Аппаратурно-технологическое оформление процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза ферратов (VI) щелочных металлов для продуктов регенерации воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

14

3

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Аппаратурно-технологическое оформление процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза ферратов (VI) щелочных металлов для продуктов регенерации воздуха

Рылов Юрий Борисович

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Тамбов 2012

Работа выполнена в Научно-образовательном центре федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» - ОАО «Корпорация «Росхимзащита» «Новые химические технологии» и на кафедре «Технологии продовольственных продуктов» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»).

Научный руководитель Заслуженный деятель науки Российской

Федерации, доктор технических наук,

профессор

Дворецкий Станислав Иванович

Официальные оппоненты: Килимник Александр Борисович,

доктор химических наук, профессор,

заведующий кафедрой химии

ФГБОУ ВПО «ТГТУ»

Мухин Виктор Михайлович,

доктор технических наук, профессор,

начальник лаборатории активных углей,

эластичных сорбентов и катализаторов

ОАО «Электростальское научно-производственное объединение «Неорганика»

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Защита диссертации состоится 16 ноября 2012 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 в ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ», с авторефератом диссертации дополнительно - на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ТГТУ» http://www.tstu.ru и ВАК Минобрнауки РФ http://vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «___» __________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Нечаев Василий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ферраты (VI) щелочных металлов являются одними из наиболее сильных существующих на сегодняшний день окислителей. Окислительный потенциал феррат-иона (FeO42-) в кислой среде выше, чем у озона, перманганатов, пероксида водорода, хлора и хлорсодержащих соединений (гипохлоритов, перхлоратов, диоксида хлора). Сфера использования ферратов (VI) щелочных металлов достаточно широка: очистка промышленных и бытовых стоков от бактерий, вирусов, тяжелых металлов, токсичных веществ, вредных примесей (NH3, H2S, CN-, CNS-, As), отравляющих веществ (VX, GD, GB) до малотоксичных или нетоксичных соединений; пассивация металлов; детоксикация почвенных сред; компонент щелочных батарей; изготовление катализаторов и источников кислорода для дыхания человека и животных.

Однако промышленное производство соединений шестивалентного железа сдерживается из-за отсутствия энерго- и ресурсосберегающих технологий их получения. Существующие способы синтеза ферратов (VI) щелочных металлов характеризуются трудностью реализации, высокой энергоемкостью, низким содержанием основного вещества, получением готовых продуктов в растворе. Последнее ограничивает время хранения и приводит к необходимости введения в технологию синтеза дополнительного оборудования для выделения соединений шестивалентного железа в твердом виде или организации производства непосредственно в местах применения.

В связи с этим разработка энергосберегающего процесса и аппаратурно-технологического оформления производства ферратов (VI) щелочных металлов и изучение свойств синтезированных продуктов являются актуальными в научном и практическом плане.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ НОЦ ФГБОУ ВПО «ТГТУ» - ОАО «Корпорация «Росхимзащита» в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» (Государственный контракт № 02.438.11.7012 от 19 августа 2005 г.) по теме «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области новых химических технологий и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок».

Научно-исследовательская работа «Энергосберегающая технология новых ферратных продуктов» признана победителем на конкурсе работ аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений в области энергосбережения в промышленности «ЭВРИКА-2010» (г. Новочеркасск).

Цель работы. Разработка энергосберегающего процесса и аппаратурно-технологического оформления производства ферратов (VI) щелочных металлов с целью получения продуктов в твердом виде с высоким содержанием основного вещества.

Научная новизна. Впервые разработан энергосберегающий процесс получения ферратов (VI) калия и натрия методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) (патент РФ № 2371392 «Способ получения феррата (VI) калия» от 12.02.2008 и патент РФ № 2356842 «Способ получения феррата (VI) натрия» от 09.08.2007), определены условия его осуществления и соотношение исходных компонентов шихты, позволяющие получать продукты с содержанием основного вещества до 88% мас. феррата (VI) калия и до 93% мас. феррата (VI) натрия.

Проведены исследования влияния качества сырья (содержание активного кислорода в KО2 и Na2O2, содержание влаги в Fe2O3), технологических параметров (плотность прессования, начальная температура СВС) на содержание ферратов (VI) щелочных металлов в продукте синтеза. Проведена оценка динамической активности феррата (VI) калия в процессе регенерации воздуха.

Впервые разработан регенеративный продукт с ферратом (VI) калия (РП-КФ) в качестве структурообразующей добавки, катализатора и источника кислорода, обладающий улучшенными эксплуатационными характеристиками: низкая концентрация СО2 на вдохе, большее время защитного действия (решение о выдаче патента РФ по заявке № 2011105491, приоритет 14.02.11).

Практическая значимость. Разработано аппаратурно-технологическое оформление энергосберегающего процесса СВС ферратов (VI) щелочных металлов, включающее смеситель шихты, реактор синтеза и установку синтеза.

Разработана методика анализа твердых соединений шестивалентного железа, позволяющая определять содержание основного вещества в продуктах синтеза.

Разработан технологический процесс получения регенеративного продукта с ферратом (VI) калия и выпущена экспериментальная партия в условиях опытного производства ОАО «Корпорация «Росхимзащита». Проведены динамические испытания РП-КФ, по результатам которых установлено, что время работы регенеративного продукта в динамической трубке по кислороду и диоксиду углерода превышает время работы серийного продукта ОКЧ-3М в 1,5 раза. Отличительной особенностью работы РП-КФ в аппаратах СПИ-20, ШСС-Т, ШСС-ТМ и в патроне ИДА-59 в сравнении с серийными продуктами является снижение концентрации СО2 на вдохе до 75%, что повышает комфортность использования самоспасателей пользователями.

Установлена способность соединений шестивалентного железа очищать воду от ионов тяжелых металлов, цианидов и разрушать пестицид «Раундап» в почве.

Результаты исследований внедрены в ОАО «Корпорация «Росхимзащита» при разработке нового регенеративного продукта с ферратным катализатором.

Материалы диссертации используются в образовательном процессе Мичуринского государственного аграрного университета при чтении курса лекций «Химическая защита растений».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 11 всероссийских и международных конференциях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе: 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента РФ, 1 решение о выдаче патента РФ.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти основных глав, выводов, списка используемой литературы из 165 наименований и 9 приложений. Включает 15 таблиц и 58 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

высокотемпературный синтез феррат щелочной

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель диссертационной работы, аргументирована научная новизна и практическая значимость полученных результатов работы.

В главе 1 «Литературно-патентный обзор, анализ и обоснование задач исследования» представлен анализ и обзор патентной и научно-технической информации о способах получения ферратов (VI) щелочных металлов. Выявлены тенденции совершенствования ферратных технологий с целью повышения качества синтезируемых продуктов и разработки новых ресурсо- и энергосберегающих способов синтеза. Показано, что известные в настоящее время методы получения соединений шестивалентного железа не в полной мере удовлетворяют потребности потребителей по ряду характеристик, основными из которых являются низкое содержание основного вещества, энергоемкость процесса синтеза и получение продуктов в растворе.

С целью разработки оригинальной методики анализа проведен обзор существующих методов определения ферратов (VI) щелочных металлов и выявлены их недостатки: длительность анализа, потребность в использовании большого числа реактивов и дорогостоящего оборудования.

Изучены физико-химические свойства соединений шестивалентного железа, показаны новые перспективные области исследований, включающие исследования морфологии, динамической активности, способности очищать воду и почву, применяться в качестве катализаторов в регенеративных продуктах.

Проведен обзор, анализ состояния и проблем развития технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Определены основные технологические достоинства СВС, заложенные в самом принципе процесса, - использование быстро выделяющегося тепла химических реакций вместо нагрева вещества от внешнего источника.

Определены задачи настоящей работы: разработка энергосберегающего процесса получения ферратов (VI) щелочных металлов; проведение исследований по определению влияния соотношения исходных компонентов, качества сырья, технологических параметров на качество синтезируемых продуктов; разработка методики определения содержания ферратов (VI) щелочных металлов в продуктах синтеза; проведение исследований морфологических особенностей образцов ферратов (VI) калия и натрия, динамической активности по О2 и СО2; возможности применения ферратов (VI) щелочных металлов, полученных методом СВС, в качестве реагентов для очистки воды от ионов тяжелых металлов и цианидов, очистки почвы; разработка регенеративного продукта с ферратным катализатором и проведение его испытаний в составе средств защиты органов дыхания; разработка технологической схемы и аппаратурно-технологического оформления производства ферратов (VI) щелочных металлов.

В главе 2 «Методики экспериментальных исследований» представлены материалы, вещества и методики, используемые в настоящей работе.

Для оперативного контроля качества синтезируемых продуктов разработана методика определения содержания ферратов (VI) щелочных металлов в продуктах синтеза, основанная на их взаимодействии с 1-нормальным раствором серной кислоты:

2K2FeO4 + 5H2SO4 5H2O + 2K2SO4 + Fe2(SO4)3 + 3/2O2; (1)

2Na4FeO5 + 7H2SO4 7H2O + 4Na2SO4 + Fe2(SO4)3 + 3/2O2. (2)

Для входного контроля качества пероксидных продуктов использовалась методика определения активного кислорода в надпероксидах.

В связи с отсутствием литературных данных о величинах стандартных теплот образования твердых ферратов (VI) щелочных металлов для оценки количества выделяющегося тепла при СВС соединений шестивалентного железа через стенку реактора к охлаждающей воде и количества тепла, отходящего с газовой фазой, была изготовлена установка, представленная на рис. 1

Определение температур в случае, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно, осуществлялось с помощью оптического пирометра марки DHS-28X, изготовленного фирмой Wahl Instruments Inc (США).

Задача по определению сорбционной емкости ферратов (VI) щелочных металлов решалась с помощью фотоколориметрического метода определения концентрации растворов.

Морфологические особенности кристаллической структуры ферратов (VI) калия и натрия исследовались методом сканирующей электронной микроскопии, инструментальной базой которой являлся сканирующий электронный микроскоп Neon 40 (Carl Zeiss, Германия).



Рис. 1. Схема установки

1 - корпус; 2 - маты МСТВ-2; 3 - вода; 4 - стакан; 5 - шихта; 6 - крышка; 7 - прокладка; 8 - газосчетчик барабанный ГСБ-400; 9 - штуцер; 10 - спираль; 11 - термопара; 12 - измеритель-регулятор ТРМ138 марки «Овен».

Физико-химические исследования полученных образцов шестивалентного железа проводились с использованием дифрактометра Дрон-6 на рентгеновской трубке 2,5БСВ 27-Сu и дифференциального термогравиметрического анализа на исследовательском комплексе «ТАG-24» (Setaram, Франция).

Определение длительности работы слоя продукта при пропускании через него постоянного потока газовоздушной смеси с заданными параметрами проводилось с применением метода определения динамической емкости хемосорбентов на динамической установке.

Исследования хемосорбционных свойств регенеративных продуктов проводились на аттестованном оборудовании в Испытательном центре «Спиротехнотест» ОАО «Корпорация «Росхимзащита», имеющем «Аттестат аккредитации испытательной лаборатории (центра) № РОСС RU.0001.22СЩ10» от 24 марта 2010 г., выданный Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии.

Использование методики определения прочности основной фракции регенеративных продуктов заключалось в определении остатка пробы от исходного продукта после воздействия на него стальными шарами во вращающемся барабане.

Глава 3. Экспериментальные исследования свойств и процесса получения ферратов (VI) щелочных металлов методом СВС.

Разработка энергосберегающего процесса получения ферратов (VI) щелочных металлов включала следующие этапы: выбор горючего; исследование влияния соотношения исходных компонентов, качества сырья и технологических параметров на качество синтезируемых соединений шестивалентного железа.

В качестве исходных компонентов для получения ферратов (VI) щелочных металлов использовали оксид железа (III), надпероксид калия (или пероксид натрия) и горючее. Установлено, что для реализации процесса СВС ферратов (VI) щелочных металлов целесообразнее всего использовать двухкомпонентный состав горючего, включающий металлическое пиротехническое железо и углеродный порошок:

4Fe + 3O2 2Fe2O3 + Q; (3)

С + O2 СO2 + Q. (4)

Суммарный эффект от использования в качестве горючего смеси железа с углеродом обеспечивал оптимальное использование тепловой энергии окисления горючего для генерирования основных реакций (5) и (6):

2Fe2O3 + 8KO2 4K2FeO4 + 3O2 ; (5)

Fe2O3 + 4Na2O2 2Na4FeO5 + 0,5O2. (6)

Проведено исследование влияния соотношения исходных компонентов на выход основного вещества в процессе СВС (рис. 2). Максимальное содержание горючего, обусловленное взрывобезопасностью шихты, составляло 6% мас.

а)

б)

Рис. 2. Зависимость содержания феррата (VI) в продукте синтеза от содержания: а - углерода; б - оксида железа (III) в исходной шихте

Анализ опытных данных, представленных на рис. 2, показал, что для достижения максимального выхода ферратов (VI) калия и натрия, получаемых методом СВС, необходимо использовать шихту следующего состава: углерод - 5,0% мас., железо - 1,0% мас.; Fe2O3 - 31,0% мас. для СВС K2FeO4 (30,5% мас. для СВС Na4FeO5); KO2 - 63,0% мас., Na2O2 - 63,5% мас.

Экспериментально установлено, что для повышения качества синтезируемых соединений шестивалентного железа необходимо применять пероксидные продукты с содержанием активного кислорода, близким к стехиометрическому, при минимизации содержания влаги в оксиде железа (III) (рис 3).

а)

б)

Рис. 3. Зависимость содержания феррата (VI) в продукте синтеза от содержания: а - активного кислорода в KО2 и Na2O2; б - влаги в оксиде железа (III)

Установлено, что для достижения высокого содержания солей шестивалентного железа в продуктах синтеза необходимо обеспечить плотность прессования шихты 1,42 г/см3 для СВС K2FeO4 и 1,65 г/см3 для СВС Na4FeO5 (рис. 4, а). При плотности прессования ниже 1,25 г/см3 часть шихты уносилась из зоны реакции вследствие высокой скорости СВС, а при величине выше 1,8 г/см3 происходило частичное затухание процесса, связанное с закупориванием пор внутри шихты и отсутствием доступа кислорода во внутренние слои брикета.

Из рисунка 4, б видно, что наилучшее качество готового продукта достигалось при начальной температуре СВС 20…50 С. При 0 С и ниже наблюдались трудности при инициировании процесса и его внезапное прекращение.

а)

б)

Рис. 4. Зависимость содержания феррата (VI) в продукте синтеза от:

а - плотности прессования шихты; б - начальной температуры СВС

В результате обработки экспериментальных данных получены нелинейные уравнения регрессии, описывающие зависимости содержания ферратов (VI) калия у1 и натрия у2 в конечном продукте от содержания углерода в горючем x1, содержания Fe2O3 в исходной шихте x2 и содержания активного кислорода в KО2 x31 и Na2О2 x32:



(7)

(8)

Математическая обработка результатов экспериментов показала, что рассогласование экспериментальных и расчетных данных по модели для СВС K2FeO4 составило 5,1%, по модели для СВС Na4FeO5 - 5,32%. Уравнения регрессии использовались для определения состава исходной шихты, позволяющего синтезировать ферраты (VI) щелочных металлов с содержанием основного вещества до 88% мас. по K2FeO4 и до 93% мас. по Na4FeO5.

Исследования морфологии и элементного состава образцов ферратов (VI) калия и натрия, полученных методом СВС, свидетельствовали о том, что в этих системах для улучшения качества получаемого материала необходимо добиваться равномерности в распределении исходных компонентов на стадии смешения.

Идентификация качественного состава образцов ферратов (VI) калия и натрия осуществлялась с помощью рентгенофазового и термогравиметрического анализа. Полученные данные согласовывались с результатами химического анализа.

Проведены динамические испытания феррата (VI) калия, по результатам которых была рассчитана его динамическая активность в процессе регенерации воздуха: 2,1 дм3/кг по СО2 и 50 дм3/кг по О2.

На основании полученных экспериментальных данных установлено, что при осуществлении СВС феррата (VI) калия (натрия) в расчете на 1 кг шихты через стенку реактора в охлаждающую воду было выделено 2375,3 (2235,1) кДж тепла. Количество тепла, ушедшее с газом, составило 19,6 (22,1) кДж.

Проведены исследования по определению способности ферратов (VI) щелочных металлов проявлять окисляющую и коагулирующую способность при очистке воды от ионов тяжелых металлов. Было установлено, что 1 кг/м3 раствора K2FeO4 способен очистить 5000 м3 раствора Ni2+ с концентрацией, в два раза превышающей предельно допустимую (0,0002 г/м3). Исследования, проводимые с Na4FeO5, показали 5%-ное расхождение в результатах с экспериментами с K2FeO4.

Совместно с ЗАО «Полиметалл» (г. Санкт-Петербург) проведены эксперименты по определению способности феррата (VI) калия очищать сточные воды от цианидов щелочных металлов, в частности использовались растворы NaCN с концентрацией 0,5 г/дм3 и рН = 10,5, в которые добавляли различное количество K2FeO4, синтезированного методом СВС. Время взаимодействия составляло 1 ч.

Полученные растворы вновь подвергались анализу на содержание цианида натрия. По результатам эксперимента установлено, что все десять образцов феррата (VI) калия снижали концентрацию цианида в диапазоне 7,14… 19,23 раза. На рисунке 5 представлены график аппроксимационной зависимости и уравнение аппроксимации со среднеквадратичным отклонением R2 = 0,9553.

В ходе проведенных на опытной базе ГНУ Всероссийский НИИ садоводства им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии испытаний было установлено, что свежеприготовленные водные растворы ферратов (VI) щелочных металлов выступают в качестве антидота при применении пестицида «Раундап», основным действующим веществом которого является глифосат (N-(фосфонометил)-глицин, C3H8NO5P) - неселективный системный гербицид. При взаимодействии с ферратами (VI) происходило его разрушение до более безопасных химических соединений: гидроксид железа (III), фосфат калия, азот и углекислый газ. Исследования показали, что использование ферратов (VI) калия и натрия способствует детоксикации изопропиламинной соли и сохранению в почве энтомофауны, мезофауны.



Рис. 5. Зависимость содержания NaCN в растворе от количества введенного феррата (VI) калия

Глава 4. Аппаратурно-технологическое оформление энергосберегающего процесса производства ферратов (VI) щелочных металлов.

Способ получения ферратов (VI) щелочных металлов включал следующие технологические стадии: сушка Fe2О3 и горючего в сушильной камере; рассев пероксидных продуктов и оксида железа (III) на вибросите; смешение исходных компонентов в смесителе шихты; СВС в реакторе синтеза; измельчение ферратов (VI) щелочных металлов в валковой дробилке; рассев соединений шестивалентного железа на вибросите до необходимой фракции.

На основании проведенных исследований энергосберегающего процесса получения ферратов (VI) щелочных металлов разработана технологическая схема производства солей Fe (VI) (рис. 6).

С целью избегания создания взрывоопасных мольных соотношений горючее (углерод, железо) - надпероксид калия (пероксид натрия) - оксид железа (III) смешение исходных компонентов осуществляли в разработанном смесителе с дистанционным управлением процессом (рис. 7), расположенном в бронированной камере.



Рис. 6. Технологическая схема производства ферратов (VI) щелочных металлов: 1 - сушильная камера; 2 - вибросито; 3 - смеситель шихты; 4 - пресс;5 - реактор; 6 - валковая дробилка

Рис. 7. Смеситель шихты:

1 - траверса; 2 - крыльчатка; 3 - тара; 4 - опора; 5 - фиксатор; 6 - стакан; 7 - кронштейн; 8 - вал; 9 - колесо; 10 - втулка; 11 - крестовина; 12 - планка; 13, 16 - крышка; 14 - основание; 15 - лента; 17 - плита; 18, 19 - втулка; 20 - пружина; 21 - корпус; 22, 23 - болт; 24, 25 - гайка; 26, 27 - шайба; 28 - шпонка; 29 - штифт; 30 - кольцо; 31, 32 - пневмоцилиндр; 33 - мотор-редуктор

Пероксидный продукт помещался в герметичную тару, внутри которой устанавливался стакан с промежуточной шихтой (Fe2O3 и горючее). Приготовление шихты осуществлялось вращением крыльчатки и поворотом тары на 180, вследствие чего происходило открытие заслонки стакана и промежуточная шихта порциями подавалась на перемешивание. Рабочий объем смесителя составлял 32 дм3

Полученную в смесителе шихту прессовали и помещали в реактор. Взаимодействие исходных компонентов инициировали локальным разогревом шихты до температуры порядка 500 С, что осуществлялось воздействием на шихту пиротехнического состава термитного типа (пусковая таблетка). Синтезированные продукты охлаждали, измельчали до требуемого размера на валковой дробилке и упаковывали в герметичную тару.

По результатам проведенных исследований разработана конструкция реактора СВС ферратов (VI) щелочных металлов (рис. 8), где: 1 - опорный стакан; 2 - цилиндрический корпус; 3 - перфорированный стакан; 4 - шихта; 5 - съемная крышка; 6 - фильтры; 7 - штуцер выхода реакционных газов; 8 - электро-воспламенитель; 9 - предохранительный клапан, рассчитанный на превышение давления выше 6 кгс/см2; 10 - пусковая таблетка; 11 - фланцевое соединение; 12 - днище.

Объем загрузки шихты в реактор - 9,6 дм3. Производительность реактора по K2FeO4 - 13,5 кг, по Na4FeO5 - 15,7 кг.

Рис. 8. Реактор СВС

При необходимости увеличения производительности целесообразно использовать установку синтеза, включающую 20 реакторов, каждый из которых снабжен электровоспламенителем с возможностью дистанционного запуска (рис. 9).

В процессе работы внутреннее межреакторное пространство корпуса заполнялось охлаждающей водой для предотвращения разогрева и самопроизвольного запуска соседних реакторов. Установка имеет периодический режим работы. Производительность за одну загрузку по K2FeO4 - 270 кг, по Na4FeO5 - 314 кг.

Для оценки потребляемой электроэнергии на единицу готовой продукции с разработанным процессом СВС сравнивались три наиболее распространенных метода синтеза ферратов (VI) щелочных металлов (рис. 10).

Рис. 9. Установка синтеза ферратов (VI) щелочных металлов: 1 - реактор СВС; 2 - фильтр; 3 - общий коллектор; 4 - коллектор; 5 - металлорукав; 6 - электро-воспламенитель; 7 - предохранительный клапан

Рис. 10. Сравнительный график энергозатрат:

1 - анодное растворение металлического железа; 2 - взаимодействие соединения железа с пероксидом натрия в токе О2; 3 - взаимодействие соединений Fe (III) со щелочью в присутствии пиросульфата; 4 - СВС

Анализ опытных данных, представленных на рис. 10, показывает, что наименьшие энергозатраты на производство 1 кг феррата (VI) щелочного металла потребляются при использовании разработанного процесса производства, включающего подготовку шихты, синтез и обработку готового продукта согласно технологической схеме. В других рассмотренных способах энергозатраты рассчитаны только на синтез. Затраты электроэнергии на инициирование процесса СВС ферратов (VI) щелочных металлов составляют 1,110-7 кВтч.

Экономический эффект за счет снижения энергозатрат при производстве 1 т феррата (VI) щелочного металла составляет 2643,2 р. Сравнение проведено с наименее энергозатратным способом получения ферратов (VI), заключающимся во взаимодействии соединений Fe (III) со щелочью в присутствии пиросульфата.

На основании проведенных исследований разработаны энергосберегающий процесс производства ферратов (VI) щелочных металлов и его аппаратурно-технологическое оформление, позволяющие получать продукты методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Преимуществами процесса являются высокий выход основного вещества (до 88% мас. феррата (VI) калия и до 93% мас. феррата (VI) натрия), низкое энергопотребление, получение продуктов в твердом виде.

Глава 5. Разработка и испытания регенеративного продукта с ферратным катализатором для защиты органов дыхания человека при работе в составе изолирующих дыхательных аппаратов.

На основе надпероксида калия и феррата (VI) калия разработан регенеративный продукт РП-КФ, обеспечивающий высокую динамическую активность по кислороду и диоксиду углерода, а также равномерное поглощение углекислого газа и выделение кислорода при его работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата.

Установлено, что феррат (VI) калия в составе РП-КФ является источником кислорода, структурообразующей добавкой, а также участвует в реакции автокаталитического типа, что обусловлено его взаимодействием с водой с образованием гидроксида калия, активного гидроксида железа (III) и кислорода:

4K2FeO4 + 10H2O 4Fe(OH)3 + 8KOH + 3O2. (9)

Способ получения регенеративного продукта осуществляли следующим образом. Феррат (VI) калия измельчали в валковой дробилке и просеивали на вибросите до фракции менее 1 мм. Исходные компоненты (надпероксид калия - 95% мас. и феррат (VI) калия - 5% мас.) перемешивали в разработанном смесителе шихты в течение 30 мин. Шихту формовали в блоки на гидравлическом прессе П-474 в пресс-формах до плотности 1,35 г/см3. Дробление регенеративного продукта осуществляли на дробилке КМД 2200Т. Рассев регенеративного продукта проводили на вибросите. Готовый продукт термообрабатывали при температуре 100 ± 10 °С в электропечи СНО-8.812/6-И1 в течение 4 ч.

Проведены испытания РП-КФ в динамической трубке (рис. 11), по результатам которых установлено, что время его работы по кислороду и диоксиду углерода в 1,5 раза больше времени работы серийного продукта ОКЧ-3М и составляло 9125 и 8640 до проскоковой концентрации СО2 не более 0,68%.

а) б)

Рис. 11. Зависимость концентрации О2 (а) и СО2 (б) на выходе из динамической трубки от времени работы регенеративных продуктов

Проведены испытания РП-КФ в самоспасателях СПИ-20, ШСС-Т и ШСС-ТМ производства ОАО «Корпорация «Росхимзащита» (г. Тамбов) на установке «Искусственные легкие».

При испытании РП-КФ в самоспасателях СПИ-20 в режиме средней физической нагрузки при легочной вентиляции 30 ± 1 дм3/мин и объемной подаче СО2 1 ± 0,03 дм3/мин было отмечено, что их время защитного действия выше аналогичных показателей для СПИ-20, снаряженных серийным регенеративным продуктом, и составило 28 и 34 мин, что дает возможность улучшения эксплуатационных характеристик без изменения конструкции аппарата.

При испытании РП-КФ в самоспасателе ШСС-Т по методу МИ 038-0587954-96 в режиме средней физической нагрузки при легочной вентиляции 35 ± 1 дм3/мин и объемной подаче СО2 1,4 ± 0,06 дм3/мин было отмечено, что в процессе работы концентрация СО2 на вдохе не превышала значения 1,23%.

Проведены испытания РП-КФ с различным содержанием ферратного катализатора (3, 5, 7% мас.) по методу МИ 038-0587954-96 в ШСС-ТМ, по результатам которых установлено, что все снаряженные аппараты ШСС-ТМ соответствовали требованиям, предъявляемым к работе регенеративных продуктов в них, по всем показателям (время защитного действия, сопротивление дыханию, температура на вдохе, концентрация СО2 на вдохе, концентрация О2 на вдохе). Наибольшее время защитного действия (73 мин) принадлежало аппарату с 5%-ным содержанием ферратного катализатора, что выше, чем при испытании в ШСС-ТМ серийных регенеративных продуктов (68 мин). Отмечено, что при испытании РП-КФ в ШСС-ТМ концентрация СО2 на вдохе в конце испытаний не превышала 0,95% (серийные продукты - 3%).

При испытании РП-КФ в патроне ИДА-59 (рис. 12), который погружался в термостатирующую жидкость, температура которой поддерживалась на уровне 15 ± 2 С, на соответствие требованиям ТУ 6-16-26-90 при легочной вентиляции 30 ± 1,1 дм3/мин и объемной подаче СО2 1,2 ± 0,1 дм3/мин было отмечено, что продукт РП-КФ способен полностью очищать подаваемую в систему газо-воздушную смесь от СО2, при этом концентрация углекислого газа, равная 0,01%, достигалась на 180 минуте, что значительно ниже, чем у серийного продукта О-3.

а) б)

Рис. 12. Зависимость концентрации СО2 (а) и сопротивления (б) от времени работы регенеративных продуктов в патроне ИДА-59

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан новый энергосберегающий процесс получения ферратов (VI) щелочных металлов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (патенты РФ № 2356842 «Способ получения феррата (VI) натрия» от 09.08.2007, № 2371392 «Способ получения феррата (VI) калия» от 12.02.08).

2. Разработана оригинальная методика определения содержания ферратов (VI) щелочных металлов в продуктах синтеза, основанная на их разложении под действием 1-нормального раствора серной кислоты в устройстве типа аппарата Киппа.

3. Экспериментально определен состав шихты для СВС ферратов (VI) калия и натрия, позволяющий получать продукты с содержанием основного вещества до 88% мас. по K2FeO4 и до 93% мас. по Na4FeO5, включающий: углерод - 5,0% мас., железо - 1,0% мас.; Fe2O3 - 31,0% мас. для СВС K2FeO4 (30,5% мас. для СВС Na4FeO5); KO2 - 63,0% мас., Na2O2 - 63,5% мас.

4. Установлено влияние качества сырья (содержание активного кислорода в пероксидных продуктах, близкое к стехиометрическому (33,7% мас. для KО2, 20,5% мас. для Na2O2), минимизация содержания влаги в оксиде железа (III)) и технологических параметров (начальная температура СВС 20…50 С, плотность прессования шихты 1,42 г/см3 для СВС K2FeO4 и 1,65 г/см3 для СВС Na4FeO5) на содержание ферратов (VI) щелочных металлов в продуктах синтеза.

5. Методом сканирующей электронной микроскопии изучены морфологические особенности кристаллической структуры ферратов (VI) калия и натрия. Доказано, что содержание основного вещества в продуктах синтеза зависит от качества перемешивания шихты в смесителе.

6. Впервые определена динамическая активность феррата (VI) калия в процессе регенерации воздуха: 2,1 дм3/кг по СО2 и 50 дм3/кг по О2.

7. Экспериментально установлено, что 1 кг/м3 раствора K2FeO4 обеспечивает очистку 5000 м3 раствора Ni2+ с концентрацией, в два раза превышающей предельно допустимую (0,0002 г/м3).

Испытания по очистке водных стоков от цианида натрия показали, что все десять исследуемых образцов феррата (VI) калия способны снижать концентрацию NaCN в водном растворе в 7,14…19,23 раза.

Результаты испытаний очистки почвы от побочного действия пестицида
«Раундап» показали, что ферраты (VI) обеспечивают его разложение до более безопасных химических соединений, таких как гидроксид железа (III), фосфат калия, азот и углекислый газ.

8. Разработан смеситель шихты с дистанционным управлением процессом, обеспечивающий безопасность и эффективное качество перемешивания, позволяющее синтезировать ферраты (VI) щелочных металлов с содержанием основного вещества до 88% мас. по K2FeO4 и до 93% мас. по Na4FeO5.

9. Разработаны реактор СВС ферратов (VI) щелочных металлов и промышленная установка периодического действия производительностью 270 кг K2FeO4 или 314 кг Na4FeO5 за одну операцию.

10. Впервые разработан регенеративный продукт с ферратом (VI) калия в качестве структурообразующей добавки, катализатора и источника кислорода, обладающий улучшенными эксплуатационными характеристиками: высокая емкость по кислороду (до 214,6 дм3/кг) и диоксиду углерода (до 108,5 дм3/кг), равномерное поглощение углекислого газа и выделение кислорода при его работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата. Испытания разработанного регенеративного продукта в аппаратах подтвердили увеличение времени защитного действия и повышение комфортности использования.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

y - концентрация цианида, ммоль;

x - концентрация раствора феррата, ммоль;

Э - энергозатраты, кВтч.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ПРЕДСТАВЛЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Метод определения ферратов (VI) щелочных металлов / Ю.Б. Рылов, М.А. Ульянова, С.И. Дворецкий, Ю.А. Ферапонтов, В.П. Андреев // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2009. - Т. 15, № 4. - С. 855 - 860.

2. Рылов, Ю.Б. Разработка энергосберегающего процесса и аппаратурно-технологического оформления производства регенеративного продукта с ферратом (VI) калия / Ю.Б. Рылов, С.И. Дворецкий // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2012. - Т. 18, № 3. - С. 657 - 665.

3. Разработка синтеза ферратов (VI) калия и натрия методом самоподдерживающегося горения / Ю.Б. Рылов, М.А. Ульянова, В.П. Андреев, С.Б. Путин // Научно-технический и производственный журнал «Цветные металлы». - 2011. - № 3. - С. 77 - 80.

4. Исследование морфологии ферратов (VI) щелочных металлов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Ю.Б. Рылов, М.А. Ульянова, С.И. Дворецкий, В.В. Родаев // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2011. - № 2. - С. 32 - 38.

Публикации в других изданиях:

5. Энергосберегающая технология новых ферратных продуктов / Ю.Б. Рылов, С.И. Дворецкий, М.А. Ульянова // Сборник научно-исследовательских работ финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности «ЭВРИКА-2010». - Новочеркасск : Лик, 2010. - С. 174 - 176.

6. Получение феррата калия методом высокотемпературного самораспространяющегося синтеза / Ю.Б. Рылов, М.А. Ульянова, С.И. Дворецкий, В.П. Андреев, Ю.А. Ферапонтов // Химическая технология : сборник тезисов докладов Международной конференции по химической технологии ХТ'07: в 5 т. - М. : ЛЕНАНД, 2007. - Т. 1. - С. 253-254.

7. Рылов, Ю.Б. Использование ферратов (VI) щелочных металлов в технологии регенерации воздуха / Ю.Б. Рылов, М.А. Ульянова // Химическая технология : сборник тезисов докладов Международной конференции по химической технологии ХТ'12: в 5 т. [Электронный ресурс]. - М., 2012. - Т. 1. - С. 234 - 237.

8. Синтез и использование ферратов щелочных металлов для очистки воды и почв / Ю.Б. Рылов, М.А. Ульянова, В.П. Андреев, С.Б. Путин // Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии : сборник материалов 5-й научно-практической конференции. - М. : ФГУП «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ», 2009. - С. 63 - 65.

9. О возможностях использования железосодержащих отходов для получения новых химических продуктов / Ю.Б. Рылов, М.А. Ульянова, С.Б. Путин, С.И. Дворецкий // Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии : сборник материалов 6-й научно-практической конференции. - М. : ФГУП «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ», 2010. - С. 59 - 61.

10. Рылов, Ю.Б. Получение ферратов щелочных металлов методом СВС / Ю.Б. Рылов // Седьмая Всероссийская с международным участием Школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых. - Черноголовка : ООО «Синтэл-Прогресс», 2009. - С. 94 - 96.

11. Регенеративный продукт с катализатором / Ю.Б. Рылов, М.А. Ульянова, В.П. Андреев, Р.О. Антонов // XLI Научная конференция «Актуальные вопросы теории и практики радиационной, химической и биологической защиты». - Шиханы : 33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт МО РФ, 2011. - С. 43-44.

12. Синтез новых продуктов, предназначенных для ликвидации техногенного воздействия на воду и почву / Ю.Б. Рылов, М.А. Ульянова, С.Б. Путин, С.И. Дворецкий, Т.Г-Г. Алиев // Химическая и биологическая безопасность : сборник научных трудов : в 2 т. - М. : РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2011. - Т. 2. - С. 99 - 102.

13. Синтез феррата (VI) калия для использования в средствах регенерации воздуха / Ю.Б. Рылов, М.А. Ульянова, С.И. Дворецкий, В.П. Андреев // Стратегия развития научно-производственного комплекса Российской Федерации в области разработок и производства систем жизнеобеспечения и защиты человека в условиях химической и биологической опасности : материалы Российской научной конференции. - Тамбов : Издательский дом ТГУ им. Г.Р. Державина, 2009. - С. 134 - 136.

14. Рылов, Ю.Б. СВС-технология получения ферратов щелочных металлов для очистки воды и почвы / Ю.Б. Рылов // Аспекты ноосферной безопасности в приоритетных направлениях деятельности человека : материалы I научно-практической конференции. - Тамбов : Изд-во Першина Р.В., 2010. - С. 63 - 65.

15. Пат. 2356842 Российская Федерация, МПК CO1G49/00, CO1D13/00. Способ получения феррата (VI) натрия / Андреев В.П., Рылов Ю.Б., Ульянова М.А., Ферапонтов Ю.А. ; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Корпорация «Росхимзащита». - № 2007130581/15 ; заявл. 09.08.2007 ; опубл. 27.05.2009.

16. Пат. 2371392 Российская Федерация, МПК CO1G 49/00. Способ получения феррата (VI) калия / Ульянова М.А., Андреев В.П., Ферапонтов Ю.А., Рылов Ю.Б. ; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Корпорация «Росхимзащита». - № 2008105376/15 ; заявл. 12.02.08; опубл. 27.10.09.

17. Заявка № 2011105491. Регенеративный продукт для изолирующих дыхательных аппаратов / Ульянова М.А., Андреев В.П., Рылов Ю.Б., Точилов В.А., Селезнев А.П., Путин С.Б. Приоритет 14.02.11. Решение о выдаче патента 25.04.12.

Размещено на Allbest.ru