|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Термодинамическое моделирование водно-солевых систем как основа создания новых термоаккумулирующих материаловНИР
Thermodynamic modeling of aqueos-salt systems as a basis for the development of new thermal storage materials
- Руководитель НИР: Коваленко Н.А.
- Ответственный исполнитель: Белова Е.В.
- Участники НИР: Малютин А.С., Нестеров А.В., Новиков А.А.
- Подразделение: НИЛ химической термодинамики
- Срок исполнения: 2 апреля 2021 г. - 2 апреля 2023 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 21-33-70031
- Номер ЦИТИС: 121041900032-5
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Энергоэффективность и энергосбережение
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике
- ПН России: Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.15.25 Химическая термодинамика. Термохимия. Равновесия. Физико-химический анализ, фазовые переходы
-
Ключевые слова:
расчеты фазовых равновесий, многокомпонентные системы, растворы электролитов, термоаккумулирующие материалы, термодинамические модели, водно-солевые системы
-
Описание:
Общая цель исследования – разработка и валидация согласованных экспериментальных и расчетно-теоретических подходов для построения термодинамических моделей фаз в многокомпонентных водно-солевых системах, представляющих интерес с точки зрения создания новых и оптимизации существующих теплоаккумулирующих материалов. Конкретная цель работы - построение термодинамических моделей фаз многокомпонентных систем, образованных сульфатами, хлоридами, фосфатами натрия, калия, магния, алюминия и водой
-
Abstract:
Thermal storage materials are increasingly used both in industry and in urban construction, since they help maintain the required temperature in a building, regardless of weather conditions. Currently, many compounds and mixtures thereof have been proposed as a basis for thermal storage materials. Nevertheless, the search for commercially viable formulations with a given operating temperature and high efficiency remains an urgent task. Efficiency assessment for promising compositions can be made using thermodynamic modeling of the corresponding multicomponent systems. The overall goal of this study is the development and validation of consistent experimental and computational-theoretical approaches for constructing thermodynamic models of phases in multicomponent water-salt systems that are of interest from the point of view of creating new and optimizing existing heat storage materials. A large number of thermal storage materials compositions belong to the multicomponent system Na +, K +, Mg2 +, Al3 + // Cl–, SO42–, H2PO4–, HPO42–, H2PO43– - H2O, and therefore this system was chosen as the object of study in this work. The project is planned: 1) to propose a thermodynamic model with advantages over similar models of electrolyte solutions for predicting the thermochemical properties of multicomponent water-salt systems; 2) to determine the parameters of thermodynamic models of systems formed by sulfates, chlorides, phosphates of sodium, potassium, magnesium, aluminum and water; 3) to obtain the experimental data missing for the parameterization of the model by the methods of vapor pressure, DSC and the isothermal method of studying solid-liquid equilibria; 4) based on the obtained thermodynamic model, to predict the compositions of the most promising thermal storage materials for the construction industry; 5) using the DSC method, to determine the main characteristics of promising heat storage materials and compare the results of the experiment and calculation, thereby validating the approach proposed in this project. The scientific significance of the project is determined by: I. development of a combined (computational-theoretical and experimental) approach for the selection of compositions that represent the basis of future heat storage materials; II. construction of thermodynamic models of multicomponent water-salt systems formed by sulfates, chlorides, phosphates of sodium, potassium, magnesium, aluminum and water.
-
Планируемые результаты:
В рамках проекта планируется: 1) предложить термодинамическую модель, обладающую преимуществами по сравнению с аналогами, для предсказания термохимических свойств многокомпонентных водно-солевых систем; 2) определить параметры термодинамических моделей систем, образованных сульфатами, хлоридами, фосфатами натрия, калия, магния, алюминия и водой; 3) получить недостающие для параметризации модели экспериментальные данные методами давления пара, ДСК и изотермическим методом исследования равновесия «жидкость – кристаллическая фаза»; 4) на основании полученной термодинамической модели предсказать составы наиболее перспективных термоаккумулирующих материалов для строительной промышленности; 5) методом ДСК определить основные характеристики перспективных теплоаккумулирующих материалов и сопоставить результаты эксперимента и расчета, проведя тем самым валидацию предложенного в данном проекте подхода.
-
Научный задел:
1. Maksimov A. I., Kovalenko N. A., Uspenskaya I. A. Thermodynamic modeling of the water – nitric acid – rare earth nitrate systems // Calphad: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. — 2019. — Vol. 67. — P. 1–17. 2. Малютин А. С., Коваленко Н. А., Успенская И. А. Термодинамические свойства фаз и фазовые равновесия в системе H2O – HNO3 – UO2(NO3)2 – Th(NO3)4 // ЖНХ — 2020. — Т. 65, № 5. — С. 711–716. 3. Kosova D. A., Voskov A. L., Kovalenko N. A., Uspenskaya I. A. A Water - Urea - Ammonium Sulfamate system: Experimental Investigation and Thermodynamic Modelling // Fluid Phase Equilibria. — 2016. — Vol. 425. — P. 312–323. 4. Novikov A. A., Belova E. V., Uspenskaya I. A. Phase equilibria and thermodynamic properties in the zinc chloride–zinc methanesulfonate–water system // Journal of Chemical and Engineering Data. — 2019. — Vol. 64, no. 10. — P. 4230–4238. 5. Belova E. V. , Krasnov V. S. , Ilyukhin A. B. , Uspenskaya I. A. Solid-liquid phase equilibrium in the water–zn(ii) methanesulfonate and water–cu(ii) methanesulfonate systems // Thermochimica Acta. — 2018. — Vol. 668. — P. 46–57. 6. Belova E. V., Mamontov M. N., Uspenskaya I. A. A sodium chloride−zinc chloride−water system: Solubility of solids and density of liquid in wide range of temperatures // Chem Eng Data — 2016. — Vol. 61, no. 7. — P. 2426–2432. 7. Belova E., Brusinski N., Mamontov M., Uspenskaya I. A zinc nitrate – calcium nitrate – water system: Solubility of solids and density of liquid in wide range of temperatures // Chem Eng Data — 2017. — Vol. 62, no. 4. — P. 1544–1549. 8. Коваленко Н. А. Обобщенная модель локального состава, ее возможности и ограничения // ЖФХ — 2019. — Т. 93, № 10. — С. 1517–1521.\ 9. Малютин А. С., Коваленко Н. А., Успенская И. А. Термодинамические свойства и фазовые равновесия в системе H2O – HNO3 – UO2(NO3)2 // Вестник Московского университета. Серия 2: Химия. — 2020. — Т. 61, № 2. — С. 83–89.
- Добавил в систему: Белова Екатерина Васильевна
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 2 апреля 2021 г.-15 ноября 2021 г. | Термодинамическое моделирование водно-солевых систем как основа создания новых термоаккумулирующих материалов |
| Результаты этапа: 1) Получены экспериментальных данные о фазовых равновесиях жидкость-пар в системе Na2SO4 - Al2(SO4)3 - H2O; 2) Рассчитаны параметры моделей Питцера и eGLCM для тестовой системы Na-Mg-Al-SO4-H2O; 3) Рассчитаны параметры моделей бинарных подсистем системы Na+, K+, Mg2+, Al3+ // Cl–, SO42–, PO43– (HPO42– / H2PO4–) - H2O. | ||
| 2 | 25 декабря 2021 г.-15 февраля 2023 г. | Термодинамическое моделирование водно-солевых систем как основа создания новых термоаккумулирующих материалов |
| Результаты этапа: Основная задача проекта заключалась в построении термодинамических моделей систем, использование которых позволит предсказывать наиболее перспективные композиции неорганических веществ, представляющих интерес с точки зрения создания новых теплоаккумулирующих материалов. В качестве объектов исследования были выбраны системы, образованные сульфатами, хлоридами, фосфатами натрия, калия, магния, алюминия и водой. В ходе реализации проекта работа велась по нескольким направлениям: 1) получение необходимых для последующего термодинамического моделирования экспериментальных данных; 2) сопоставление разных термодинамических моделей на ограниченной наборе данных и выбор оптимальной модели для предсказания теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов с точки зрения дальнейшей реализации проекта; 3) расчет параметров моделей систем, образованных водой и сульфатами, хлоридами, фосфатами натрия, калия, магния, алюминия. Работа по проекту была построена таким образом, что эксперимент проводился только в том случае, если в литературе не было опубликовано надежных данных в рассматриваемых системах. А также, если данные были противоречивы и требовалась некоторая их валидация или уточнение. В некоторых случаях решение о том, что опубликованные данные противоречивы, принималось только в результате попыток построения моделей (термодинамическое моделирование позволяет проверять разные типы данных на самосогласованность). Анализ литературных данных, дополненный некоторыми расчетами, показал, что для построения надежных термодинамических моделей в литературе недостаточно полно представлены экспериментальные данные в первую очередь в подсистемах H2O – AlCl3, H2O – Al2(SO4)3, H2O – AlCl3 – Al2(SO4)3, H2O – Na2SO4 – Al2(SO4)3, H2O – K2SO4 – Al2(SO4)3, H2O – Na3PO4, H2O – K3PO4 и H2O – Na3PO4 – K3PO4. Для получения недостающих данных были использованы следующие экспериментальные методы: статический метод давления пара и метод точки росы для определения активности растворителя, а также метод влажных остатков Шрейнемакерса для построения данных о равновесии жидкость – кристаллическая фаза. Для анализа растворов электролитов применяли методы фотометрии пламени, атомно-эмиссионную спектрометрию с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС), различные титрометрические методы. Методы ДСК и ТГА использовали для уточнения состава кристаллогидратов и получения информации об устойчивости кристаллических фаз. Валидация перспективных термодинамических моделей была осуществлена на тестовой системе Na+ – Mg2+ – Al3+ – SO42- – H2O. В качестве перспективных моделей были выбраны модели Питцера – Симонсона – Клегга (ПСК) и eGLCM (electrolyte Generalized Local Composition Model). Полученные результаты свидетельствуют о том, что обе модели позволяют адекватно описывать исследуемые системы. По итогам данного направления работы было принято решение в дальнейшем при реализации проекта сосредоточиться на модели ПСК, она однозначно не уступает модели eGLCM при описании водных растворов электролитов, а несомненным ее преимуществом является более широкое распространение среди различных научных групп. При реализации третьего направления исследования были получены описания моделью ПСК бинарных и тройных подсистем основной многокомпонентной системы. Полученные в данном исследовании параметры модели ПСК, дополненные параметрами из литературных источников, могут быть использованы для скрининга композиций, перспективных с точки зрения выбора основы теплоаккумулирующих материалов. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".