Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

Проявление электрокинетических свойств суспензиями продуктов органического синтеза при их разделении на фильтрующей перегородке

Орехов В.С. 1 Леонтьева А.И. 1
1 ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», Тамбов
Проведен анализ электрокинетических свойств суспензий органических веществ и представлена классификация их частиц на гидрофильность и гидрофобность размером 40–935 мкм, распределенных в жидкой фазе, содержащей растворитель (вода) и растворенные соли и кислоты, образующие растворы электролитов. Определены заместители в химической структуре органических твердых частиц формирующие гидрофильные, гидрофобные свойства. Исследован ионный состав жидкой фазы, дана характеристика двойного электрического слоя, формируемого в результате координации отрицательных ионов вокруг частиц органического вещества. Оценено влияние гидрофильных, гидрофобных свойств и ионного состава жидкой фазы суспензии на время процесса фильтрации и конечную влажность сформированного осадка. Предложенные зависимости и значения эмпирических коэффициентов, учитывающих влияние на процесс фильтрования специфических свойств суспензий органических продуктов, наличие в молекуле целевого вещества гидрофильных и гидрофобных заместителей, ионный состав жидкой фазы, размер частиц, позволят более точно определить время процесса фильтрования и концентрацию целевого вещества
суспензия
органические продукты
твердая фаза
жидкая фаза
гидрофильность
гидрофобность
ионы
двойной электрический слой
фильтрование
1. Акселеруд Г.А., Лысянский В.М. Экстрагирование (система твердое – тело жидкость). – Л.: Химия, 1974. – 256 с.
2. А.с. № 710583 СССР Способ промывки осадка на фильтрующих аппаратах.
3. Дебай П. Полярные молекулы. – М.-Л.: ОНТИ, 1971 – 176 с.
4. Жужиков В.А. Фильтрование. – М.: Химия, 1980. – 400 с.
5. Лукомской Ю.Я., Гамбург Ю.Д. Физико-химические основы электрохимии: учебник. – М.: Издательский дом «Интеллект», 2008. – 424 с.
6. Малиновская Т.А., Каринский И.А., Кирсанов О.С. Разделение суспензий в промышленности органического синтеза. – М.: Химия, 1983 – 264 с.
7. Миказан П.С., Ранкис Г.Ж. Основы электродинамики. – Рига: Звайгзне, 1967 – 182 c.
8. Салем Р.Р. Теория двойного электрического слоя. – М.: Физматлит, 2003. – 104 с.
9. Хейфец Л.И., Неймарк А.В. Многофазные процессы в пористых средах. – М.: Химия, 1982.

Выпускная форма азопигментов и аминосоединений (полупродуктов азопигментов) - это тонкодисперсный порошкообразный продукт с максимальной концентрацией целевого вещества и минимальным содержанием примесей.

Для получения азопигментов и их полупродуктов с требуемыми характеристиками качества необходимо выделить целевой компонент (твердая фаза) из суспензии при минимальной концентрации жидкой фазы содержащей растворенные примеси и термически обезводить очищенную пасту.

Основное количество водорастворимых примесей из азопигментов и их полупродуктов удаляется при разделении суспензии (фильтрования, центрифугирования) и при отмывке полученных осадков твердой фазы на фильтре или центрифуге или репульпацией.

В качестве оборудования для разделения тонкодисперсных суспензий в химической промышленности используются фильтры. Основополагающими при оценке кинетики процесса фильтрования являются физические свойства твердой фазы суспензии (дисперсный состав, размер частиц, их форма и плотность) и вязкость жидкой фазы. При фильтровании суспензий, содержащих тонкодисперсные частицы, образуется осадок с высоким сопротивлением roc/Rn > 103, и уравнение для расчета времени фильтрования имеет вид [4]:

 (1)

где μ - динамическая вязкость жидкой фазы суспензии, спи; Rп - сопротивление фильтровальной перегородки, м-2; l - высота слоя осадка, м; - разность давлений до и после фильтровальной перегородки, атм.; х - отношение объема осадка к объему фильтрата; roc - удельное сопротивление слоя осадка, м-2.

Величины: удельное сопротивление слоя осадка, вязкость жидкой фазы, концентрация твердых частиц в суспензии определяются экспериментально. На воронке Бюхнера были получены значения удельного сопротивления слоя осадка и время процесса фильтрования для продуктов и полупродуктов органического синтеза.

В табл. 1 приведены результаты по кинетике процесса фильтрования продуктов органического синтеза, полученные расчетным (уравнение (1)) и экспериментальным путем.

Таблица 1

Время фильтрации суспензий органических продуктов, полученных расчетным и экспериментальным путем

№ п/п

Наименование органических продуктов

Время фильтрации, расчетное, τрас, мин

Время фильтрации непосредственно замеренное, мин

Относительная погрешность

τэкс;1

τэкс;2

τэкс;3

δ(1)

δ(2)

δ(3)

1

Гамма-кислота

26,91

32,20

31,21

31,33

19,64

17,57

16,41

2

Р-соль

24,98

34,14

33,30

34,04

34,67

33,29

34,16

3

Г-соль

27,55

31,84

31,81

32,69

15,59

15,46

18,64

4

Нитродиазоксид

22,73

29,80

30,48

29,90

31,08

34,12

31,56

5

1/4 - толил-3-метил-5-пиразолон

12,69

15,26

14,96

14,66

20,26

17,91

15,50

6

1/4 сульфофенил-3-метил-5-пиразолон

11,33

13,46

13,58

13,06

18,80

19,86

15,25

7

4-толуидин-3-сульфонат натрия

10,14

11,25

11,41

11,47

10,97

12,49

13,13

8

ПФД

19,53

22,28

22,03

22,11

14,07

12,79

13,21

9

2,4 - ДНХБ

6,80

7,61

7,73

7,69

11,96

13,70

13,04

Примечание. τэкс;1 , τэкс;2 , τэкс;3 - время параллельных опытов процесса фильтрования суспензий органических продуктов.

Относительная погрешность по времени процесса фильтрования, приведенная в табл. 1, составляет от 10 до 35%.

Суспензии органических продуктов представляют собой полуколлоидные системы с содержанием частиц твердой фазы 6-10%, склонных к формированию агрегатов, а при наложении физико-механического воздействия к их распаду. В суспензиях ионы и растворенные вещества сорбируются на поверхности твердых частиц [2, 6]. Концентрация твердых частиц органических продуктов и примесей, в жидкой фазе изменяется в пределах 3-10% (табл. 2).

Вещества, находящиеся в жидкой фазе в виде ионов, адсорбируются на поверхности твердых частиц целевого вещества (Ван-дер-ваальсовы силы, адсорбция или хемосорбция), образуя двойной электрический слой (ДЭС) [8]. Сместить равновесие в сторону десорбции можно, увеличив температуру суспензии [1, 4] или повысив разность концентраций ΔС растворенных веществ в растворителе на поверхности частицы (на границе раздела фаз) и в объеме [6, 9].

Степень гидрофильности и сорбционной активности поверхности частиц органических продуктов зависит от полярности их молекул и электролитических свойств жидкой фазы [5]. Так, при наличии в молекуле органического вещества радикалов ОН, СООН, СО, СОН, CONH, SO3H, NH2, частица обладает гидрофильными свойствами, (каждая группа ОН связывает от 1 до 3 молекул воды, группа СООН от 3 до 4 молекул, группы СО и СОН - 2 молекулы, а группа CONH - 1 молекулу воды), а радикалы предельных углеводородов формируют гидрофобные свойства. Двойная связь также формирует гидрофобные свойства [3].

Большинство из рассматриваемых органических продуктов имеют тонкодисперсные частицы размером в несколько микрон и, следовательно, несут на себе электрический заряд относительно окружающей их жидкости [9]. Заряд этот обусловлен избирательной сорбцией отрицательно заряженных ионов из дисперсионной среды или диссоциацией молекул, образующих частицы. Так как суспензия электрически нейтральна, то в дисперсной среде должны быть заряды противоположного знака, компенсирующие заряды твердых частиц и расположенные в непосредственной близости от их поверхности.

Способность противоионов гидратировать формирует толщину гидратной оболочки, при этом ионы Li+, Cl¯ и Na+ гидратируются больше, чем К+ и . Наличие в жидкой фазе этих ионов приводит к образованию гидрофилизации поверхности твердых частиц и, следовательно, к снижению скорости процессов фильтрования и промывки (см. табл. 1).

Зависимостей, учитывающих влияние процессов адсорбции и десорбции, адгезии, когезии на кинетику процессов разделения (фильтрования) и очистки (репульпация, отмывка на фильтрах, декантация), нет. Можно перечислить основные факторы, влияющие на процессы адсорбции и адгезии:

  1. полярность молекул твердых частиц и наличие в химической формуле заместителей, придающих соединению гидрофильные или гидрофобные свойства;
  2. наличие в жидкой фазе растворенных веществ, обладающих свойствами электролита;
  3. наличие ионов, способных гидратироваться на поверхности твердых частиц целевого компонента.

Фактором, определяющим силу электрокинетического воздействия на процессы фильтрования и отмывки, является размер твердых частиц. Чем мельче частицы и, следовательно, больше их удельная поверхность (достигающая 105-107 м23), тем в большей степени проявляется действие поверхностных и электрокинетических сил и снижается пропускная способность жидкости порами осадка.

Рассматриваемый ряд органических продуктов характеризуется большим разбросом размера частиц целевого компонента, при этом средний размер частиц для рассматриваемого диапазона колеблется от 40 до 935 мкм.

Таблица 2

Физико-химические свойства суспензий органических продуктов и время их фильтрования

Из анализа данных табл. 2 видно, что наличие гидрофильных заместителей ОН, SO3H в молекулах органического вещества, большого количества ионов хлора в жидкой фазе и тонкодисперсной твердой фазы способствует продолжительному времени фильтрования (суспензия Р-соли - 25,38 мин; содержание ионов водорастворимых примесей - Na+ = 6,27%, Cl- = 6,67% Р-соли, средний размер частиц 97 мкм), а наличие гидрофобных заместителей (у 2,4 - ДНХБ) и несмотря на присутствие большого количества ионов = 3,16%, = 22,4%, H+ = 0,52% при среднем размере частиц 350 мкм снижает время фильтрования до 6,45 мин.

Определить влияние каждого из вышеперечисленных факторов процесса фильтрования на конечную влажность продукта и время процесса затруднительно.

С учетом всего вышесказанного расчетную зависимость для определения времени процесса фильтрования тонкодисперсной суспензии органических продуктов можно представить в следующем виде:

(2)

Зависимость для расчета величины конечной влажности осадка (при τфил) можно записать в виде выражения:

 (3)

где ‒ начальная концентрация твердого вещества в суспензии, кг/м3; - концентрация водорастворимых примесей в суспензии органических продуктов; кг/м3; k1-k10 - степенные коэффициенты; C1 - коэффициент, учитывающий вязкость жидкой фазы суспензии и сопротивление фильтрующей перегородки; C2 - коэффициент, учитывающий вязкость жидкой фазы суспензии, удельное сопротивление слоя осадка и сопротивление фильтрующей перегородки; Fфил - площадь поверхности фильтрования, м2; Vсус - объем суспензии, м3.

Для оценки влияния вышеперечисленных параметров на скорость процесса фильтрования были выполнены исследования кинетики процесса фильтрования суспензий Р-соли, нитродиазоксида и 4-толуидин-3-сульфонат натрия, результаты которой представлены на рисунке.

Изменение концентрации твердой фазы при фильтровании суспензии органических продуктов: 1 - кривая фильтрования суспензии 4-толуидин-3-сульфонат натрия; 2 - кривая фильтрования суспензии нитродиазаксида; 3 - кривая фильтрования суспензии Р-соли

Из анализа графической зависимости (см. рисунок) установлено, что влияние начальной концентрации твердой фазы в суспензии на скорость процесса фильтрации незначительно и им можно пренебречь., так за первые 40 с фильтрования концентрация твердого вещества в фильтре увеличивается в 3,5-6 раз, при этом этот промежуток времени составляет от 2,7 до 7,1% от всего времени процесса фильтрования.

Влияние таких параметров, как давление фильтрования (ΔP) и коэффициент сжимаемости осадка (S), оценено в работах [7, 22] и экспериментально установлено, что для сжимаемых осадков при S = 0,1...0,95 зависимость для определения времени фильтрования выглядит следующим образом:

 (4)

Тогда зависимость (3) с учетом уравнения (4) и принятым допущением отсутствия влияния начальной концентрации твердой фазы в суспензии () на время процесса фильтрования примет вид:

 (5)

Время фильтрования суспензий органических продуктов по предложенной зависимости (5) можно рассчитать, зная влияние концентрации водорастворимых примесей и диаметр частиц целевого вещества на кинетику процесса разделения.

При определении влияния размера частиц целевого компонента и содержания водорастворимых примесей на время процесса фильтрования, такие величины, как Vсус, Fфил, (ΔP)(1-S), будут постоянные, и зависимость (5) перепишем в следую- щем виде:

 (6)

где - время фильтрования суспензии органических продуктов, рассчитанное по зависимости (1) без учета влияния концентрации водорастворимых примесей в жидкой фазе суспензии и среднего размера частиц целевого продукта; - коэффициент, отражающий зависимость объема суспензии, удельное сопротивление слоя осадка, площади поверхности фильтрования, движущей силы процесса, коэффициента сжимаемости осадка, динамической вязкости;

Концентрацию твердой фазы в осадке в конечный момент времени можно записать как:

 (7)

где - коэффициент, отражающий зависимость объема суспензии, площади поверхности фильтрования, движущей силы процесса, коэффициента сжимаемости осадка, динамической вязкости.

Экспериментально были определены значения эмпирических коэффициентов зависимостей (6,7) (табл. 3).

Таблица 3

Значения эмпирических коэффициентов k3, k5, k8, k10

№ п/п

Наименование органических продуктов

Эмпирические коэффициенты

k3

k5

C1'

k8

k10

C2'

1

4-толуидин-3-сульфонат натрия

-0,392

0,033

104,018

0,074

-5,143∙10-3

26,754

2

ПФД

-0,301

0,031

69,784

0,062

-5,178∙10-3

37,056

3

2,4 - ДНХБ

-0,388

0,023

62,583

0,1

-4,829∙10-3

24,881

4

1/4-толил-3-метил-5-пиразолон

-0,241

0,031

52,696

0,074

-8,036∙10-3

34,562

5

Г-соль

-0,19

0,047

82,673

0,059

-0,022

34,645

6

1/4 сульфофенил-3-метил-5-пиразолон

-0,197

0,049

64,244

0,117

-0,025

16,56

7

Р-соль

-0,101

0,133

38,546

0,067

-0,053

21,573

8

Нитродиазоксид

-0,141

0,123

44,079

0,178

-0,051

16,782

Использование зависимостей (6), (7) и значений эмпирических коэффициентов (табл. 3), учитывающих влияние на процесс фильтрования специфических свойств суспензий органических продуктов, наличие в молекуле целевого вещества гидрофильных и гидрофобных заместителей, ионный состав жидкой фазы, размер частиц, позволит более точно определить время процесса фильтрования и концентрацию целевого вещества в осадке, сформированном из тонкодисперсных суспензий органических веществ.

Рецензенты:

  • Промтов М.А., д.т.н., профессор кафедры «Техносферная безопасность» ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбов;
  • Гатапова Н.Ц., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технологические процессы и аппараты» ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбов.

Работа поступила в редакцию 20.08.2012.


Библиографическая ссылка

Орехов В.С., Леонтьева А.И. Проявление электрокинетических свойств суспензиями продуктов органического синтеза при их разделении на фильтрующей перегородке // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 9-4. – С. 937-942;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30426 (дата обращения: 07.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074