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Ice–Brine Dendritic Aggregate formed on Freezing of Aqueous Solutions

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

P. K. Rohatgi
Affiliation:
The International Nickel Company, Inc., Paul D. Merica Research Laboratory, Sterling Forest, Suffern, New York, U.S.A.
C. M. Adams Jr.
Affiliation:
Department of Metallurgy, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Dendritic aggregates of ice and brine formed upon freezing of aqueous solutions have been studied. Chlorides of sodium, potassium, lithium and hydrogen were used as solutes; structures produced on freezing of binary, ternary and quaternary solutions were examined. Effects of freezing rate, solute concentration, solute diffusivity, mixing of solutions and magnetic fields are reported.

The spacing between ice platelets or dendrites was found experimentally to be proportional to the square root of the freezing time when the freezing rate was constant from beginning to end of solidification. During unidirectional freezing from a constant temperature chill, the solution at each location is subjected to a spectrum of freezing rates; dendrite spacing increases linearly with distance from the chill surface and it is inversely proportional to the square root of the maximum freezing rate.

In binary solutions dendrite spacing increases linearly with solute concentration; above a critical solute concentration ice platelets develop side branches. Application of an external magnetic field has an effect similar to increasing concentration. At a given solute concentration, spacing between ice dendrites increases linearly with solute diffusivity.

In ternary and quaternary solutions dendrite spacing is a function of the concentrations and diffusivities of each of the constituent solutes.

Résumé

Résumé

Des aggregats dendritiques de glace et de saumure, formés lors du gel de solutions aqueuses, ont été étudiés. Des chlorures de sodium, potassium, lithium et hydrogène ont été utilisés comme sets; les structures, produites par le gel de solutions binaires, tertiaires et quaternaires, ont été examinées. Les effets de la vitesse de congélation, de la concentration de la solution, de la vitesse de diffusion du sel, du mélange des solutions et des champs magnétiques, sont donnés.

L’espacement entre les plaquettes de glace ou les dendrites s’est révélé expérimentalement être proportionnel à la racine carrée du temps de congélation lorsque la vitesse de congélation était constante du début à la fin de la solidification. Pendant une congélation unidirectionnelle par un abaissement de température constant, la solution en chaque point est sujette à un spectre de vitesses de congélation; l’espacement entre les dendrites augmente linéairement avec la distance de la surface de refroidissement et il est inversement proportionnel à la racine carrée du maximum de la vitesse de congélation.

Dans les solutions binaires, l’espacement entre les dendrites augmente linéairement avec la concentration; au-dessus d’une concentration critique, les plaquettes de glace développent des arborescences. L’application d’un champ magnétique externe a le même effet que l’augmentation de concentration. Pour une concentration donnée, l’espacement entre les dendrites de glace augmente linéairement avec la vitesse de diffusion de la solution.

Dans les solutions ternaires et quaternaires, l’espacement est une fonction des concentrations et des vitesses de diffusion de chacun des sels.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Dendritische Aggregate von Eis und Salzwasser, die beim Gefrieren von wässrigen Lösungen entstehen, wurden studiert. Als Lösungen wurden Chloride von Sodium, Potassium, Lithium und Wasserstoff benutzt. Froststrukturen von zweifachen, dreifachen und vierfachen Lösungen wurden untersucht. Es wird über den Einfluss der Gefriergeschwindigkeit, der Lösungskonzentration, des Diffusionsvermögens der Lösung, der Mischung von Iösungen und der Magnetfelder berichtet.

Der Zwischenraum zwischen Eisplättchen oder Dendriten wurde experimentell als proportional zur Wurzel aus der Gefrierzeit gefunden, wenn die Gefriergeschwindigkeit vom Beginn bis zum Abschluss der Verfestigung konstant war. Bei einseitig gerichtetem Gefrieren von einer konstanten Kältequelle aus ist die Lösung an jeder Stelle einem Spektrum von Gefriergeschwindigkeiten ausgesetzt; die Dendritenabstände wachsen linear mit dem Abstand von der Kältequelle und sind umgekehrt proportional zur Wurzel aus der maximalen Gefriergeschwindigkeit.

In zweifachen Lösungen wachsen die Dendritenabstände linear mit der Lösungskonzentration; über einer kritischen Lösungskonzentration entwickeln die Eisplättchen Seitenarme. Ein äusseres Magnetfeld wirkt sich ähnlich aus wie eine Steigerung der Konzentration. Bei fester Konzentration wächst der Dendriten-abstand linear mit dem Diffusionsvermögen der Lösung.

In drei- und vierfachen Lösungen ist der Dendritenabstand eine Funktion der Konzentration und des Diffusionsvermögens jeder der beteiligten Lösungen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1967
Figure 0

Fig. 1.Schematic representation of solute-concentration profile in the interdendritic liquid between two ice plates

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Fig. 2.Actual-temperature and liquidus-temperature distributions in the interdendritic liquid

Figure 2

Fig. 3.Variation in heat content of aqueous solutions with temperatures during solidification

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Fig. 4.Schematic representation of temperature profiles when an aqueous solution is brought into contact with a cold chill

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Fig. 5.Freezing rates of 1.oN potassium chloride solution versus fraction solid at different distances from a surface at −70°C. in contact with the solution

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Fig. 6.Charateristic parameters of a group of dendrites of ice with solute entrapped in between

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Fig. 7.Dendrite spacing as a function of the square root of the inverse freezing rate in droplets of four different solutions at a concentration level of 0.4 mole/l.

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Fig. 8.Transverse section of a unidirectional sample from a potassium chloride solution, 0.90 cm. from a −70°C. chill surface, × 23

Figure 8

Fig. 9.The same sample as in Figure 8, 3.2 cm. from the chilled surface, × 23

Figure 9

Fig. 10.Variation of dendrite spacing with distance in unidirectional samples of potassium chloride solutions at different concentration levels

Figure 10

Fig. 11.Dendrite spacing in 1.0N potassium chloride ingot as a jnrtction of the reciprocal of the square root of the maximan, freezirrg rote at different distances from the chill surface at −70°C.

Figure 11

Fig. 12.Variation of dendrite spacing with sahne diffusiuity in droplets containing 0.4 mole/l. of solute

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Fig. 13.Variation of dendrite spacing with solute diffusivity in unidirectional samples containing 0.2 mole/l. of solute

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Fig. 14.Variation of dendrite spacing and dendrite morphology with solute concentration in sodium chloride droplets

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Fig. 15.0.2N sodium chloride solution droplet. Freezing rate 0.36 min−1, × 23

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Fig. 16.3.0N sodium chloride solution droplet. Freezing rate 0.36 min−1, × 23

Figure 16

Fig. 17.Effects of additions of equal amounts of a second. solute on the dendrite spacings obtained with 0.1N sodium chloride and 0.1N lithium chloride solutions

Figure 17

Fig. 18.Effect of small additions of a second solute on dendrite spacings in unidirectional samples from 0.2N sodium chloride solutions

Figure 18

Fig. 19.Increase in dendrite spacing with tolal solute concentration in ternary solutions containing equal amounts of potassium chloride and sodium chloride