Molecular Simulation of the Osmotic Pressures for LiCl-NaCl-KCl-H2O Solution System

doi:10.7503/cjcu20210727

Abstract

Abstract:

Salt Lake Brines contain large amount of lithium and potassium resources. Developing models and methods that predicts the osmotic pressures of brines shows significance in utilizing salt lake resources. Molecular dynamics（MD） technology equipped with osmotic pressure in aqueous solutions（OPAS） method were applied to study the prediction of osmotic pressures of LiCl-NaCl-KCl-H₂O solution system. The computed results were compared with experimental and Pitzer model calculated data， and the data includes osmotic pressures of solutions of the same type and different concentrations and of the same concentration and different types. The results show that this approach is capable to calculated the osmotic pressures quantitively and semi-qualitatively for complex mixture systems.

Key words: Mixed salt solution system, Osmotic pressure, Molecular dynamics

CLC Number:

O641

TrendMD:

CHEN Hanxiang, BIAN Shaoju, HU Bin, LI Wu. Molecular Simulation of the Osmotic Pressures for LiCl-NaCl-KCl-H₂O Solution System[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(3): 20210727.

Figures/Tables 13

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System	Number of models	Molality/（mol?kg^-1）	Number of particles in models	r
LiCl?H₂O	8	0.5—4.7	8000 water ^a， 80—640 ion pairs
NaCl?H₂O	8	0.5—4.7	8000 water ^a， 80—640 ion pairs
KCl?H₂O	8	0.5—4.7	8000 water ^a， 80—640 ion pairs
LiCl?NaCl?H₂O	28	1.1—4.7	8000 water ^a， 160—640 ion pairs	1∶4， 2∶3， 3∶2， 4∶1 ^b
LiCl?KCl?H₂O	28	1.1—4.7	8000 water ^a， 160—640 ion pairs	1∶4， 2∶3， 3∶2， 4∶1 ^b
NaCl?KCl?H₂O	28	1.1—4.7	8000 water ^a， 160—640 ion pairs	1∶4， 2∶3， 3∶2， 4∶1 ^b
LiCl?NaCl?KCl?H₂O	24	0.8—4.7	8000 water ^a， 160—640 ion pairs	2∶1∶1， 1∶2∶1， 1∶1∶2 ^c

System	Number of models	Molality/（mol?kg^-1）	Number of particles in models	r
LiCl?H₂O	8	0.5—4.7	8000 water ^a， 80—640 ion pairs
NaCl?H₂O	8	0.5—4.7	8000 water ^a， 80—640 ion pairs
KCl?H₂O	8	0.5—4.7	8000 water ^a， 80—640 ion pairs
LiCl?NaCl?H₂O	28	1.1—4.7	8000 water ^a， 160—640 ion pairs	1∶4， 2∶3， 3∶2， 4∶1 ^b
LiCl?KCl?H₂O	28	1.1—4.7	8000 water ^a， 160—640 ion pairs	1∶4， 2∶3， 3∶2， 4∶1 ^b
NaCl?KCl?H₂O	28	1.1—4.7	8000 water ^a， 160—640 ion pairs	1∶4， 2∶3， 3∶2， 4∶1 ^b
LiCl?NaCl?KCl?H₂O	24	0.8—4.7	8000 water ^a， 160—640 ion pairs	2∶1∶1， 1∶2∶1， 1∶1∶2 ^c

Solution	Molality/（mol?kg^-1）	Membrane energy/（kJ?mol^-1）	Pressure from FS method/MPa	Pressure from MEF method/MPa	Referenced pressure^［41］/MPa
LiCl	0.56	-0.174	2.80	3.12	2.75
LiCl	1.13	-0.248	6.31	5.30	5.79
LiCl	1.70	-0.364	9.27	8.71	9.23
LiCl	2.28	-0.570	10.11	14.77	13.11
LiCl	2.87	-0.752	16.12	20.09	17.47
LiCl	3.48	-0.720	12.14	19.16	22.34
LiCl	4.08	-0.992	21.11	27.05	27.82
LiCl	4.70	-1.240	26.17	34.20	33.89
NaCl	0.56	-0.133	1.84	2.96	2.62
NaCl	1.12	-0.262	7.00	5.07	5.30
NaCl	1.69	-0.406	10.07	7.62	8.13
NaCl	2.27	-0.611	13.97	11.58	11.14
NaCl	2.86	-0.807	15.43	15.75	14.33
NaCl	3.45	-0.819	18.76	16.04	17.75
NaCl	4.05	-1.087	24.00	22.37	21.42
NaCl	4.67	-1.175	25.76	24.62	25.32
KCl	0.56	-0.113	2.79	2.53	2.54
KCl	1.13	-0.331	7.15	5.18	5.05
KCl	1.71	-0.466	10.11	7.46	7.58
KCl	2.30	-0.600	13.42	10.18	10.16
KCl	2.90	-0.699	14.47	12.50	12.81
KCl	3.51	-0.912	19.66	18.38	15.55
KCl	4.15	-0.902	20.39	18.07	18.36
KCl	4.78	-0.934	23.97	19.05	21.29

Solution	Molality/（mol?kg^-1）	Membrane energy/（kJ?mol^-1）	Pressure from FS method/MPa	Pressure from MEF method/MPa	Referenced pressure^［41］/MPa
LiCl	0.56	-0.174	2.80	3.12	2.75
LiCl	1.13	-0.248	6.31	5.30	5.79
LiCl	1.70	-0.364	9.27	8.71	9.23
LiCl	2.28	-0.570	10.11	14.77	13.11
LiCl	2.87	-0.752	16.12	20.09	17.47
LiCl	3.48	-0.720	12.14	19.16	22.34
LiCl	4.08	-0.992	21.11	27.05	27.82
LiCl	4.70	-1.240	26.17	34.20	33.89
NaCl	0.56	-0.133	1.84	2.96	2.62
NaCl	1.12	-0.262	7.00	5.07	5.30
NaCl	1.69	-0.406	10.07	7.62	8.13
NaCl	2.27	-0.611	13.97	11.58	11.14
NaCl	2.86	-0.807	15.43	15.75	14.33
NaCl	3.45	-0.819	18.76	16.04	17.75
NaCl	4.05	-1.087	24.00	22.37	21.42
NaCl	4.67	-1.175	25.76	24.62	25.32
KCl	0.56	-0.113	2.79	2.53	2.54
KCl	1.13	-0.331	7.15	5.18	5.05
KCl	1.71	-0.466	10.11	7.46	7.58
KCl	2.30	-0.600	13.42	10.18	10.16
KCl	2.90	-0.699	14.47	12.50	12.81
KCl	3.51	-0.912	19.66	18.38	15.55
KCl	4.15	-0.902	20.39	18.07	18.36
KCl	4.78	-0.934	23.97	19.05	21.29

Solution	c₂	c₁	c₀
LiCl	-7.884	-124.7	-2.066
NaCl	85.21	-60.30	0.9623
KCl	231.1	-26.40	1.648

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Solution	r	Molality/ （mol?kg^-1）	Membrane energy/（kJ?mol^-1）	Pressure from FS method/MPa	Pressure from MEF method/MPa	Referenced pressure^{［44―46］}/MPa
LiCl?KCl	1∶4	1.13	-0.270	7.73	4.63	5.17
LiCl?KCl	1∶4	1.71	-0.378	10.78	6.57	7.82
LiCl?KCl	1∶4	2.29	-0.521	12.15	9.48	10.59
LiCl?KCl	1∶4	2.89	-0.806	20.80	16.59	13.46
LiCl?KCl	1∶4	3.51	-0.919	25.48	19.88	16.42
LiCl?KCl	1∶4	4.13	-1.040	30.94	23.68	19.55
LiCl?KCl	1∶4	4.76	-1.113	30.67	26.13	22.82
LiCl?KCl	2∶3	1.13	-0.296	9.94	5.50	5.30
LiCl?KCl	2∶3	1.71	-0.506	16.14	10.10	8.11
LiCl?KCl	2∶3	2.29	-0.545	17.59	11.01	11.09
LiCl?KCl	2∶3	2.89	-0.792	22.55	17.44	14.23
LiCl?KCl	2∶3	3.50	-0.809	22.10	17.94	17.55
LiCl?KCl	2∶3	4.12	-0.844	24.73	18.95	21.10
LiCl?KCl	2∶3	4.75	-1.157	35.18	28.70	24.82
LiCl?KCl	3∶2	1.13	-0.327	7.51	6.63	5.44
LiCl?KCl	3∶2	1.70	-0.371	11.43	7.67	8.44
LiCl?KCl	3∶2	2.29	-0.572	13.64	12.73	11.67
LiCl?KCl	3∶2	2.88	-0.655	20.31	14.95	15.17
LiCl?KCl	3∶2	3.49	-0.742	20.81	17.31	18.92
LiCl?KCl	3∶2	4.10	-0.875	22.01	21.11	22.99
LiCl?KCl	3∶2	4.73	-1.185	32.23	30.63	27.35
LiCl?KCl	4∶1	1.13	-0.276	6.95	5.78	5.61
LiCl?KCl	4∶1	1.70	-0.326	8.24	7.11	8.81
LiCl?KCl	4∶1	2.29	-0.492	11.90	11.58	12.34
LiCl?KCl	4∶1	2.88	-0.719	19.43	17.92	16.24
LiCl?KCl	4∶1	3.48	-0.868	28.16	22.20	20.52
LiCl?KCl	4∶1	4.09	-1.034	26.05	27.08	25.23
LiCl?KCl	4∶1	4.71	-1.226	30.80	32.89	30.38
LiCl?NaCl	1∶4	1.12	-0.274	7.43	5.43	5.42
LiCl?NaCl	1∶4	1.69	-0.513	14.15	10.34	8.38
LiCl?NaCl	1∶4	2.27	-0.583	16.73	11.84	11.57
LiCl?NaCl	1∶4	2.86	-0.689	19.53	14.22	15.01
LiCl?NaCl	1∶4	3.45	-0.950	28.48	20.40	18.75
LiCl?NaCl	1∶4	4.06	-1.027	31.16	22.34	22.77
LiCl?NaCl	1∶4	4.66	-1.338	39.75	30.57	27.13
LiCl?NaCl	2∶3	1.12	-0.261	11.24	5.32	5.52
Solution	r	Molality/ （mol?kg^-1）	Membrane energy/（kJ?mol^-1）	Pressure from FS method/MPa	Pressure from MEF method/MPa	Referenced pressure^{［44―46］}/MPa
LiCl?NaCl	2∶3	1.69	-0.502	14.38	10.76	8.61
LiCl?NaCl	2∶3	2.27	-0.604	18.93	13.18	12.00
LiCl?NaCl	2∶3	2.86	-0.686	20.43	15.15	15.66
LiCl?NaCl	2∶3	3.46	-0.812	28.41	18.25	19.67
LiCl?NaCl	2∶3	4.06	-1.022	29.51	23.64	24.07
LiCl?NaCl	2∶3	4.67	-1.200	30.19	28.38	28.85
LiCl?NaCl	3∶2	1.12	-0.296	11.00	6.29	5.62
LiCl?NaCl	3∶2	1.70	-0.494	15.00	11.24	8.82
LiCl?NaCl	3∶2	2.28	-0.476	12.19	10.78	12.37
LiCl?NaCl	3∶2	2.86	-0.678	21.28	15.95	16.30
LiCl?NaCl	3∶2	3.46	-0.869	26.12	20.97	20.61
LiCl?NaCl	3∶2	4.07	-1.119	31.95	27.70	25.36
LiCl?NaCl	3∶2	4.68	-1.215	35.19	30.36	30.56
LiCl?NaCl	4∶1	1.13	-0.224	7.82	4.55	5.71
LiCl?NaCl	4∶1	1.70	-0.409	10.65	9.57	9.03
LiCl?NaCl	4∶1	2.28	-0.440	12.07	10.41	12.75
LiCl?NaCl	4∶1	2.87	-0.935	25.25	24.07	16.90
LiCl?NaCl	4∶1	3.47	-0.860	25.68	21.98	21.49
LiCl?NaCl	4∶1	4.07	-1.018	24.98	26.40	26.60
LiCl?NaCl	4∶1	4.69	-1.084	31.94	28.22	32.23
NaCl?KCl	1∶4	1.12	-0.282	9.00	4.66	5.10
NaCl?KCl	1∶4	1.69	-0.505	17.10	8.46	7.70
NaCl?KCl	1∶4	2.28	-0.478	14.66	7.94	10.36
NaCl?KCl	1∶4	2.86	-0.662	21.18	11.81	13.12
NaCl?KCl	1∶4	3.46	-0.777	24.48	14.64	15.96
NaCl?KCl	1∶4	4.06	-1.145	34.74	25.73	18.95
NaCl?KCl	1∶4	4.68	-1.249	37.30	29.42	22.01
NaCl?KCl	2∶3	1.13	-0.263	10.25	4.57	5.13
NaCl?KCl	2∶3	1.70	-0.542	16.49	9.44	7.76
NaCl?KCl	2∶3	2.28	-0.568	16.18	9.99	10.48
NaCl?KCl	2∶3	2.87	-0.750	23.77	14.08	13.30
NaCl?KCl	2∶3	3.47	-0.829	26.98	16.06	16.23
NaCl?KCl	2∶3	4.08	-0.923	29.60	18.61	19.30
NaCl?KCl	2∶3	4.71	-1.160	34.48	25.73	22.48
NaCl?KCl	3∶2	1.13	-0.284	7.54	5.07	5.18
NaCl?KCl	3∶2	1.70	-0.481	14.36	8.50	7.85
NaCl?KCl	3∶2	2.29	-0.568	16.58	10.23	10.63
NaCl?KCl	3∶2	2.88	-0.799	23.79	15.39	13.54
NaCl?KCl	3∶2	3.49	-0.866	25.25	17.06	16.58
NaCl?KCl	3∶2	4.08	-0.981	29.55	20.09	19.76
NaCl?KCl	3∶2	4.73	-1.154	34.85	25.06	23.15
NaCl?KCl	4∶1	1.13	-0.308	7.74	5.65	5.22
NaCl?KCl	4∶1	1.70	-0.392	13.18	7.11	7.95
NaCl?KCl	4∶1	2.29	-0.572	15.97	10.55	10.82
NaCl?KCl	4∶1	2.89	-0.684	17.87	12.90	13.82
NaCl?KCl	4∶1	3.49	-0.806	21.23	15.66	17.03
NaCl?KCl	4∶1	4.12	-0.897	28.55	17.84	20.39
NaCl?KCl	4∶1	4.76	-1.001	30.74	20.45	23.97
LiCl?NaCl?KCl	1∶1∶2	0.90	-0.282	9.00	5.17	4.39
LiCl?NaCl?KCl	1∶1∶2	1.36	-0.332	8.97	6.12	6.75
Solution	r	Molality/ （mol?kg^-1）	Membrane energy/（kJ?mol^-1）	Pressure from FS method/MPa	Pressure from MEF method/MPa	Referenced pressure^{［44―46］}/MPa
LiCl?NaCl?KCl	1∶1∶2	1.82	-0.455	11.78	8.61	9.21
LiCl?NaCl?KCl	1∶1∶2	2.29	-0.561	15.12	10.94	11.78
LiCl?NaCl?KCl	1∶1∶2	2.76	-0.709	20.41	14.50	14.42
LiCl?NaCl?KCl	1∶1∶2	3.24	-0.813	25.55	17.18	17.14
LiCl?NaCl?KCl	1∶1∶2	3.73	-0.909	26.39	19.84	19.96
LiCl?NaCl?KCl	1∶1∶2	4.22	-0.894	30.80	19.42	22.87
LiCl?NaCl?KCl	1∶1∶2	4.73	-1.202	32.89	28.77	25.85
LiCl?NaCl?KCl	1∶2∶1	0.90	-0.260	9.95	4.97	4.43
LiCl?NaCl?KCl	1∶2∶1	1.35	-0.307	8.22	5.89	6.83
LiCl?NaCl?KCl	1∶2∶1	1.81	-0.389	12.59	7.53	9.36
LiCl?NaCl?KCl	1∶2∶1	2.28	-0.643	17.73	13.13	12.00
LiCl?NaCl?KCl	1∶2∶1	2.75	-0.693	23.24	14.32	14.75
LiCl?NaCl?KCl	1∶2∶1	3.23	-0.859	26.71	18.47	17.58
LiCl?NaCl?KCl	1∶2∶1	3.71	-0.957	26.29	21.07	20.55
LiCl?NaCl?KCl	1∶2∶1	4.21	-0.952	28.65	20.92	23.59
LiCl?NaCl?KCl	1∶2∶1	4.70	-1.191	31.36	27.68	26.77
LiCl?NaCl?KCl	2∶1∶1	0.90	-0.246	7.44	4.82	4.51
LiCl?NaCl?KCl	2∶1∶1	1.35	-0.330	10.92	6.71	7.01
LiCl?NaCl?KCl	2∶1∶1	1.82	-0.360	11.20	7.40	9.66
LiCl?NaCl?KCl	2∶1∶1	2.28	-0.654	18.29	14.59	12.47
LiCl?NaCl?KCl	2∶1∶1	2.76	-0.708	22.02	15.98	15.42
LiCl?NaCl?KCl	2∶1∶1	3.23	-0.977	29.43	23.35	18.53
LiCl?NaCl?KCl	2∶1∶1	3.72	-0.851	24.05	19.82	21.78
LiCl?NaCl?KCl	2∶1∶1	4.21	-0.883	23.87	20.70	25.18
LiCl?NaCl?KCl	2∶1∶1	4.72	-1.090	28.52	26.60	28.74

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Solution	RMSE MD?FS（%）	RMSE MD?MEF（%）
LiCl?KCl?H₂O	7.9	2.6
LiCl?NaCl?H₂O	8.6	2.7
NaCl?KCl?H₂O	12.4	2.6
LiCl?NaCl?KCl?H₂O	6.8	2.0

Solution	RMSE MD?FS（%）	RMSE MD?MEF（%）
LiCl?KCl?H₂O	7.9	2.6
LiCl?NaCl?H₂O	8.6	2.7
NaCl?KCl?H₂O	12.4	2.6
LiCl?NaCl?KCl?H₂O	6.8	2.0