Получение суспензий низкоразмерных порошков угля с помощью метода гидроударного фракционирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Получение суспензий низкоразмерных порошков угля с помощью метода гидроударного фракционирования

Жогаштиев Н.Т.

В последние годы направление современных научных исследований, связанное с синтезом и анализом новых нанопоршков, интенсивно развивается, поскольку они могут обладать новыми перспективными функциональными характеристиками в силу их дисперсности. Важность работ, проведенные в этом направлении поэтому, в первую очередь, связана с поиском корреляций «состав-структура-дисперсность-свойства» и выявлением наиболее значимых областей возможного практического их использования в создании наноструктурных композиций, получаемых в особых физико-технологических условиях.

В последние годы исследование процессов образования высокодисперсных (нано-, ультра- и микроразмерных) порошков проводится интенсивно и это одно из наиболее динамично развивающихся областей науки, и здесь происходит, огромное накопление теоретического, методического, экспериментального и технологического материала[1]. Использование нанопорошков в качестве добавок к различным материалам с получением наноструктурных композитов резко улучшает механические, электрофизические, химические и другие свойства. Известно также, что методы регулирования свойств материалов на наометрическом уровне позволило открыть новые уникальные функциональные их свойства. Это, в свою очередь, привело к созданию новых продуктов и технологий, основанных на наноструктурном управлении материалами.

Производство наночастиц различных элементов обычно проводят двумя путями: при помощи распыления(сверху-вниз) и процессе самосборки(снизу-вверх)[2,3]. В первом подходе наночастицы получаются при уменьшении размеров сыпучих минерально-сырьевых ресурсов (материалов). Для их производства используются физические, физико-химические, электрические или термические процессы. Эти методы включают энергетическое измельчение, механико-химическую обработку, электрохимическое осаждение, лазерную абляцию, напыление паровую конденсацию и др. При использовании второго подхода наночастицы получают на атомарном (молекулярном) уровне и обрабатывают их преимущественно химическим способом. Каждый из этих подходов может быть реализован в любом из трех состояний вещества: твердое, жидкое и газообразное (а также при комбинации состояний). Наночастицы имеют размеры от атомарного (молекулярного) до 100нм, тем самым образуя «мост» между квантовым и макроскопическим миром (микро и макро).

Исследования высокодисперсных систем[4-6], проведенные учеными различных стран, позволили выделить из них коллоидные (ультрадисперсные) микрогетерогенные системы с размерами частиц в диапазоне 1,0 - 100 нм, характеризующиеся различием в физико-химических свойствах при одинаковом химическом составе. Вещество в коллоидном состоянии диспергировано до 1,0-100 нм, но превышающими по размерам отдельные молекулы. Поэтому многие физико-химические свойства наноразмерных частиц значительно отличаются от таких же свойств того же вещества в виде более крупных (микро- и макроскопических) объектов. К числу этих свойств относятся: механические, теплофизические, электрические, магнитные оптические и химические характеристики. Подобные различия в настоящее время называются наноразмерными эффектами. Кроме того, если размеры наночастиц, хотя бы в одном измерении меньше критических длин, характеризующих многие физические явления, то у них появляются новые уникальные физические и химические свойства квантовомеханической природы [1-3].

Наносуспензии на основе углеродных низкоразмерных частиц

Из литературных данных известно, что наличие в жидкости твердых частиц (низкоразмерных) определенного состава, числа, концентрации, формы, размера и других физико-химических, технологических параметров способно существенным образом изменять с одной стороны исходные свойства самой жидкости и с другой свойства наполнителя. В этом смысле суспензия представляет жидко-нанотвердофазную квазиравновесную систему, имеющую все признаки классического композиционного материала.

Исходя из этого, суспензию можно условно классифицировать как специфический жидкофазный композиционный материал, обладающий широкими функционально-технологическими возможностями и физико-химическими и потребительскими свойствами[4-6].

В известных способах процесс приготовления различных суспензий, состоящих из механической смеси жидкой фазы (наполнителя), разделен по времени. При этом фракционирование и диспергирование твердого продукта осуществляется механически, а затем происходит его смешивание с жидкой матрицей. При этом процесс смешивания может сочетаться с измельчением наполнителя, сепарацией и другими процессами. Такая последовательность действий снижает эффективность активации жидкофазной матрицы частицами твердого наполнителя.

В наших экспериментах получения микро- и наносуспензий, совмещался процессом фракционирования угольных частиц с дальнейшим процессом образования жидко-нанотвердофазной суспензии.

Суть нашей методологии состоит в том, что струя ультрадисперсных угольных частиц направлялся на преграду, с которой после динамического взаимодействия с поверхностью стеклянной емкости происходит микроразрушение с отделением от поверхности микро- и наночастицы угля (макро частицы угля оседают на дно емкости). Отделившиеся относительно мелкие угольные частицы далее смешиваются с воздухом и переходят во вторую емкость, где взаимодействуют также с ее поверхностью. Во второй емкости происходят такие же процессы как и в первом, т.е. относительно крупные частицы угля оседают на дно емкости, а высокодисперсные смешивается с воздухом и попадает в третью емкость и т.д. После многократного фракционирования угольных частиц высокодисперсные попадают в емкость с жидкостью и смешиваются с ней. В емкости с жидкостью оседание высокодисперсных частиц угля не происходит из-за их низкоразмерности. Наши исследования показали, что размер угольных частиц, многократно отделившихся от поверхности материала емкости, имеет микро- и наноразмеры, причем наночастицы угля полностью растворяются в рабочей жидкости.

Такая гидроударная технология многократного фракционирования является новым способом активации жидкостей и получения высокодисперсных частиц угля и жидко-нанотвердофазной суспензии. Основными факторами, приводящими к активации и лежащими в основе технологии получения жидко-нанотвердофазной суспензии данным методом, являются: многократный гидроудар частицы угля о преграду емкости и их диспергирование, а также фракционирование угольных частиц..

Управление функциональной активностью различных жидкостей может осуществляться варьированием давления потока с частицами, размера емкости для фракционирования, количества каскада фракционирования, диаметра сопла для микрогетерогенной фазы и других технологических параметров всего процесса. Таким образом, гидроударная, многокаскадная фракционная технология позволяет обеспечить совмещение процессов образования высокодисперсной твердой фазы и суспензии в целом, повысить функциональную активность последней.

К положительным параметрам предлагаемого способа получения активированных угольных суспензий следует отнести легкую управляемость процессом, получение суспензий в промышленных масштабах, отсутствие ограничений на прочностные характеристики твердой фазы.

К основным активирующим фактором предлагаемого гидроударного способа получения активированных суспензий на основе высокодисперсных частиц углей необходимо отнести следующее:

образование высокодисперсных частиц угля после многократного фракционирования непосредственно внутри жидкой матрицы;

развитую (большую) поверхность частичек угля;

воздействие на жидкость механо-химических, физических и других процессов, происходящих после соприкосновения с высокодисперсными частицами угля.

К таким процессам относятся многоразовое гидродинамическое, ударно-акустическое воздействие и др. на поверхность емкости, приводящее, как известно, к активации самой жидкой матрицы (к возможности проявления синергетических эффектов активации). Это объясняется тем, что гидроударная активация жидкости в сочетании со сверхактивными частицами угля(наполнителя) может привести к появлению нелинейных эффектов в функциональных свойствах конечного продукта, которыми не обладали его исходные элементы (компоненты). Другими словами, классическое правило «смесей» может не выполняться, т.е. создаются все необходимые и достаточные условия для проявления синергизма в свойствах активированной по предлагаемому способу суспензии.

Появляется техническая возможность получения микро- и наносуспензий с различными размерами частиц угля, их фракционирование и сепарирование путем отстаивания или в специальных сепараторах. Причем анализ наследственных свойств жидкой матрицы, т.е. влияние на свойства жидкости в данный момент времени предыстории ее получения (предшествующих воздействий, примесей, полей и т.д.) является самостоятельной научно-прикладной задачей.

наносуспензия нанопорошок гидроударный обеззараживающий

Выводы

В результате выполненных исследований установлено, что:

Применение гидроударной технологии позволяет решать комплекс вопросов, связанных с активацией жидкофазных продуктов. В частности, на примере воды и жидкостей на ее основе показано: повышение функциональной активности технологических сред, применяемых в обеззараживании и бактерицидного действия на обрабатываему жидкость за счет ударно-динамического фактора; сохранение эффекта стерилизации жидкости воды.

Установлено обеззараживающее(бактерицидное) действие гидроударной технологии на обрабатываемые гидротехнологические среды, в первую очередь, на основе воды и ее производных, обусловлено ударно-динамическим, акустико-волновым эффектом стерилизации и сопутствующих ему явлений физической и электромагнитной природы, усиливающих ее результативность.

Оптимизированы процессы получения нанопорошков в системах, на основе углерода, позволяющие воспроизводимо получать материалы с заданной электрофизической характеристикой.

Литература

1.Наноструктурные материалы. Перевод. с англ. А.А.Шустикова. Под.ред. Р.Ханника, А.Хилл, М.:Техносфера, 2009.-488с.

2.Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур инаоматериалов. М.: КомКнига, 2006.-592с.(Синергетика от прошлого к будущему).

3.Герасименко Н.Н., Пархоменко Ю.Н. Кремний - материал наноэлектроники. М.:Техносфера, 2007ю-352с.

4.Кройт Г.Р. Наука о коллоидах. М.: Изд-во иностр. лит., 1955. Т.1. -538с.

5.Козлов Г.В., Яновский Ю.Г., Карнет Ю.Н. Структура и свойства дисперсно-наполненных полимерных композитов: фрактальный анализ. М.: Альянстрансатом, 2008.-363с.

6.Ефремов И.Ф. Периодические коллоидные структуры. Л.: Химия, 1971.-192с.

Размещено на Allbest.ru