在层状盐岩大型储库建造过程中，另外一种常见的盐岩为硫酸钠也叫无水芒硝，化学分子式为Na2 SO4，本节研究无水芒硝盐岩动态溶解特性，揭示芒硝矿体溶解速度与溶液温度、浓度之间的物理关系，为层状盐岩大型储库建造提供参考。

图2-25　芒硝样品及溶解后再结晶形成的芒硝晶体

1.样品采集

试验样品采集自江苏洪泽无水芒硝矿，其主要成分为无水硫酸钠。图2-25为钻孔取芯的芒硝矿体及溶解后再结晶形成的晶状物。图2-26为溶解数小时后的芒硝矿。由该图可以看出盐岩内含有很多泥岩小夹层，对溶解效率有一定的影响。

图2-26　溶解数小时后的芒硝矿样

2.试验装置

（1）试验设备。

试验设备由保温桶、大烧杯、加热棒、天平、搅拌器、温度计、量杯等组成，如图2-27所示。

图2-27　试验设备、装置

（2）恒温措施。

①溶解容器：传热性能良好的大烧杯。

②外部绝热层：密封的保温桶。

③恒温层：在保温桶及烧杯内加一定温度的水，这样在保温桶与烧杯之间形成一个恒温层。

④监测装置：在大烧杯及恒温层内分别放置一支温度计以监测温度。

3.试验方案

恒温盐岩溶解：用保温桶、导热性能良好的烧杯及加热棒来控制溶液温度，使其保持在某一恒定值。为了反映其溶解特性，对芒硝盐样做了数次恒温溶解试验，温度分别设置在20℃，25℃，30℃，35℃，40℃，45℃，50℃，55℃。

4.试验过程

①用天平称出芒硝矿物的质量。

②将纯净水加热到某一温度，用量杯量取一定量的水加入保温桶及大烧杯内。

③将芒硝矿放入网兜中，然后一起置于大烧杯中，切忌用手接触溶液，以免溶液被带出。

④封闭保温桶，放置好温度计，开动电动搅拌器持续搅拌，模拟动态溶解，并开始计时。

⑤试验过程中一直观测溶液温度，以确保恒温溶解，当温度过高时，在恒温层中加入少许低温水；当温度过低时，打开加热棒加热片刻。

⑥每0.5 h测一次溶液浓度，并取出未溶矿物称重，然后放回烧杯。

⑦当溶液浓度变化很小时停止试验，取出剩余矿物及残渣并称重。(www.daowen.com)

5.试验结果及分析

不同温度下，溶解试验测得的不同溶解时间的溶液浓度如图2-28所示，由于篇幅有限，未列出不同时间未溶矿物的质量。由未溶矿物质量推算出矿物与溶液的接触面积。

图2-28　不同温度下溶解试验测得的不同时间的溶液浓度

已知质量求表面积公式：

计算得出的不同温度下不同溶解时间芒硝矿的溶解速率如图2-29所示。

图2-29　不同温度下不同溶解时间芒硝矿的溶解速率

（1）溶液浓度对盐岩溶解速率的影响。

从化学动力学观点看，溶液浓度与饱和溶液浓度之差是芒硝矿发生溶解反应的化学势之一。二者差值越大其溶解速率就越大，当溶液浓度为0 mol/L时，差值最大，芒硝矿溶解速率达到最大值；当溶液浓度等于溶液饱和浓度时，差值为零，芒硝矿溶解速率为零。在一定条件下，芒硝矿溶解速率随浓度呈加速递减。

（2）溶液温度对盐岩溶解速率的影响。

通过对芒硝矿溶解特性试验结果进行数据分析，得出不同浓度条件下芒硝矿溶解速率与溶液温度的关系曲线，如图2-30所示。

由图2-30可知，对于一定浓度的芒硝溶液，如果芒硝溶解度较低，溶液浓度与饱和溶液浓度差值较小，容易达到饱和，而在接近饱和的溶液中芒硝的溶解速率是非常小的；如果芒硝溶解度较高，溶液浓度与饱和溶液浓度差值较大，存在较大化学势，芒硝溶解速率较大。在几组试验中测得芒硝矿体溶解速率在35℃时达到最大值，表现为其拟合曲线系数比30℃时高出1倍左右。其余的矿体溶解速率由大到小排序依次为温度在40℃，45℃，50℃，55℃，30℃，25℃，20℃时。另外，同等条件下35～55℃之间芒硝矿体溶解速率显著高于30℃以下芒硝矿体溶解速率，因此芒硝开采温度不宜低于30℃。

图2-30　溶解速率与溶液温度关系曲线

1.1 mol/L下拟合曲线方程为

1.4 mol/L下拟合曲线方程为

由设定温度下芒硝矿体溶解速率与浓度关系拟合曲线方程以及一定浓度下芒硝矿体溶解速率与温度关系拟合曲线方程，得出溶解速率与浓度、温度之间的关系式：

式中：a 0=-0.000 71，a 1=0.103 4，a 2=-0.002 58，b 0=-3.122，b 1=-0.147，b 2=0.032 26，a 3=-3.452 6。

芒硝矿是一种特殊的盐岩，由于其溶解度随温度呈向上折线变化，导致其溶解速率、浓度随温度变化情况较为复杂。从芒硝溶解试验可以得出以下结论：

（1）通过试验揭示了芒硝矿体溶解速率随溶液浓度和温度的变化规律，获得了相关关系的曲线方程。

（2）在一定温度下，芒硝矿体溶解速率随浓度呈对数递减。当溶液浓度趋近于该温度下饱和溶液浓度时，芒硝矿体溶解速率趋近于0 g/（mm2·h）。

（3）在一定浓度下，芒硝矿体溶解速率随温度呈非对称正态分布曲线变化，其变化趋势与溶解度随温度变化趋势较为接近。35℃是较理想的开采温度，该温度下芒硝的溶解速率高于同浓度、同流速及其他温度下的溶解速率。