Химия и химические технологии /6. Орагническая химия

Сырманова К.К., Калдыбекова Ж.Б., Сакибаева С.А.,

Тасанбаева Н.Е., Еркебаева Г.Ш., Карабаев Ж.А.

Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова, Казахстан

ФОРМИРОВАНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ВЕРМИКУЛИТОВОГО СОРБЕНТА

При производстве пористых адсорбентов одной из основных задач является создание высокой пористости, характеризующейся также однородностью распределения пор по объему слоя. Эти требования определяют способ и параметры процесса формования, а также тип пористой структуры и свойства изделий. Обеспечение оптимальных режимов процессов поризации и достижение необходимых геометрических характеристик адсорбционного слоя требует понимания особенностей формирования структуры слоя и теоретического описания этого процесса.

Одним из наиболее широко распространенных способов является вспучивание. Этот способ поризации основан на выделении в пластично-вязкой массе или введении в нее газовой фазы. В результате насыщения массы газовой фазой увеличивается ее объем – происходит вспучивание (вспенивание). При вспучивании формируется ячеистая пористая структура, общий объем пористости которой зависит от количества введенного и удержанного массой газообразного компонента. Решающее влияние на показатели пористой структуры оказывают реологические характеристики пористых масс. Общим для всех разновидностей вспучивания является пластично-вязкое состояние поризуемых масс в период их поризации/2/.

Существует единственный материал, вспучивание которого происходит без его перехода в пластично-вязкое (пиропластическое) состояние – вермикулит. При этом образуется пластинчатая пористость за счет раздвижки пластинок слюды межпакетной водой, переходящей в парообразное состояние при нагревании частиц вермикулита до высоких температур.

Описание структуры пористого материала на основе вермикулита требует применения динамических моделей, включающих стадии парообразования в межпакетном пространстве и переориентации слюдяных элементов под воздействием давления образующегося пара /1/. Поэтому для вермикулита временную эволюцию пористости материала при вспучивании можно описывать логистической функцией типа:

, (1)

где - начальная пористость до процесса вспучивания;

- «ресурс» пористости, обусловленный переориентацией, раздвижкой и короблением пластинок слюды;

-характерное время интенсивного вспучивания, определяющееся интенсивностью теплового режима.

Основной вопрос сводится к определению двух характеристик слоя: минимальной поверхности адсорбции , которая связана с пористостью слоя, и фрактальной размерности , которая зависит от размера и способа укладки гранул. Фрактальная размерность кластера определяется физико-химическими характеристиками и условиями образования пористого слоя. Оценку фрактальной размерности вспученного вермикулита определяем из условия завершения процесса вспучивания: :

. (2)

В результате получаем:

. (3)

В целом образующийся пористый слой представляет собой кластер, характеризуется двумя параметрами: средним радиусом развитой адсорбции и шириной активной зоны . При больших числах составляющих слой частиц из фрактальной теории следует соотношение (4):

, (4)

где - показатель, зависящий от характерной длины.

Соответствующее выражение для ширины активной зоны также дается фрактальной теорией как среднее расстояние между ветвями кластера (5):

, (5)

где - показатель внутренней анизотропии слоя адсорбента.

Фрактальная размерность кластера определяется физико-химическими характеристиками и условиями образования пористого слоя. Параметры: - критический показатель и степень анизотропии могут зависеть как от физико-химических характеристик взаимодействующих веществ, так и от геометрических характеристик слоя. В качестве глобальной характерной длины может быть использована толщина слоя адсорбента.

Изложенная в работе модель обладает достаточной общностью и может быть использована как при организации систематических экспериментальных исследований процессов поризации и адсорбции в высокопористых адсорбционных слоях, так и при оптимизации режимов поризации адсорбентов.

На основании полученных результатов разработана теория вспучивания слюдяных природных материалов на примере Кулантауского вермикулита. Высокие адсорбционные и ионообменные свойства, лёгкость получения модифицированных, в том числе и органоминеральных форм, относительно хорошая кислото - и щелочеустойчивость обуславливают широкое применение и устойчивый интерес к исследованиям структуры и свойств материалов на основе вермикулита Имеются месторождения вермикулита и в нашей республике( Иирсу, Кулантау, Жыланды и др.)/3/. Потребность Республики Казахстан в вермикулите может составить десятки тысяч тонн в год, благодаря широкому спектру применения. Благоприятны на будущее и возможности экспорта вермикулита. Цены на вермикулит на мировом рынке интенсивно растут, что можно объяснить как выработкой участков с наиболее богатыми и высококачественными рудами, так и возникновением новых направлений применения вермикулита в различных отраслях производства.

Разработаны математические модели структуры слоев вспученного вермикулита, движения жидкости через слои пористого вермикулита и методика расчета эффективности адсорбции.

Экспериментально установлена адсорбционная способность слоя вспученного вермикулита по широкому классу веществ.

Промышленные испытания вспученного Кулантауского вермикулита показали эффективность использования адсорбента, который повышается за счет увеличения сорбционной емкости вспученного вермикулита, возможности эффективного использования его для адсорбционной очистки растительного масла взамен дорогостоящих импортных отбеливающих глин, возможности регенерирования адсорбента без его выгрузки, стабильности качества очищенного растительного масла, а также компактности аппарата, что сокращает капитальные затраты и эксплуатационные расходы.

Литература

1. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость.М., Мир, 1970.-407с.

2. Aharoni.Ch. and M.J.B.Evans, Fundamentals of Adsorption, Proc. IYth. Conf., Kyoto,1992)17.

3. Поляков В.В.,Клименко П.Л. Результаты поисково - разведочных работ на вермикулит в Южном Казахстане // Исследование и применение вермикулита. –Л:Наука, 1999г.-с.44-49