Виробництво каоліну з використанням установки АВС-100

Апарати вихровго шару є універсальними пристроями, що дозволяє застосовувати їх у найрізноманітніших сферах промисловості, наприклад, у такому напрямку, як виробництво каоліну. Процеси, що проходять у вихровому шарі ферромагнітних частинок, дозволяють інтенсифікувати процеси дроблення, помолу; дозволяють подрібнити практично будь-який матеріал до колоїдної ступені дисперсності. Розглянемо варіант застосування АВС-100 у фармацевтиці та медицині.

Як відомо, диспергування твердих тіл обумовлює збільшення швидкості гетерогенних процесів, підвищує активність дисперсних систем, покращує якість наповнювачів для різних високомолекулярних речовин.

Розрахунки з урахуванням того, що довжина контакту між ферромагнітними елементами в момент зіткнення може досягати до 1 мм, показують, що напруженість у поверхневому шарі ферромагнітних елементів та оброблюваної сировини може досягати кількох тисяч МПа, що призводить до подрібнення сировини.

Ударні навантаження високої частоти та сила тертя ферромагнітних частинок призводять не лише до подрібнення твердих матеріалів і отримання тонкодисперсних суспензій, а й до активації поверхні частинок за рахунок деформації кристалічної решітки.

Нижче розглянемо результати досліджень застосування АВС для отримання водних суспензій різних компонентів. В якості об’єкта досліджень обрано два основних типи суспензій: гідрофільні (водна суспензія каоліну) та гідрофобні (водна суспензія оксиду цинку). В якості ПАР (поверхнево-активної речовини) застосовувався диспергатор «НФ».

Вибір саме цих об’єктів досліджень обумовлений їх широким розповсюдженням у медицині, фармацевтиці, а також у промисловості.

Коротко розглянемо сфери застосування каоліну та оксиду цинку.

Виробництво каоліну та його застосування

Основні властивості каоліну — висока вогнетривкість, низька пластичність і зв’язувальна здатність.

Зазвичай каолін збагачують, видаляючи шкідливі домішки (гідроксиди та сульфіди Fe і Ti), які знижують білизну та вогнетривкість. Збагачений каолін використовують як сировину у виробництві: фарфору, фаянсу, тонкої, електротехнічної кераміки; для отримання ультрамарину, Al2(SO4)3 та AlCl3; як наповнювач у виробництві паперу, гуми, пластмас, основ для покрівельних матеріалів; він входить до складу пестицидів і парфумерних виробів (під назвою «біла глина»).

Каолін застосовують для виготовлення коленкору та інших палітурних матеріалів, а також він входить до складу покриття (меловки) мелованого паперу та картону.

Каолініт також використовується у складі косметичних і парфумерних паст, кремів, мазей і пудри. У фармацевтичному виробництві добре очищений каолін є інертною зв’язувальною добавкою для багатьох лікувальних препаратів, харчовою добавкою, застосовується в зубних пастах, косметиці та багатьох інших галузях.

Оксид цинку

Властивості оксиду цинку зумовлюють його широке застосування у фармацевтичній промисловості. Оксид цинку широко використовується при створенні абразивних зубних паст і цементів у терапевтичній стоматології, у кремах для засмаги та косметичних процедурах, у виробництві електрокабелю, штучної шкіри та гумотехнічних виробів. Крім того, його застосовують у шинній, лакофарбовій, нафто переробній промисловостях. Оксид цинку використовують при виробництві скла і кераміки.

Оксид цинку також застосовується як:

активатор вулканізації деяких каучуків;
вулканізуючий агент хлоропренових каучуків;
каталізатор синтезу метанолу;
білий пігмент при виробництві фарб та емалей (нині витіснений нетоксичною діоксидом титану TiO2);
наповнювач і пігмент у виробництві гуми, пластмас, паперу, парфумерії та косметики, добавка до кормів для тварин, у виробництві скла та фарб на основі рідкого скла, як один із компонентів перетворювача іржі.

Крім того, порошок оксиду цинку — перспективний матеріал як робоча середа для порошкових лазерів. На основі оксиду цинку створили світлодіод блакитного кольору. Тонкі плівки та інші наноструктури на основі оксиду цинку можуть застосовуватися як чутливі газові та біологічні сенсори.

Обладнання АВС для виготовлення каоліну

Нижче наведені результати досліджень застосування АВС для отримання водних суспензій різних компонентів. Об’єкт досліджень — два основних типи суспензій:

гідрофільні (водна суспензія каоліну);
гідрофобні (водна суспензія оксиду цинку).

Показниками, які характеризують властивості готової суспензії, є дисперсність твердої фази та стійкість до розшарування.

Стійкість суспензії характеризується основними її параметрами, які не змінюються з часом — дисперсністю та рівномірністю розподілу дисперсної фази у середовищі.

Дисперсність — важливий показник стану суспензії. Вона забезпечує необхідні властивості не лише окремим елементам твердої фази, а й усій системі загалом. Зі збільшенням дисперсності суттєво можуть змінюватися фізико-хімічні властивості суспензій. До цих властивостей належать:

реакційна здатність;
стійкість до розшарування;
структуроутворення тощо.

Під час досліджень для визначення дисперсності твердої фази суспензії застосовувався седиментаційний метод, який дозволив визначити фракційний склад суспензії шляхом безперервного зважування частинок твердої фази на торсіонних вагах, які осідали під дією сили тяжіння.

Стійкість суспензії характеризується основними її параметрами, які не змінюються з часом — дисперсністю та рівномірністю розподілу дисперсної фази в середовищі. На практиці розглядають два види стійкості суспензії — кінематичну (седиментаційну) та агрегативну. Суспензії седиментаційно нестійкі — частинки їх осідають під дією сили тяжіння. Водночас седиментаційно нестійкі суспензії можуть бути агрегативно стійкими (частинки осідають окремо), так і агрегативно нестійкими (частинки під дією молекулярних сил утворюють агрегати і осідають). Агрегативною стійкістю суспензії володіють тоді, коли частинки вкриті сольватними оболонками.

При дослідженні стійкості суспензії застосовували рефільтраційний аналіз і аналіз зміни відносної концентрації дисперсної фази за висотою відстійника, у який заливалось 230 мл суспензії (h = 240 мм), і через годину відстою на фіксованих висотах (0,4h, 0,55h, 0,7h) відбирали проби. Відібрані проби суспензії сушили до постійної маси та визначали концентрацію частинок у пробах (С). За результатами аналізу визначали відносну концентрацію суспензії (С/С0) для кожної висоти відстійника. Стійкість суспензії залежить від цілого ряду факторів: дисперсності частинок твердої фази, їх активності, стану поверхні тощо.

Відомо, що седиментація частинок дисперсної фази з агрегативно стійких та нестійких суспензій відбувається по-різному. Осідання частинок з агрегативно нестійкої суспензії проходить швидко, оскільки частинки утворюють пухкі агрегати, які формують великий за об’ємом седиментаційний осад. В агрегативно стійкій суспензії частинки при зіткненні не утворюють агрегатів, осідають повільно і в осаді знаходяться ізольовано один від одного. Через це осад має щільне упакування і займає малий об’єм.

Тривалість приготування суспензії відповідної дисперсності досягається в АВС за 30-60 с, для приготування суспензії такої ж дисперсності у кульовій млині знадобиться вже 3600 с.

Враховуючи вищезазначене, за характером осідання частинок можна судити про ступінь агрегативної стійкості суспензії. Для визначення агрегативної стійкості суспензії застосовують метод рефільтрації. Він базується на визначенні швидкості рефільтрації (вторинної фільтрації) дисперсійного середовища через шар дисперсної фази, що утворюється на поверхні фільтра при фільтрації через нього суспензії. Чим більше флокульована дисперсна фаза, тим пухкішим утворюється осад і тим вища швидкість рефільтрації. При відсутності флокуляції осад утворюється щільним, а швидкість рефільтрації при цьому повільна. Для досліджень рефільтрації використовували лійку Бюхнера, мірний циліндр і вакуумний насос. За допомогою секундоміра визначали час видалення 10, 20, 30, 40, 50 см³ фільтрату.

Аналіз отриманих даних (табл. 1) свідчить про те, що збільшення тонкої фракції досягається за рахунок зменшення крупної фракції. При цьому тривалість приготування суспензії відповідної дисперсності досягається в АВС за 30-60 с, а у кульовій млині — 3600 с. Через те, що суспензії каоліну та оксиду цинку відповідної дисперсності можна отримати в апараті з мішалкою, підтверджується гіпотеза, що подрібнення твердої фази в АВС досягається як за рахунок імпульсного ударного впливу ферромагнітних елементів, так і за рахунок відповідного руху частинок у оброблюваному середовищі.

Таблиця 1

Вплив параметрів вихрового шару на дисперсність 30% суспензії каоліну, отриманої в АВС

Маса ферромагнітних елементів, г	Тривалість обробки, с	Кількість твердої фази (%) у інтервалі дисперсності, 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
Суспензія, отримана в кульовій млині	3 600	55,26	28,96	15,78
Суспензія, отримана в апараті з мішалкою	3 600	51,89	17,72	20,39

У таблиці 2 наведено дані дослідження кінематичної стійкості суспензії каоліну, отриманої в АВС.

Таблиця 2

Вплив параметрів вихрового шару на кінематичну стійкість до розшарування 30% суспензії каоліну, отриманої в АВС

Маса ферромагнітних елементів, г	Тривалість обробки, с	Розподіл відносної концентрації суспензії (С/С0) по висоті через 1 годину відстою
		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	0,83
200	5	0,87	0,81	0,78
	10	0,91	0,83	0,80
	15	0,94	0,84	0,81
	30	0,96	0,88	0,82
	60	1,01	0,91	0,83
250	5	0,88	0,84	0,81
	10	0,92	0,86	0,82
	15	0,95	0,87	0,84
	30	0,99	0,89	0,86
	60	1,03	0,91	0,87

Дані табл. 2 свідчать, що існують відповідні режимні параметри вихрового шару, які дозволяють отримати кінетичну стійкість, а отже — стабільну до розшарування суспензію каоліну.

Високу ефективність застосування АВС для приготування суспензій підтверджують результати досліджень впливу параметрів вихрового шару та концентрації суспензії оксиду цинку на дисперсність, кінетичну та її агрегативну стійкість (табл. 3–4).

Таблиця 3

Вплив параметрів вихрового шару на дисперсність 30% суспензії оксиду цинку, отриманої в АВС

Маса ферромагнітних елементів, г	Тривалість обробки, с	Кількість твердої фази (%) у діапазоні розмірів часток, мкм
		1,7–2,2
100	5	43,32
	10	45,67
	15	47,6
	30	52,36
	60	61,49
150	5	48,84
	10	50,71
	15	53,04
	30	57,71
	60	59,86
200	5	50,48
	10	51,84
	15	53,35
	30	56,47
	60	61,94
250	5	52,04
	10	53,96
	15	56,59
	30	59,82
	60	62,88
Суспензія отримана у кульовому млині	3600	54,76
Суспензія отримана в апараті з мішалкою	3600	49,39

Таблиця 4

Дослідження впливу параметрів вихрового шару на кінетичну стійкість до розшарування 30% суспензії оксиду цинку, отриманої в АВС

Маса ферромагнітних елементів, г	Тривалість обробки, с	Розподіл відносної концентрації суспензії (С/С₀) за висотою через 1 годину відстоювання
		0,40 h
100	5	0,87
	10	0,88
	15	0,87
	30	0,87
	60	0,89
150	5	0,87
	10	0,86
	15	0,88
	30	0,88
	60	0,89
200	5	0,88
	10	0,87
	15	0,88
	30	0,89
	60	0,95

Таким чином, особливості вихрового шару ферромагнітних елементів — ударні навантаження високої частоти та сили тертя — призводять не лише до подрібнення часток твердих матеріалів і отримання тонкодисперсних суспензій, а й, як було зазначено вище, до активації їх поверхні за рахунок деформації кристалічної решітки. Наявність цього факту забезпечує значну економію часу обробки матеріалу, підвищує якість оброблюваного матеріалу і готового продукту в цілому, веде до економії коштів і, як результат, до отримання більшої вигоди та інтенсифікації процесу виробництва.

Як було зазначено раніше, апарат вихрового шару АВС-100 є універсальним пристроєм для інтенсифікації хімічних і фізичних реакцій, що дає йому значну перевагу перед іншими установками і, як наслідок, дозволяє використовувати і застосовувати його в різних сферах промисловості.