Шілде–тамыз–қыркүйек 30 қыркүйек 2014 ж. 1996 жылдан бастап шығады Жылына 4 рет шығады



Pdf көрінісі
бет5/11
Дата31.03.2017
өлшемі4,74 Mb.
#10940
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

2

СO

3

·10H

2

O – CH

3

COONa·3H

2

The phase diagram in the system of crystalline hydrates Na

2

CO

3



·10H

2

O – CH



3

COONa·3H


2

O is constructed 

with methods of thermal analysis, this diagram is of the eutectic type. Eutectic composition is 66 wt.% 

Na

2



CO

3

·10H



2

O + 34 wt.% CH

3

COONa·3H


2

O. Eutectic temperature is of –11±0.7 °C. The enthalpy of melt-

ing and crystallization of mixtures relatively to liquidus and solidus lines were measured, which were used for 

specify the type of phase diagrams. As the eutectic composition is approached, the reduction of supercooling 

was established. The mixture of eutectic composition was proposed for using as a heat storage material. 

Key words: crystalline hydrates, sodium acetate trihydrate, sodium carbonate ten hydrate, thermal analysis, 

melting, crystallization, phase diagram, liquidus, solidus, eutectic supercooling, enthalpy of phase transition, 

Tamman triangle, heat storage material. 

 

Crystalline hydrates of sodium acetate trihydrate (AH-3) and sodium carbonate ten hydrates (KH-10) 



are widely used as a heat storage material (HSM) based on the phase transitions [1–7]. In this case we can 

predict the compositions, the most satisfying the requirements for HSM. Information about this diagram is 

not available in the literature. So basic aim of this paper is construction of phase diagrammes of crystalline 

hydrates КН-10 – АН-3, also investigation of super cooling processes and enthalpy of phase transition of 

mixtures as basic parameters. 

Experimental part 

Mixtures containing 0 (I), 10 (II), 20 (III), 30 (IV), 34 (V), 40 (VI), 50 (VII), 60 (VIII), 70 (IX), 80 (X), 

90 (XI), 95 (XII), 97 (XIII), 100 (XIV) wt. % AH-3 were investigated. These mixtures were prepared from 

components of KH-10 and AH-3 (model is «pure»). Additional investigations for compositions different 

from the eutectic at 0.5 % were carried out in the vicinity of the eutectic composition. Samples were pre-

pared according to procedure [6–7]. All samples having the same weight of 0.1 g, were placed in a test tube 

with ground-glass lid. Heating and cooling of the samples were performed by a resistance furnace in a tem-

perature range from –25 °C to +80 °C. For this the furnace was placed in a freezer operating at a temperature 

of –30 °C. Heating and cooling rates were chosen approximately the same and ranged from 0.1–0.2 K/sec. 

Liquidus and solidus temperatures of mixtures were mainly determined by the cyclic thermal analysis 

(CTA) in coordinates «temperature–time», also endo- and exothermic effects were determined by differential 

thermal analysis (DTA). All mixtures in the system «KH-10 – AH-3» were investigated under conditions in 

which the individual crystalline hydrates were enough super cooling. These conditions were achieved after 

heating mixtures of 10÷12 degrees above the corresponding liquidus temperatures. Recording of DTA and 

CTA curves, also heating-cooling processes was made using meter-regulator TRM-202 from «OVEN» firm 

and PC. Samples of each composition were prepared not less than 3 times, the number of thermal cycles of 

each composition consists of at least 10. 

The statistical processing was carried out, and the average values of liquidus (T

L

), solidus (T



S

) and min-

imum temperatures (T

L

min



) in cooling at the beginning of crystallization, crystallization enthalpy relatively 

liquidus (ΔH

L

) and solidus (ΔH



S

) temperatures were found on the basis of these experiments. 



Results and discussion 

In a first step the samples were heated and cooled in order to determine the liquidus (T

L

) and the solidus 



(T

S

) temperatures. Results of mean values of T



L

 and T

S

 are shown in Table 1. 



Construction of phase diagram … 

Серия «Химия». № 3(75)/2014 

27 

T a b l e   1  



Composition of samples and their corresponding average liquidus temperature (T

L

),  

the solidus temperature (T

S

), the minimum temperature (T

min

), cooling ΔT

L

-

 and ΔT

S

-

 relative  

to temperature T

L

 and T

S

 in system of crystalline hydrates «Na

2

СO

3

·10H

2

O – CH

3

COONa·3H

2

O» 

Sample № 

Amount of АН-3 

in КН-10, wt.% 



<

T

L



<

T

L

min







T

L

-



> <

T

S

> <



T

S

min



> <Δ

T

S

-



Δ

H

L

 

Δ



H

S

 



ºC 

kJ/kg 


kJ/kg 

I 0.0 


32.5 

19 


13.5 

   


286 

II 10.0 



20.6 

11.6 –11.2 –14.0 2.8  247  38 



III 20.0 11.2 

10.2 –11.0 –13.8 2.8  225  59 



IV 30.0 –2.5 

–9 


6.5 –10.8 –14.2 3.4  152  131 

V(E) 34.0 –11.5 

–14 

2.5 –11.0 –14.0 3.0  124  124 



VI 40.0 7.1 

–3 


10.1 –10.0 –14.0 4.0  130  151 

VII 50.0 19.5 

11.5 –10.5 –14.1 3.6  156  124 



VIII 60.0 31.0 

18 


13.0 –11.0 –14.2 3.2  184  95 

IX 70.0 38.0 

22 

16.0 –11.5 –14.0 2.5  200  78 



X 80.0 

47.0 


28 

19.0 –11.3 –14.0 2.7  218  59 

XI 90.0 54.0 

31 


23.0 –11.7 –13.8 2.1  245  31 

XII 95.0 57.5 

22.3 

35.2 –10.5 –13.5 3.0  247  28 



XIII 97.0 57.8 

18 


39.8 –11.0 –13.5 2.5  263  12 

XIV 100 58.0 

–20 

78.0 


   

274 


 

The liquidus and solidus lines for the system Na



2

CO

3



·10H

2

O — CH



3

COONa·3H


2

O were constructed on 

evidence derived from Table 1. Obtained phase diagram is was eutectic type diagram (Fig. 1). 

 

 



A

 = 58 ºC; 



B

 = –75; 


C

 = 104; 


D

 = –223 for 





x



E

 

Figure 1. Phase diagram of crystalline hydrates «Na



2

СO

3



·10H

2

O – CH



3

COONa·3H


2

O» 


Eutectic composition consists of ~ 66 wt.% KH-10 + 34 wt.% AH-3. Line corresponding to the temper-

atures T

S

, is practically a straight line, corresponding to an average value –11.0 ± 0.7 ºC. 



Obtained liquidus lines were fairly well described by the equation: 

 

T

A + Bx + Cx



Dx

3

, (1) 


where A = 32.5 ºC; B = –160; C = 532; D = –1294.7 for x

E

.

 

The enthalpy of melting ΔH

LS

 and crystallization ΔH



SL

 were measured by DTA. As has already been in-

timated that the measured values of melting enthalpy of pure crystalline hydrates KH-10 (286 kJ/kg) and 

AH-3 (274 kJ/kg) were close to the literature data: it is 286.6 kJ/kg for КН-10 [8, 9], and 280.0 kJ/kg for 

AH-3 [6]. 

Bifurcate of exothermic effects of crystallization of mixtures relative to the lines of the liquidus T

L

 and 


solidus T

S

 was established. DTA-curves of compositions with 10 wt.% (II) and 70 wt.% (IX) were given as 



Sh.K.Amerkhanova, V.D.Alexandrov, А.

28 


examples (Fig. 2). Each curve has tw

the crystallization occurs in the regio

Investigations have shown that

enthalpy of crystallization, i.e. ΔH

L

 

ΔH



LS

 ≈ ΔH

SL



 



а 

Figure 2. DTA-curves of m

Such bifurcating of thermal ef

take place in two stages: the first st

the hypoeutectic region, and AH-3 c

Then this process is terminate

And the residues of these molecule

hydrates in the form of eutectic whe

Average values ΔH

L

 and ΔH



S

 s

tion according to Tamman triangle m



 

Figure 3. Dependence of th

The correlation of eutectic com

seen from figure 3. Stability of the t

sample of eutectic composition and 

The results showed some decr

value with further thermal cycling u

and ~5 % for AN-3, and ~ 3 % for t

be due to partial dehydration of aqu

that the eutectic composition compa

Yu.Sobolev 

Вестник Караг

wo peaks of exo-effects, and the main proportion

on near the liquidus temperature. 

t the sum of the enthalpies ΔH

L

 and ΔH



S

 approxi


+ ΔH

S

 ≈ ΔH



SL

, which in turn is equal to the me



melting and crystallization for compositions (II) — а a

ffects ΔH

LS

 on ΔH



L

 and ΔH

S

 may mean that the



tage is relative to liquidus line when crystals of 

crystals in the hypereutectic region. 

ed due to depletion of solutions in molecules Na

es in their own water of crystallization form fine

en approaching the eutectic temperature. 

show in table. Data of ΔH

S

 were used for refinem



method [8] (Fig. 3). 

 

he enthalpy ΔH



S

 of components’ concentration in the K

mposition with data shown in the diagram (Fig. 1) 

thermal effects values ΔH

LS

 and ΔH



SL

 to prolong

pure crystalline hydrates KH-10 and AH-3 was c

rease in value of ΔH



SL

 after 10 cycles initially, a

up to 100 thermal cycles. The decrease value of Δ

the eutectic composition. The decrease of enthalp

ueous solutions with repeated thermal cycling. It 

ares favorably to some crystalline hydrates. 

гандинского университета 

n of the thermal effect in 

imately equal to the total 

elting enthalpy ΔH

LS

, i.e. 


and (IX) — 

 crystallization mixtures 

KH-10 begin to form in 

a

2



CO

3

 and CH



3

COONa. 


e mixed crystals of both 

ment of eutectic composi-

KH-10 – AH-3 

in the range of 2–3 % is 

ged thermal cycling on a 

hecked. 


and then almost constant 

ΔH

SL

 is ~17 % for KN-10 



py of crystallization may 

is observed, in this case, 



Серия «Химия». № 3(75)/2014

At the third stage the precrysta

mixtures) and the melting temperatu

peratures in hypothermia field T

L

min

CTA method. The average values <

liquidus line ΔT

L

-



 = T

– T



L

min

 and 


T

L

-

> from concentration of x in th

 

Figure 4. Dependence 



The figure shows, that as the m

larly reduce: in hypoeutectic field fr

tic field from ~78 °C (for pure trihy

mixtures the hypothermia ΔT

S

- 



wit

T

S

-



ranged 3.5 ± 0.5 ºC and did

vides a comparative graphs of dep

compositions: (I), (V) and (XV). 

 

Figure 5. Dependence of



t

As seen in Figure 4, the eutec

overheating, which makes it more at

The crystal structure of the te

Both crystalline hydrates have mon

Constr


allization hypothermia ΔT

L

 of samples relatively l



ure of pure crystalline hydrates was studied. For 

n

, in which the spontaneous crystallization was 



<T

L

min

> are shown in Table. It also gives the hy

solidus line ΔT

S



T



S

 – T

S

min

. Dependence of th

he mixture is shown in Figure 4. 

of average hypothermia of mixture from concentration

mixture composition to approach the eutectic (poin

rom ~13 °C (for pure decahydrate of sodium carb

ydrate of sodium acetate) until ~3÷4 ºC in eutect

th respect to solidus temperature T

S

 were recor



dn’t depend on prior overheating of the liquid p

endence of hydrothermia from pre-overheating 

 

f hidrotermia from overheating for three compositions



the eutectic composition (V), AN-3 (XV) 

ctic composition has the lowest hydrothermia w

ttractive for use as HAM, acting at low temperatu

Result discussion 

st substances (Fig. 6) is considered for the inter

noclinic type of crystalline lattices [10–11]. Acco

ruction of phase diagram … 

29 

liquidus temperature (for 



this, the minimum tem-

began, was recorded by 

ypothermia relatively to 

he average hypothermia 

 

n of AN-3 



nt E), hypothermia regu-

bonate), and hypereutec-

tic. In addition to all the 

rded. Average values of 

phase ΔT

+

. Figure 5 pro-

of liquid phase to three 

s KH-10 (I),  

which doesn’t depend on 

ures. 


rpretation of the results. 

ording to classical ideas, 



Sh.K.Amerkhanova, V.D.Alexandrov, А.Yu.Sobolev 

30 


Вестник Карагандинского университета 

mixtures of similar substances should lead to the formation of a continuous series of solid solutions. Howev-

er, in this case two similar crystalline hydrates form mixtures of eutectic type. 

 

 



а b 

Figure 6. Crystal lattices Na

2

СO

3



·10H

2

O (



a

) and CH


3

COONa·3H


2

O (


b

Consider the lattice parameters of the crystalline hydrates KH-10 and AN-3 are given in Table 2. 



From data shown in Table 2, the difference between the lattice parameters of the KH-10 and AN-3 is 

not so great. For example, the volume of cells unit difference is only 4.6 %. Same syngony of crystals with 

similar ratios of parameters of lattices at best could lead to the formation of limited solubility of the compo-

nents. 


T a b l e   2  

Crystal lattice parameters of decahydrate sodium carbonate and trihydrate sodium acetate [10–11] 

 

Lattice type 



Coordination number 

a

, Å 


b

, Å 


c

, Å 


β, ° 

V, Å


3

 

КН-10 Monoclinic 



12,83 


9,03 

13,44 


123 

1305,31 


АН-3 Monoclinic 

12,34 



10,45 

10,41 


111,65 

1247,8 


Parameters differences 

4,0 % 


13,6 % 

29,1 % 


10,2 % 

4,6 % 


 

The possible reason of formation eutectic mixtures in the system of crystalline hydrates Na

2

СO

3



·10H

2



and CH

3

COONa·3H



2

O can be a significant difference between the structure of molecules, the content of 

crystallization water in corresponding hydrates, molecular configuration Na

2

СO



3

·10H


2

O and 


CH

3

COONa·3H



2

O and quantities of hydrogen bonds. You can see this if you look at the projections of the 

lattices of these materials (Fig. 7). 

 

 



а b 

Figure 7. Projections of the crystal lattices on the 



x



y

 plane of decahydrate sodium carbonate (

a

)  


and trihydrate sodium acetate (

b

). The dotted lines show the hydrogen bonds [10–11] 

 


Construction of phase diagram … 

Серия «Химия». № 3(75)/2014 

31 

By incongruent melting of KH-10 and AN-3, there are saturated salt solution Na



2

СO

3



 and CH

3

COONa 



in their own crystallization water, i.e. their dehydration is by scheme CH

3

COONa·3H



2

O → CH


3

COONa + 


+ 3H

2

O and Na



2

СO

3



·10H

2

O → Na



2

СO



+ 10H

2

O. Upon cooling these solutions occurs a reverse process — 



the water molecules attaching to the respective ions. For solutions in hypoeutectic region dominated Na

2

СO



3

 

molecules, so KN-10 crystals begin to form at the liquidus temperature, and in hypereutectic region AN-3 



crystals form, because of the predominance of CH

3

COONa molecules. At the same molecules of H



2

O in re-


spective crystals form the complex of hydrogen bonds (see dashed lines in Fig. 7). For example, acetate ions 

form clusters (in the xy plane, four ion into cluster), and methyl groups are oriented inside the cluster, but 

carboxyl groups are to outward. 

With regard to crystallization water in turn to molecular weights of hydrates M and components: anhy-

drous salts of М

1

 and water М



2

. Their comparison shows (Table 3) that the water amount in the CN-10 is 

more than water amount of the AN-3 is approximately in 2.6 times. The relative water content in the AN-3 is 

~39 %, and RH 10 is ~63 %. The good correlation is observed when comparing these dates with the percent-

age of AN-3 and KH-10 in the eutectic (~34 wt.% AN-3 + 66 wt.% KH-10). 

T a b l e   3  



Molecular weights of components of crystalline hydrates, g/mol 

Crystalline hydrates 

M of hydrate  M

1

 of dry salt



M

2

 of water 



М

1

/М 



М

2



 

М

1



2

 



Na

2

СO



3

·10H


2

O 286 


106 

180 


0,37 

0,63 


1,70 

CH

3



COONa·3H

2

O 136 82 54 



0,61 

0,39 


0,66 

Eutectic of 66 wt.%  

KH-10 + 34 wt.% AN-3 

236 98,84 

137,16 0,42  0,58  1,40 

 

Having a large amount of total crystallization water in mixtures of KH-10 and AN-3 in the range to 



~80 %, which facilitates mobility of molecules of Na

2

СO



3

, CH


3

COONa and H

2

O, their association and for-



mation of crystal hydrates, which helps to reduce hypothermia. For example, in the eutectic water content is 

58 % in a mixture with crystalline hydrates, and subcooling reaches a minimum value (~3÷4 K). At high 

concentrations (> 80 %) of AN-3 in the system, the mobility of molecules (especially CH

3

COONa) in solu-



tion with a low water content creates steric interferences with respect to crystallization and sharply increases 

supercooling of these solutions, including clean trihydrate sodium acetate. 



Conclusion 

The phase diagram of two crystalline hydrates: carbonate and sodium acetate is constructed by methods 

of thermal analysis. The thermal effects of melting and crystallization, and pre-crystallization supercooling 

of mixtures in the system were investigated. Based on the analysis of the obtained results it is proposed to 

use a mixture of eutectic composition (66 wt.% of Sodium carbonate + 34 wt % of sodium acetate) as a heat 

accumulating material. 

 

 

References 



1  Бекман Г., Гили П. Тепловое аккумулирование энергии. — М.: Мир, 1987. — 272 с. 

2  Левенберг В.Д., Ткач М.Р., Гольстрем В.А. Аккумулирование тепла. — Киев: Техника, 1991. — 112 с. 

3  Данилин  В.Н.,  Долесов  А.Г.  Тепло-  и  холодоаккумулирующие  материалы  на  основе  ацетата  натрия.  Физико-

химический анализ свойств многокомпонентных систем // Вестн. Кубанс. гос. техн. ун-та. — 2008. — № 6. — С. 5–10. 

4  Naumann R., Emons H. Crystalline hydrates of salts as heat accumulators // Sitzungsber. Acad. Wiss. DDR. Math-Natur-

Wiss.-Techn. — 1986. — № 3. — P. 31–44. 

5  Naumann R., Fanghiinel Th., Emons H. Thermoanalytical investigation of sodium acetate trihydrate for application as a la-

tent heat thermal energy storage material // Journal of Thermal Analysis. — 1988. — Vol. 33. — P. 685–690. 

6  Cabeza L.F., Svensson G., Hieler S. Thermal Performance of Sodium Acetate Trihydrate Thichened with Different Materials 

as Phase Change Energy Storage Material // Appied Thermal Engineering. — 2003. — № 23. — P. 1697–1704. 

7  Mikko Keinänen. Latent heat recovery from supercooled sodium acetate trihydrate using a brush heat exchanger: Master’s 

thesis … the degree of Master of Science in Technology. — Helsinki University of Technology, 2007. — 104 p. 

8  Древинг В.П. Правило фаз. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1954. 

9  Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. — М.: Химия, 1977. — 432 с. 

10  Tooru Taga. Crystal structure of Na

2

СO



3

·10H


2

O // Acta crystallographica. — 1969. — B. 25. — P. 2656–2658. 



Sh.K.Amerkhanova, V.D.Alexandrov, А.Yu.Sobolev 

32 


Вестник Карагандинского университета 

11  Efremov V.A., Endeladze N.O., Agre V.M., Trunov V.K. Refinement of the crystal structure of sodium acetate Trihydrate // 

Journal of Structural Chemistry — Translated from Zhurnal Struktornoi Khimii. — May–June, 1986. — Vol. 27, No. 3. — P. 177–

180. 


 

 

Ш.К.Əмерханова, В.Д.Александров, А.Ю.Соболев  




Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11




©emirsaba.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет