速度与无机盐溶液的压力和温度有关。综上，对于某种特定的无机盐溶液，其浓度、温度以及压力是决定电导率高低的重要物理量。

1.2无机盐溶液的浓度与其电导率的关系

无机盐溶液的浓度决定了溶液中带电粒子的浓度，而带电粒子的浓度决定了无机盐溶液电导率的高低[4]。但是，并不是无机盐溶液的浓度越大，其电导率也一定越高，而是无机盐溶液的电导率先随着溶液的浓度增大而增大，当无机盐溶液的浓度到达一定值（其溶解度附近）后，其电导率就已经趋于平稳，但是当无机盐溶液的浓度进一步增大后，无机盐溶液的电导率甚至开始下降[5]。产生这种现象的主要原因是：当无机盐溶液的浓度很低时，由于溶液中的带电粒子数很少，无机盐的电离程度非常彻底，就是说，随着无机盐溶液浓度的增大，带电粒子的浓度也会增大，即无机盐溶液的导电率也会增大；随着无机盐溶液浓度的进一步增大，溶液中的带电粒子浓度进一步增大，带电粒子间的相互作用力进一步增大，这会大大影响电解质的电离程度，导致电解质的电离更加困难，导致电导率缓慢增大；当无机盐溶液的浓度非常高时，各种带电粒子间会相互耦合，使得电解质的电离程度不增反降，即随着无机盐溶液浓度的进一步增大，溶液的电导率开始缓慢下降[6]。

综合上述分析，当溶液的温度和压力不变时，电导率由溶液的浓度唯一确定，这就是本文用电导率法测量硫酸钠在高温饱和水中溶解度的理论基础。但是，我们首先通过在常温常压下测量无机盐溶液电导率和溶液浓度的关系，用以验证该理论基础的可靠性。

2 硫酸钠在常温常压下的溶液浓度和电导率的关系

2.1 常温常压下测量电导率的实验系统

通过之前理论分析可知，温度对整个实验过程的影响至关重要，为了保证整个实验是在温度恒定状态下完成，本实验采用了DF-101S型恒温装置，并配合精度为0.1℃的温度计进行温度复查。实验中配置不同浓度的硫酸钠溶液，是通过采用精度为0.01g的电子称准确称取蒸馏水和硫酸钠的质量，然后混合搅拌均匀。最后，当一定浓度硫酸钠溶液在DF-101S型恒温装置中一定时间后，采用电导率仪准确测量硫酸钠溶液的电导率，重复三次取其平均值为最终测量结果。

2.2 测量结果

在常温常压下，硫酸钠溶液的电导率随着溶液浓度的升高先大后小。产生这种现象的原因是当溶液浓度很小时，硫酸钠的电离程度非常彻底，电导率快速增加，但是当硫酸钠溶液的浓度继续增大后，硫酸钠的电离程度开始降低，其电导率也随之变化缓慢，当硫酸钠溶液的浓度很高时，由于大量正负带电粒子耦合，导致电导率反而开始下降。常温常压下的实验结果验证了之前理论分析的正确性。

3 硫酸钠在高温高压下的溶液浓度和电导率的关系

3.1 高温高压反应釜

随着溶液温度上升，溶液的压力也会随之上升，为了确保实验的安全进行，我们设计并制造了高温高压反应釜。该反应釜由底座、本体和密封结构三部分构成。密封结构主要由不锈钢组成，但密封面由紫铜组成，密封结构与本体结构通过锥螺纹连接，即反应釜里面的压力越大，密封越牢固，并且密封面材质为紫铜，确保了绝对安全的密封效果。通过水压试验证明，该高温高压反应釜密封效果良好，可以承受35Mpa的压力。再通过加装测量电极，即可通过该高温高压反应釜实现对高温高压硫酸钠溶液电导率的测量。

3.2实验测量结果

高温高压下硫酸钠溶液的浓度与电导率的变化关系与常温常压下基本一致：电导率随着溶液浓度的增大先增大后减小。根据之前理论分析可知，无机盐溶液电导率最大值所对应的溶液浓度与其溶解度基本一致。硫酸钠在290℃溶解度为16g/100g左右，在300℃时溶解度为13g/100g，在320℃时溶解度为10g/100g，可见，随着温度的上升，硫酸钠的溶解度呈逐渐下降的趋势。

4 实验结论

（1）在常温常压下，随着硫酸钠溶液浓度增加，其电导率值先增大后减小。并且发现，电导率由增大变为减小的区间所对应的溶液浓度与其溶解度几乎一致。

（2）高温高压下硫酸钠溶液浓度与电导率的关系与常温常压下基本一致。随着温度的上升，硫酸钠的溶解度呈逐渐下降的趋势。