Разработка технологии и оборудования для изготовления мелкодисперсного кремнезема и исследование его адсорбционных свойств

В последнее время остро возникают задачи решения новых актуальных проблем в различных областях технологий в связи с их промышленным прорывом в сферу областей высоких технологий, в том числе, связанных с экологической и энергетической безопасностью. Для решения данных задач помимо поиска новых применений существующих материалов необходимо особое внимание уделить на разработку новых материалов с требуемыми свойствами.

Одной из актуальных областей в области материаловедения является исследование, разработка и создание новых материалов, способных решать задачи в области адсорбционного разделения и очистки веществ.

В последние десятилетия производство адсорбентов стало самостоятельной, быстро развивающейся отраслью промышленности. Направленность и эффективность адсорбционных процессов в значительной степени определяется структурой и природой пористых веществ, применяемых в качестве адсорбентов. При этом необходимо учитывать следующие главные параметры адсорбентов:

— высокая эффективность сорбционных свойств;

— низкая себестоимость адсорбента;

— возможность регенерации адсорбента, т. е. повторного использования;

— экологическая чистота.

Применение пористых материалов обычно осуществляется при фильтрации жидких и газовых потоков. Здесь можно рассматривать водоочистку для гражданского применения и очистку промышленных выбросов: индустриальные стоки и санитарная промышленная очистка (в комбинации с фильтрами для тонкой очистки). Не исключено применение в химической, нефтехимической промышленности: насадки адсорберов, каталитических покрытий для твердофазных катализаторов. Следует рассматривать также возможность применения в новых областях технологии: концентрация водорода для автомобильной промышленности, а также в качестве оптических рассеивающих и поглощающих и экранирующих покрытий.

Широко применяются в качестве адсорбентов материалы на основе кремнезема, в частности, силикагели. Эти материалы отличаются химической нейтральностью, экологической безопасностью, огромным изобилием и низкой стоимостью исходного материала. Однако известные адсорбенты на основе кремнезема имеют ряд ограничений и недостатков, не позволяющих в ряде случаев их использования. Наиболее характерными порошками этого класса являются аморфный диоксид кремния (аэросил) и силикагель. Размер частиц аморфного диоксида кремния составляет 1−40 нм, а силикагеля от 1 до 7 мм, что в ряде случаев затрудняет их использование. Силикагелю свойственна достаточно низкая десорбция, что затрудняет его многократное использование. Кроме того, процесс получения и грануляции частиц кремнезема по золь-гель технологии достаточно продолжителен и трудоемок.

В связи с этим, актуальным представляется поиск и разработка новых эффективных мелкодисперсных порошков кремнезема с новыми свойствами, обеспечивающими более высокую эффективность в областях их традиционного применения, а также расширение областей использования этих материалов.

Актуальность данной работы определяется также необходимостью разработки высокоэффективной технологии получения мелкодисперсного кремнезема с заданной структурой и свойствами, обеспечивающими необходимые адсорбционные параметры. Актуальным также представляется поиск новых применений полученных микропорошков с учетом возможности управления их физическими, оптическими свойствами.

Целью работы является разработка технологии и оборудования для изготовления мелкодисперсного кремнезема с заданными параметрами и свойствами и исследование его адсорбционных свойств.

В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:

— разработка методики и технологии изготовления мелкодисперсного кремнезема с заданными параметрами;

— разработка конструкции оборудования для эффективного производства мелкодисперсного кремнезема;

— разработка специальной конструкция пневмоакустического распылителя коллоидной дисперсии кремнезема, обеспечивающей возможность регулирования фракционного состава аэрозоля с минимизацией размерного разброса;

— исследование геометрических параметров и пористости структуры микропорошков кремнезема в зависимости от режимов их изготовленияподбор оптимальных методов контроля адсорбционных свойств мелкодисперсного кремнезема;

— исследование основных параметров и свойств мелкодисперсного кремнезема в качестве адсорбента;

— проведение сравнительного анализа свойств исследуемого материала с другими, широко известными и применяемыми адсорбентами с целью определения эффективности применения мелкодисперсного кремнезема в качестве адсорбента;

— исследование процесса регенерации пористого мелкодисперсного кремнезема;

— исследование некоторых возможных областей эффективного применения полученных порошков мелкодисперсного кремнезема.

Исследования параметров мелкодисперсных порошков кремнезема и их адсорбционных свойств проводились экспериментально-аналитическим методом с использованием современной контрольно-измерительной техники и оборудования и компьютерной обработки данных.

Научная новизна работы определяется совокупностью полученных в ней новых результатов.

1. Впервые разработана новая высокоэффективная технология изготовления мелкодисперсного порошка кремнезема с заданными параметрами и свойствами по золь-гель методу.

2. Результаты исследования геометрических параметров полученных микропорошков кремнезема, а также их структуры и пористости.

3. Результаты исследований адсорбционных свойств мелкодисперсных порошков кремнезема по отношению к газовым и жидким веществам в сравнении с традиционными аналогичными адсорбентами, в частности, с активированным углем и силикагелем.

4. Результаты исследований регенерации различных адсорбционных материалов.

5. Разработка конструкции промышленной установки для производства мелкодисперсного кремнезема с заданными параметрами, включающей оригинальную конструкцию пневмоакустического распылителя коллоидной дисперсии кремнезема.

6. Научно обоснованы результаты исследований по применению полученных мелкодисперсных порошков кремнезема в различных областях техники и производства.

В работе разработана новая высокоэффективная технология и оборудование для промышленного производства мелкодисперсного порошка кремнезема с заданными параметрами и свойствами. Обоснованы и даны рекомендации по использованию полученных порошков кремнезема в качестве эффективных адсорбентов целого ряда веществ газовой и жидкой фазы.

Выполненная работа открывает перспективу массового производства мелкодисперсных порошков кремнезема и их эффективного использования в качестве адсорбентов и в качестве оптических и экранирующих покрытий.

Разработанный технологический процесс и специализированное технологическое оборудование для изготовления мелкодисперсных порошков кремнезема нашли практическое применение в ОАО «Московский завод «Сапфир» при производстве опытных и мелкосерийных партий микропорошков кремнезема по заказам различных предприятий.

Подписано соглашение о проведении испытаний по применению мелкодисперсного кремнезема в качестве адсорбента в индивидуальных средствах защиты органов дыхательной системы.

Полученный продукт в настоящее время исследуется компанией «Foxconn» для применения в качестве светорассеивающего покрытия в производстве дисплейных панелей.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

— Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (Египет — 2006);

— Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (Турция — 2007);

Всероссийской научно-технической конференции «Пьезо-2008» (Москва — 2008);

Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» (Тунис — 2008);

— научных конференциях и семинарах Гомельского государственного университета имени Франциска Скорины и Московского государственного университета приборостроения и информатики.

Основные результаты, представляемые к защите:

— технологический процесс изготовления мелкодисперсных порошков кремнезема с заданными параметрами и свойствами;

— разработка конструкции промышленной установки для изготовления мелкодисперсных порошков кремнеземаразработка специальной конструкция пневмоакустического распылителя коллоидной дисперсии кремнезема, обеспечивающей возможность регулирования фракционного состава аэрозоля с минимизацией размерного разбросарезультаты исследований структуры и геометрических параметров полученных микропорошков кремнезема.

— результаты исследований основных параметров и свойств мелкодисперсного кремнезема в качестве адсорбента: пористую структуру, поглотительную способность к различным веществам;

— результаты исследований регенерации различных адсорбционных материалов;

— результаты исследований по применению полученных мелкодисперсных порошков кремнезема в различных областях техники и производства.

Результаты исследования указывают на то, что из названных сорбентов лучше всего поглощают воду порошки кремнеия с размером частиц от 50 до 100 мкм. По сравнению с активированным углем и микропорошками группы В он поглотил почти в два раза больше воды. Наименьшие показатели относительной адсорбирующей способности имеют селикагели.

Итак, анализ полученных данных указывает на то, что лучше всего адсорбирует деионизованную воду мелкодисперсный кремнезем с размером частиц от 50 до 100 мкм (средняя величина относительной адсорбирующей способности 4,4 мг/г). Более низкие показатели имеют микропорошки с размерами частиц меньше 50 мкм, их средняя величина относительной адсорбирующей способности равна 3,80 мг/г. Далее — порошки кремния с размерами частиц больше 100 мкм, средняя величина относительной адсорбирующей способности которых равна 3,40 мг/г. Микропорошки группы В и активированный уголь адсорбируют практически на одинаковом уровне, их средние величины относительной адсорбирующей способности составляют 2,75 мг/г и 2,65 мг/г соответственно. Самый низкий показатель у силикагеля — средняя величина относительной адсорбирующей способности всего лишь 0,30 мг/г.

4.1.3. Поглощение спирта.

В целях более детального исследования адсорбирующих свойств микропорошков нами был рассмотрен процесс поглощения ими спирта. В качестве спиртосодержащего вещества использовался растворитель бытовой, с содержанием этилового спирта не менее 93%. В качестве образцов был взят мелкодисперсный кремнезем:

— с размером частиц менее 50 мкм;

— с размером частиц от 50 до 100 мкм;

— с размером частиц более 100 мкм.

Для более точного определения уровня адсорбирующей способности мелкодисперсного кремнезема в работе использовались и другие сорбенты: активированный уголь, силикагель и микропорошки группы В, полученные путем измельчения ксерогеля.

Эксперимент проводился с помощью безрычажных электронных весов модели ВБЭ — 3 кг и лабораторных аналитических весов модели BJIP — 20 г.

Исследование проходило аналогичным способом, как и с деионизованной водой: сравнивались микропорошки с разными размерами частиц (меньше 50 мкм, от 50 до 100 мкм, более 100 мкм), активированный уголь, силикагель и микропорошки группы В. Количество сорбентов бралось одинаковое по весу, равное 0,5 г. Взвешивание микропорошков производилось на электронных весах ВБЭ — 3 кг. Результаты исследования отражены в таблице 4.4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По итогам проделанной работы были получены следующие результаты:

1. Разработана методика и технология изготовления мелкодисперсного кремнезема с заданными параметрами.

2. Разработана конструкция промышленной установки для эффективного производства мелкодисперсного кремнезема.

3. Разработана специальная конструкция пневмоакустического распылителя коллоидной дисперсии кремнезема, обеспечивающая возможность регулирования фракционного состава аэрозоля с минимизацией размерного разброса.

4. Показана зависимость геометрических параметров и пористости структуры микропорошков кремнезема в зависимости от режимов их изготовления.

5. Обоснован методический подход в оценке адсорбционных свойств мелкодисперсного кремнезема.

6. Установлена более высокая эффективность адсорбционных свойств исследуемого материала по сравнению с другими, широко известными и применяемыми адсорбентами.

7. На основании анализа регенерации различных пористых адсорбционных материалов показана высокая эффективность десорбционных свойств исследуемых микропорошков кремнезема.

8. Предложены некоторые новые области эффективного применения полученных порошков мелкодисперсного кремнезема.