Thermodynamic Modelling of Aqueous Sulfuric Acid

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-04-15
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
88 + app. 75
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 44/2015
Abstract
Aqueous sulfuric acid is an important chemical not only for the industry but also with respect to the environment. A need for a simple thermodynamic model is obvious. The purpose of this thesis was to create a thermodynamic model for aqueous sulfuric acid with a reasonable number of parameters. A key factor in modelling aqueous sulfuric acid is the correct value for the second dissociation constant, K2. In this thesis it was discovered that several equations describing K2, can model aqueous sulfuric acid equally well. The reason for this was identified as the equilibrium between sulfate (SO4[2-]) and bisulfate (HSO4[-]) ions which creates an internal redundancy in the thermodynamic description. Thus, the equation for K2 must be included in the assessment of aqueous sulfuric acid. The thermodynamic properties of aqueous sulfuric acid were modelled with the Pitzer equation. Both the second dissociation constant K2 for sulfuric acid and Pitzer parameters were fitted simultaneously. After variation of the experimental data used and the temperature dependencies of the Pitzer parameters, it was found that only four Pitzer parameters with eight fitted terms are required to cover the thermodynamic properties of aqueous sulfuric acid over a temperature range of 0–170°C. The obtained thermodynamic properties are in good agreement with literature values as well as with other Pitzer based and more complex thermodynamic models for aqueous sulfuric acid. The recent version of Pitzer equation, NPL Pitzer, was also tested. It was found to be capable of predicting activity and osmotic coefficient using only five parameters up to 80w% solution over a wide temperature range.

Rikkihappo on merkittävä kemikaali sekä teollisuuden että ympäristön suojelun kannalta, joten tarve yksinkertaiselle termodynaamiselle mallille on ilmeinen. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli luoda rikkihapon vesiliuokselle termodynaaminen malli, jossa käytettävien malliparametrien lukumäärä on kohtuullinen. Merkittävä seikka rikkihapon vesiliuoksen mallintamisessa on toisen dissosioitumisvakion, K2, arvo. Tässä väitöskirjassa havaittiin, että rikkihapon vesiliuos voidaan mallittaa yhtä hyvin usealla eri dissosioitumisvakion yhtälöllä. Syyksi paljastui bisulfaatti- (HSO4[-]) ja sulfaatti- (SO4[2–]) ionien välinen tasapaino, joka lisää termodynaamiseen kuvaukseen sisäisen riippuvuuden. Dissosioitumisvakion yhtälö on siksi otettava mukaan parametrien sovitukseen. Rikkihapon vesiliuos mallinnettiin Pitzerin yhtälön avulla. Sekä K2 -yhtälö että Pitzerin parametrit sovitettiin yhtä aikaa. Vaihtelemalla sovitukseen mukaan otettuja kokeellisia tuloksia ja parametrien lämpötilariippuvuutta havaittiin, että rikkihapon vesiliuoksen termo-dynaamiseen kuvaukseen lämpötila-alueella 0–170°C tarvitaan vain neljä Pitzerin parametria, joissa on yhteensä kahdeksan sovitettavaa termiä. Mallilla lasketut termodynaamiset ominaisuudet ovat sopusoinnussa sekä kirjallisuudesta löytyneiden että muilla moni-mutkaisemmilla Pitzer malleilla laskettujen arvojen kanssa. Lisäksi tutkittiin äskettäin kehitetyn NPL Pitzer yhtälön soveltuvuutta ja havaittiin, että sen avulla voidaan kuvata sekä aktiivisuuskerroin että osmoottinen kerroin laajalla lämpötila-alueella vain viidellä parametrilla aina 80p% rikkihappoon asti.
Description
Supervising professor
Taskinen, Pekka, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
Thesis advisor
Taskinen, Pekka, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
Keywords
thermodynamic properties, Pitzer model, activity coefficient, osmotic coefficient, electrochemical cell, termodynaamiset ominaisuudet, Pitzerin yhtälö, aktiivisuuskerroin, osmoottinen kerroin, sähkökemiallinen kenno
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Hannu Sippola, Critical evaluation of the 2nd dissociation constants for aqueous sulfuric acid, Thermochimica Acta, 532(2012), 65–77. doi: 10.1016/j.tca.2011.04.030
  • [Publication 2]: Hannu Sippola, Critical Evaluation of the Second Dissociation Constants for Aqueous Sulfuric Acid over a Wide Temperature Range, Journal of Chemical and Engineering Data, 58(2013), 3009−3032. doi: 10.1021/je4004614
  • [Publication 3]: Hannu Sippola, Thermodynamic modelling of concentrated sulfuric acid solutions, Calphad, 38(2012), 168–176. doi: 10.1016/j.calphad.2012.06.008
  • [Publication 4]: Hannu Sippola and Pekka A. Taskinen, Thermodynamic Properties of Aqueous Sulfuric Acid, Journal of Chemical and Engineering Data, 59(2014), 2389−2407. doi: 10.1021/je4011147
Citation