СУШКА ГИДРОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Условия сушки гидроксидов оказывают значительное влияние на формирования их пористой структуры. При этом установлено, что формируемая пористая структура гидроксидов металлов зависит от формы, дисперсности частиц и степени их гидратации.

Гидроксиды, частицы которых имеют шарообразную форму, сильно гидратированы, очень чувствительны к изменению поверхностного натяжения интермицеллярной жидкости. И, наоборот, гидроксиды с частицами иглообразной, пластинчатой и нитевидной форм гидратированы лишь по отдельным участкам поверхности, что создает благоприятные условия для их взаимодействия друг с другом, образования агрегатов частиц и формирования на их основе структуры, оказывающей противодействие силам капиллярной контракции. В этом случае на структуру образцов в процессе их сушки действуют два фактора, частично нейтрализующих влияние поверхностного натяжения интермицеллярной жидкости на формирование пористости. Один из них направлен на образование механически прочного каркаса гидроксида, а другой связан с образованием более крупнопористой структуры.

При этом процесс структурообразования гидроксидов зависит от температуры их сушки [324, 325], т.е. с ростом температуры сушки структурообразующее действие капиллярных сил снижается вследствие уменьшения поверхностного натяжения интермицеллярной жидкости.

В связи с этим представляет интерес изучить процесс сушки гидроксидов в условиях, исключающих перепад температур, по объему высушиваемого образца. Известно, что при обычной сушке температура поверхности высушиваемого образца выше, чем в его объеме, и эта разница растет с увеличением размера гранул образца. Естественно, что данное различие температур не может не сказываться на характере формируемой структуры. Для подтверждения сказанного нами была изучена сушка образца гидроксида железа в виде шариков с диаметром 1,0 см. После высушивания образца при комнатной температуре с поверхности шарика был снят миллиметровый слой вещества и изучены его адсорбционноструктурные характеристики. Аналогичные исследования проведены и с образцом гидроксида, взятого из центра шарика.

Полученные результаты, представленные в таблице 5.2, показывают, что сорбционная емкость поглощения пробы образца из внутренней части шарика выше, чем у пробы вблизи внешней поверхности, т.е. внутри шара при сушке формируется более крупнопористая структура. Чтобы исключить эти различия, было принято решение сушку образцов гидроксидов проводить под воздействием микроволнового излучения в печи СВЧ ( частота 2,45 ГГц, мощность 800Вт).

Микроволновая сушка имеет ряд преимуществ перед обычным методом нагрева конденсированных сред (твердых сред, жидкостей), к числу которых относится быстрота и низкая инерционность нагрева материала по всему объему, возможность избирательного нагрева компонентов смеси веществ и высокий коэффициент полезного действия.

Особенностью такой сушки образцов является то, что она обеспечивает равные условия для формирования их пористости, в результате чего структурные параметры, параметры внутренней и внешней частей шарика практически идентичны (рисунок 5.3, кривые 3,4).

Сушка гидроксидов металлов в печи СВЧ была проведена на образцах гидроксидов железа и магния, полученных из 10 и 20%-ных солевых растворов, отмытых от солей и гранулированных в виде цилиндрических гранул. Сушку полученных образцов проводили при 20, 40, 80 °С и в печи СВЧ. Продолжительность сушки в печи для всех образцов независимо от их природы и структуры была равна 30 мин.

Результаты адсорбционно-структурных исследований образцов, высушенных при комнатной температуре и в печи СВЧ, показывают, что емкость поглощения гидроксидов, полученных из различных концентраций солевого раствора, увеличивается независимо от метода сушки.

У5,см3

Изотермы сорбции паров ССЦна гидроксиде железа

Рис. 5.3. Изотермы сорбции паров ССЦна гидроксиде железа: 1,2- внешняя и центральная части шарика, высушенного при 20°С; 3,4 - внешняя и центральная части шарика, высушенного в печи СВЧ

Разница состоит лишь в том, что гидроксиды, высушенные при комнатной температуре, по сравнению с образцами, высушенными в печи СВЧ, обладают более низкими структурными характеристиками (таблица

5.2, рисунок 5.4).

Причина этого, как мы уже отмечали, заключается в том, что при сушке гидроксидов токами высокой частоты нагрев их происходит по всему объему при интенсивном перемещении влаги к поверхности образца, что предотвращает уплотнение структуры его внешнего слоя.

Эффект сушки образцов токами высокой частоты, как видно из таблицы, снижается по мере роста концентрации раствора, из которого получен гидроксид.

Так, например, если сорбционный объем и удельная поверхность гидроксида магния, полученного из 10% -ного раствора хлорида магния, высушенного при 20°С, изменяются с 0,305см3/ г и 65м2/г , а для образца, высушенного в печи СВЧ, - с 0,461 см3/г до 130м2/г, то для гидроксида магния, полученного из 20%-ного раствора и высушенного в аналогичных условиях, структурные параметры изменяются в меньшей степени: с 0,310см3 /г и 81 м“ /г до 0,410 см3 /г и 21 Ом2 /г соответственно.

Аналогичная закономерность в изменении У8 и 8уд образцов наблюдается и при синтезе гидроксидов железа из растворов солей различных концентраций.

Изотермы сорбции паров СС1 образцами гидроксидов магния (а,б) и железа (в,г). Номера изотерм соответствуют номерам образцов таблицы

Рис. 5.4. Изотермы сорбции паров СС14 образцами гидроксидов магния (а,б) и железа (в,г). Номера изотерм соответствуют номерам образцов таблицы

Отмеченный характер изменения пористости образцов, полученных из растворов с различной концентрацией солей, обусловлен, по-видимому, тем, что гидроксиды, синтезированные из более концентрированных растворов, обладают крупнопористой структурой, которая, как известно, подвержена меньшим структурным изменениям под действием сил капиллярной контракции независимо от условий их сушки.

Безусловно, на формирование структуры и ее изменения в процессе сушки оказывает влияние форма частиц гидроксида.

Хорошо известно, что коллоидные частицы иглообразной, пластинчатой, и палочкообразной формы вследствие более низкой гидратации острия игл и ребер легко вступают во взаимодействие при столкновении с образованием прочного структурного каркаса. С ростом концентрации раствора вероятность таких результативных встреч частиц увеличивается, а соответственно, возрастает и степень их взаимодействия. В результате формируются более крупнопористые по сравнению с гидроксидом алюминия образцы, структура которых сформирована из частиц шарообразной формы с хорошо развитой гидратной оболочкой, предотвращающей их взаимодействие [325]. При сушке гидроксида алюминия вследствие скольжения частиц друг относительно друга формируются образцы с достаточно мелкопористой структурой.

Таким образом, структура пористого материала зависит от многих факторов, каждый из которых проявляет себя или на стадии получения гидроксида, или при его сушке. Этим не исключается, что в определенных случаях каждый из них принимает участие в формировании структуры адсорбента на протяжении всего технологического цикла его получения.

Поэтому для управления процессом структурообразования пористых материалов необходимо учитывать особенности получаемых гидроксидов и их поведение в процессе сушки. Это позволит максимально использовать возможности исходных компонентов при получении адсорбентов и катализаторов с заранее заданной пористой структурой.

Структура получаемых адсорбентов и катализаторов, как показано в работах [64, 182, 326], зависит и от поверхностного натяжения интермицеллярной жидкости, ультразвуковой обработки [75, 135, 327], температуры осаждения [74] и т.д. Наряду с этим хотелось бы отметить, что сушка образцов в микроволновом поле существенно отличается от обычной сушки гидроксидов.

Отличие данного метода от других состоит в том, что нагрев влажного материала происходит достаточно интенсивно, в связи с чем скорость испарения во много раз превышает скорость переноса пара внутри пористого тела.

Внутри высушиваемого тела возникает избыточное давление, которое в центре высушиваемого образца больше, чем на поверхности. Причина этого обусловлена более высокой температурой центральных слоев тела по сравнению с температурой вблизи и на поверхности. В результате этого возникает градиент давления, выполняющий роль движущей силы при переносе пара в процессе сушки.

Такой механизм переноса пара внутри высушиваемого материала -залог формирования однообразной пористой структуры по всему его объему, т.е. этот метод сушки позволяет стандартизировать синтез адсорбентов и катализаторов с заданными структурными параметрами. Исходя из результата сушки при микроволновом воздействии напрашивается вопрос: насколько правомерно высказывание многих ученых о бутылкообразной форме пор и могут ли такие поры формироваться при осаждении гидроксидов или это результат их образования в процессе сушки?

Ответ однозначен: процесс сушки гидроксидов - источник формирования колбообразных пор, подтверждением наличия которых является петля гистерезиса между адсорбционной и десорбционной ветвями изотерм. Сушка гидроксидов в результате снижения поверхностного натяжения интермицеллярной жидкости сужает петлю гистерезиса. При широкой петле гистерезиса кривая распределения объема пор по радиусам всецело зависит от размера горл пор, выступающих основной характеристикой структуры пористого тела.

Таблица 5.2

Структурные параметры изученных образцов

п.п.

Образец

Конц.,

%

Условия сушки, °С

К,

см/г

Зуд,

м2

1

Ре(ОН)3 Внешние слои

10

20

0,159

48

2

Ре(ОН)3 Центр шарика

10

20

0,258

53

3

Ре(ОН)3 Внешние слои

10

СВЧ

0,410

129

4

Ре(ОН)3 Центр шарика

10

СВЧ

0,409

131

5

Мё(ОН)2

10

20

0,305

65

6

Мё(ОН)2

10

40

0,350

120

7

Мё(ОН)2

10

80

0,420

131

8

Мё(ОН)2

10

СВЧ

0,461

132

9

Мё(ОН)2

20

20

0,310

81

10

Мё(ОН)2

20

40

0,350

129

11

Мё(ОН)2

20

СВЧ

0,410

210

12

Ре(ОН)з

10

20

0,201

89

13

Ре(ОН)3

10

40

0,260

102

14

Ре(ОН)3

10

80

0,335

135

15

Ре(ОН)3

10

СВЧ

0,390

141

16

Ре(ОН)3

20

20

0,230

93

17

Ре(ОН)3

20

40

0,270

ПО

18

Ре(ОН)3

20

80

0,370

148

19

Ре(ОН)3

20

СВЧ

0,410

141

При этом равные объемы и радиусы горл пор независимо от размеров самих пор при достижении относительного давления паров адсорбата ниже равновесного одновременно освобождаются от конденсата. Геометрические размеры горл пор - параметр, который в первую очередь необходимо учитывать при практическом использовании пористых тел.

Это обусловлено тем, что узкая часть поры определяет все диффузионные процессы, а соответственно, скорость и результативность протекающих адсорбционных и особенно каталитических реакций.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >