Аппараты Вихревого Слоя являются универсальными устройствами, что позволяет применять их в самых разнообразных сферах промышленности, например в таком направлении, как производство каолина. Проходящие в вихревом слое ферромагнитных частиц процессы позволяют интенсифицировать процессы дробления, помола; позволяют измельчить практически любой материал до коллоидной степени дисперсности. Рассмотрим вариант применения АВС-100 в фармацевтике и медицине.
Как известно, диспергирование твердых тел обусловливает увеличение скорости гетерогенных процессов, повышает активность дисперсных систем, повышает качество наполнителей для различных высокомолекулярных веществ.
Расчеты с учетом того, что длина контакта между ферромагнитными элементами в момент соударения может достигать до 1 мм, показывают, что напряженность в поверхностном слои ферромагнитных элементов и обрабатываемого сырья может достигать нескольких тысяч МПа, что приводит к измельчению сырья.
Ударные нагрузки большой частоты и силы трения ферромагнитных частиц — приводят не только к измельчению твердых материалов и получения тонкодисперсных суспензий, но и к активации поверхности частиц за счет деформации кристальной решетки.
Ниже мы рассмотрим результаты исследований применения АВС для получения водных суспензий различных компонентов. В качестве объекта исследований выбраны два основных типа суспензий: гидрофильные (водная суспензия каолина) и гидрофобные (водная суспензия оксида цинка). В качестве ПАВ применялся диспергатор «НФ».
Выбор именно этих объектов исследования обусловлен их широким распространением в медицине и фармацевтике, а также промышленности.
Кратко рассмотрим сферы применения каолина и оксида цинка.
Производство каолина и его применение
Основные свойства каолина — высокая огнеупорность, низкая пластичность и связующая способность.
Обычно каолин обогащают, удаляя вредные примеси (гидроксиды и сульфиды Fe и Ti), которые уменьшают белизну и огнеупорность. Обогащённый каолин используют как сырье в производстве: фарфора, фаянса, тонкой, электротехнической керамики; для получения ультрамарина, Al2(SO4)3 и AlCl3; в качестве наполнителя в производстве бумаги, резины, пластмасс, основ для кровельных материалов; он входит в состав пестицидов и парфюмерных изделий (под названием «белая глина»).
Каолин применяется для изготовления коленкора и других переплётных материалов, а также входит в состав покрытия (мелования) мелованных бумаги и картона.
Каолинит также применяется в составе косметических и парфюмерных паст, кремов, мазей и пудры. В фармацевтическом производстве хорошо очищенный каолин является инертной связывающей добавкой для многих лечебных препаратов, пищевой добавкой, используется в зубных пастах, в косметике и многих других областях.
Оксид цинка
Свойства оксида цинка обусловливают его широкое применение в фармацевтической промышленности. Оксид цинка нашел широкое применение в создании абразивных зубных паст и цементов в терапевтической стоматологии, в кремах для загара и косметических процедурах, в производстве электрокабеля, искусственной кожи и резинотехнических изделий. Кроме того, применение распространено в шинной, лакокрасочной, нефтеперерабатывающей промышленностях. Оксид цинка применяют при производстве стекла и керамики.
Оксид цинка также применяется как:
- активатор вулканизации некоторых каучуков;
- вулканизирующий агент хлоропреновых каучуков;
- катализатор синтеза метанола;
- белый пигмент при производстве красок и эмалей (в настоящее время вытеснен нетоксичной двуокисью титана TiO2);
- наполнитель и пигмент в производстве: резины, пластмасс, бумаги, парфюмерии и косметике, добавка к кормам для животных, в производстве стекла и красок на основе жидкого стекла, как один из компонентов преобразователя ржавчины.
Кроме того, порошок оксида цинка — перспективный материал в качестве рабочей среды для порошковых лазеров. На основе оксида цинка создали светодиод голубого цвета. Тонкие пленки и иные наноструктуры на основе оксида цинка могут применяться как чувствительные газовые и биологические сенсоры.
Оборудование АВС для изготовления каолина
Ниже приведены результаты исследований применения АВС для получения водных суспензий различных компонентов. Объект исследований — два основных типа суспензий:
- гидрофильные (водная суспензия каолина);
- гидрофобные (водная суспензия оксида цинка).
Показателями, которые характеризуют свойство готовой суспензии, является дисперсность твердой фазы и устойчивость к расслоению.
Устойчивость суспензии характеризуется основными ее параметрами, которые не изменяются во времени — дисперсностью и равномерностью распределения дисперсной фазы в среде.
Дисперсность — важный признак состояния суспензии. Она обеспечивает необходимые свойства не только отдельным элементам твердой фазы, но и всей системе в целом. С ростом дисперсности существенно могут меняться физико-химические свойства суспензий. К этим свойствам можно отнести
- реакционную способность;
- устойчивость к расслоению;
- структурообразованию и др.
При исследованиях для определения дисперсности твердой фазы суспензии применялся седиментационный метод, который позволил определить фракционный состав суспензии путем непрерывного взвешивания частиц твердой фазы на торсионных весах, которые оседали под действием силы тяжести.
1 — Корпус;
2 — Индуктор;
3 — Металлическая рубашка;
4 — Цилиндрическая втулка;
5 — Ферромагнитные частицы
Устойчивость суспензии характеризуется основными ее параметрами, которые не изменяются во времени — дисперсностью и равномерностью распределения дисперсной фазы в среде. На практике рассматривают два вида устойчивости суспензии — кинематическую (седиментационную) и агрегативную. Суспензии седиментационно неустойчивые — частицы их оседают под действием силы тяжести. В то же время седиментационно неустойчивые суспензии могут быть агрегативно устойчивыми (частицы ее оседают самостоятельно), так и агрегативно неустойчивыми (частицы под действием молекулярных сил образуют агрегаты и оседают). Агрегативной устойчивостью суспензии обладают тогда, когда частицы покрыты сольватными оболочками. При исследовании устойчивости суспензии применялись рефильтрационный анализ и анализ изменения относительной концентрации дисперсной фазы по высоте отстойника, в который заливалось 230 мл суспензии (h = 240 мм) и через час отстоя на фиксированной высоте (0,4h, 0,55h, 0,7h) отбирались пробы. Отобранные пробы суспензии высушивались до постоянной массы и определялась концентрация частиц в пробах (С). По результатам анализа определялась относительная концентрация суспензии (С/С0) для каждой высоты отстойника. Устойчивость суспензии зависит от целого ряда факторов: дисперсности частиц твердой фазы, их активности, состояния поверхности и т.п.
Известно, что седиментация частиц дисперсной фазы с агрегативностойких и неустойчивых суспензий проходит по-разному. Оседания частиц с агрегативнонеустойчивой суспензии проходит быстро, так как частицы образуют рыхлые агрегаты, которые образуют большой по объему седиментационный осадок. В агрегативностойкой суспензии частицы при столкновении не образуют агрегаты, садятся медленно и в осадке находятся обособленно друг от друга. Вследствие этого осадок имеет плотную упаковку и занимает малый объем.
Продолжительность приготовления суспензии соответствующей дисперсности достигается в АВС за 30-60 с, для приготовления суспензии такой же дисперсности в шаровой мельнице потребуется уже 3600 с.
Учитывая указанное, по характеру оседания частиц можно судить о степени агрегативной устойчивости суспензии. Для определения агрегативной устойчивости суспензии применяется метод рефильтрации. Он основан на определении скорости рефильтрации (вторичной фильтрации) дисперсионной среды через слой дисперсной фазы, которая образуется на поверхности фильтра при фильтрации через него суспензии. Чем больше флокулирована дисперсная фаза, тем рыхлее образуется осадок и тем выше скорость рефильтрации. При отсутствии флокуляции осадок образуется плотным, а скорость рефильтрации при этом медленная. Для исследований рефильтрации использовалась лейка Бюхнера, мерный цилиндр и вакуумный насос. С помощью секундомера определялось время удаления 10, 20, 30, 40, 50 см3 фильтрата.
Анализ полученных данных (табл. 1) свидетельствует о том, что увеличение тонкой фракции, достигается за счет уменьшения крупной фракции. При этом продолжительность приготовления суспензии соответствующей дисперсности достигается в АВС за 30-60 с, а в шаровой мельнице — 3600 с. В связи с тем, что суспензии каолина и оксида цинка соответствующей дисперсности можно получить в аппарате с мешалкой, подтверждается гипотеза, что измельчение твердой фазы в АВС достигается как за счет импульсного ударного действия ферромагнитных элементов, так и за счет соответствующего движения частиц в обрабатываемой среде.
Таблица 1
Влияние параметров вихревого слоя на дисперсность 30% суспензии каолина полученной в АВС
|
Масса ферромагнитных элементов, г |
Длительность обработки, с |
Количество твердой фазы (%) в интервале дисперсности, мкм | ||
| 2,8–4,9 | 4,9–7,3 |
7,3–12,6 |
||
|
0 |
0 |
37,56 |
18,52 |
43,92 |
|
100 |
5 |
49,66 |
14,84 |
35,5 |
|
10 |
51,5 |
13,8 |
34,7 |
|
|
15 |
52,0 |
13,8 |
34,1 |
|
|
30 |
54,1 |
13,47 |
32,43 |
|
|
60 |
56,43 |
14,17 |
29,4 |
|
|
150 |
5 |
51,2 |
17,2 |
31,6 |
|
10 |
53,0 |
17,6 |
29,4 |
|
|
15 |
54,0 |
21,5 |
24,5 |
|
|
30 |
56,9 |
19,2 |
23,9 |
|
|
60 |
57,2 |
22,3 |
20,5 |
|
|
200 |
5 |
49,1 |
21,4 |
29,5 |
|
10 |
51,0 |
23,5 |
25,5 |
|
|
15 |
52,7 |
25,3 |
22,0 |
|
|
30 |
55,0 |
24,6 |
20,4 |
|
|
60 |
58,14 |
23,47 |
18,39 |
|
|
250 |
5 |
44,58 |
26,84 |
28,58 |
|
10 |
48,5 |
26,17 |
25,33 |
|
|
15 |
52,9 |
26,87 |
20,23 |
|
|
30 |
56,0 |
25,33 |
18,67 |
|
|
60 |
63,95 |
20,72 |
15,32 |
|
| Суспензия получена в шаровой мельнице |
3 600 |
55,26 |
28,96 |
15,78 |
| Суспензия получена в аппарате с мешалкой |
3 600 |
51,89 |
17,72 |
20,39 |
В табл. 2 приведены данные по исследованию кинетической устойчивости суспензии каолина, полученной в АВС.
Таблица 2
Влияние параметров вихревого слоя на кинетическую устойчивость к расслоению 30% суспензии каолина полученной в АВС
|
Масса ферромагнитных элементов, г |
Длительность обработки, с |
Распределение относительной концентрации суспензии (С/С0) по высоте через 1 час отстоя |
||
|
0,40 h |
0,55 h |
0,70 h |
||
|
100 |
5 |
0,83 |
0,78 |
0,73 |
|
10 |
0,84 |
0,79 |
0,75 |
|
|
15 |
0,88 |
0,82 |
0,81 |
|
|
30 |
0,92 |
0,81 |
0,79 |
|
|
60 |
1,08 |
0,78 |
0,75 |
|
|
150 |
5 |
0,86 |
0,78 |
0,76 |
|
10 |
0,89 |
0,79 |
0,77 |
|
|
15 |
0,92 |
0,82 |
0,79 |
|
|
30 |
0,95 |
0,84 |
0,81 |
|
|
60 |
0,99 |
0,86 |
0,85 |
|
|
200 |
5 |
0,86 |
0,79 |
0,78 |
|
10 |
0,88 |
0,83 |
0,81 |
|
|
15 |
1,08 |
0,86 |
0,82 |
|
|
30 |
1,09 |
0,92 |
0,83 |
|
|
60 |
1,08 |
0,94 |
0,85 |
|
|
250 |
5 |
0,82 |
0,78 |
0,76 |
|
10 |
0,93 |
0,83 |
0,77 |
|
|
15 |
0,96 |
0,84 |
0,78 |
|
|
30 |
1,08 |
0,88 |
0,64 |
|
|
60 |
1,08 |
0,95 |
0,59 |
|
|
Суспензия получена в шаровой мельнице |
3 600 |
0,91 |
0,80 |
0,79 |
Данные табл. 2 свидетельствуют, что есть соответствующие режимные параметры вихревого слоя, которые позволяют получить кинетическую устойчивость, а значит стабильную к расслоению суспензию каолина.
Высокую эффективность в применении АВС для приготовления суспензий подтверждают результаты исследований влияния параметров вихревого слоя и концентрации суспензии оксида цинка на дисперсность, кинетическую и ее агрегативную устойчивость (табл. 3-4).
Таблица 3
Влияние параметров вихревого слоя на дисперсность 30% суспензии оксида цинка полученной в АВС
|
Масса ферромагнитных элементов, г |
Длительность обработки, с |
Количество твердой фазы (%) в интервале дисперсности, мкм |
||
|
1,7–2,2 |
2,2–4,3 |
4,3–9,2 |
||
|
100 |
5 |
43,32 |
28,68 |
28,00 |
|
10 |
45,67 |
28,65 |
25,68 |
|
|
15 |
47,6 |
29,31 |
23,09 |
|
|
30 |
52,36 |
27,64 |
20,00 |
|
|
60 |
61,49 |
22,37 |
16,14 |
|
|
150 |
5 |
48,84 |
24,96 |
26,20 |
|
10 |
50,71 |
25,21 |
24,08 |
|
|
15 |
53,04 |
25,6 |
21,36 |
|
|
30 |
57,71 |
26,09 |
16,20 |
|
|
60 |
59,86 |
30,28 |
9,86 |
|
|
200 |
5 |
50,48 |
29,25 |
20,27 |
|
10 |
51,84 |
29,22 |
18,24 |
|
|
15 |
53,35 |
30,63 |
16,02 |
|
|
30 |
56,47 |
28,29 |
15,24 |
|
|
60 |
61,94 |
23,23 |
14,83 |
|
|
250 |
5 |
52,04 |
28,4 |
19,56 |
|
10 |
53,96 |
27,79 |
18,25 |
|
|
15 |
56,59 |
25,73 |
17,63 |
|
|
30 |
59,82 |
27,24 |
12,94 |
|
|
60 |
62,88 |
25,36 |
11,76 |
|
|
Суспензия получена в шаровой мельнице |
3 600 |
54,76 |
14,29 |
30,95 |
|
Суспензия получена в аппарате с мешалкой |
3 600 |
49,39 |
18,07 |
32,54 |
Таблица 4
Исследование влияния параметров вихревого слоя на кинетическую устойчивость к расслоению 30% суспензии оксида цинка, полученной в АВС
|
Масса ферромагнитных элементов, г |
Длительность обработки, с |
Распределение относительной концентрации суспензии (С/С0) по высоте через 1 час отстоя |
||
|
0,40 h |
0,55 h |
0,70 h |
||
|
100 |
5 |
0,87 |
0,77 |
0,70 |
|
10 |
0,88 |
0,79 |
0,77 |
|
|
15 |
0,87 |
0,81 |
0,78 |
|
|
30 |
0,87 |
0,79 |
0,78 |
|
|
60 |
0,89 |
0,82 |
0,79 |
|
|
150 |
5 |
0,87 |
0,79 |
0,76 |
|
10 |
0,86 |
0,80 |
0,77 |
|
|
15 |
0,88 |
0,81 |
0,79 |
|
|
30 |
0,88 |
0,81 |
0,79 |
|
|
60 |
0,89 |
0,83 |
0,80 |
|
|
200 |
5 |
0,88 |
0,81 |
0,79 |
|
10 |
0,87 |
0,79 |
0,78 |
|
|
15 |
0,88 |
0,81 |
0,81 |
|
|
30 |
0,89 |
0,85 |
0,81 |
|
|
60 |
0,95 |
0,89 |
0,87 |
|
Таким образом, особенности вихревого слоя ферромагнитных элементов — ударные нагрузки большой частоты и силы трения — приводят не только к измельчению частиц твердых материалов и получения тонкодисперсных суспензий, но и, как отмечалось выше, к активации ее поверхности за счет деформации кристальной решетки. Наличие данного факта приносит значительную экономию времени обработки материала, повышает качество обрабатываемого материала и готового продукта в целом, ведет к экономии средств и, как результат, получения большей выгоды и интенсификации процесса производства.
Как отмечалось ранее, Аппарат Вихревого Слоя АВС-100 является универсальным устройством для интенсификации химических и физических реакций, что дает ему значительное преимущество перед другими установками, и, как следствие, позволяет использовать и применять в различных сферах промышленности.
