CC BY
22
УДК 536.46:621.762:662.612
Ф. Н. Чернов, В. И. Малинин
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗДЕЛЕНИЯ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОФОРЕЗА НАНО- И УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ В ВОДНОМ РАСТВОРЕ
Ключевые слова: наноультрадисперсный порошок, суспензия, электрофорез, электролит.
Разработана и описана конструкция экспериментальной установки для разделения фракций частиц оксида алюминия. Описана методика проведения эксперимента. Определены рекомендуемые диапазоны значений параметров процесса с учётом производительности и энергопотребления.
Keywords: nano-ultra-dispersed oxide, suspension, electrophoresis, electrolyte.
The construction of experimental equipment for fraction separation process of aluminium oxide particles is designed and described. Methodic of experiment is described. Suggested diapasons of values of process parameters with taking into account capacity and power consumption are defined.
Развитие современных технологий основывается на производстве высококачественных порошковых материалов, обладающих заданными свойствами, которые находят свое применение в производстве машиностроительной керамики, композиционных материалов, в электронике, химической промышленности и других областях. Одним из наиболее востребованных для современных технологий является наноультрадисперсный порошок (НУДП). Общий недостаток используемых методов получения НУДП состоит в низкой производительности и невозможности их применения для промышленного производства. В научно-исследовательской работе [1] был предложен новый высокопроизводительный метод получения высокодисперсных порошков оксидов металлов -метод сжигания металлогазовой смеси, который позволяет получать продукты высокого качества при большой производительности. Недостатком данного метода является необходимость выделения дисперсной фракции из суспензии продуктов сгорания.
В работе [1] предложена технологическая схема выделения НУДП из суспензии, в основе которой -использование метода седиментации.
Однако метод седиментации неприменим для выделения нанодисперсных частиц, так как он не учитывает влияние броуновского движения, в котором участвуют частицы диаметром менее 100 нм. Помимо этого, он является достаточно продолжительным, что делает затруднительным его применение в промышленном производстве нанопорошков. Для того чтобы избавиться от влияния броуновского движения и ускорить процесс разделения фракций, предлагается использовать электрофорез - движение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля [2].
Основным этапом предложенной в [1] технологии является этап разделения фракций. Процесс разделения фракций был смоделирован в лабораторных условиях. Для этого была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 1.
цилиндрические емкости; 3 - затвор; 4 -электроды; 5 - основание; 6 - источник постоянного тока; 7 - мультиметр; 8 - станина; 9 -уровень; 10 - регулируемая опора; 11 - вакуумная помпа
Основным элементом схемы является узел разделения фракций, состоящий из ёмкости для суспензии 1, ёмкости для электролита 2, затвора 3, токопроводящих контактов 4 и днища 5. Ёмкости 1 и 2 представляют собой полые цилиндры высотой 150 мм, расположенные концентрически друг относительно друга. Ёмкость 1 выполнена из светопроницаемого материала и снабжена шкалой с делениями для контроля уровня жидкости. Ёмкость 2 имеет в нижней своей части вырезы, через которые под действием электрофореза в неё попадают крупные частицы из ёмкости 1. Затвор 3, расположенный внутри ёмкости 2, отделяет их друг от друга. Затвор плотно примыкает к стенкам ёмкости с возможностью перемещения вверх-вниз. Его основная функция - обеспечить отбор суспензии, содержащей частицы требуемой дисперсности, без перемешивания с суспензией, содержащей крупнодисперсный оксид. Длительность процесса разделения фракций определяется временем осаждения частиц максимального размера из заданного диапазона в слое суспензии высотой h. Для этого на основе данных источников [3,4] произведен расчет времен оседания частиц размера 100, 200, 500, 2000 нм в зависимости о высоты столба суспензии (табл. 1). По истечении расчётного времени затвор опускается и суспензия, содержащая частицы заданного диаметра, сливается.
Вестник технологического университета. 2015. Т.18, №14 Таблица 1 - Расчёт времени оседания частиц
№ И, мм т100, мин т 200, мин т 500, мин т 2000 мин
1 0 0 0 0 0
2 20 11 11 10 9
3 40 23 21 20 18
4 60 34 32 30 28
5 80 46 43 40 37
6 100 57 53 50 46
7 120 69 64 60 55
8 140 80 75 70 64
Таблица 2 - Параметры экспериментальной установки
На высоте 140 мм в ёмкостях 1 и 2 установлены токопроводящие контакты 4, представляющие собой сетку из некорродирующего материала. Контакты имеют отверстия для откачивания жидкости и установки электродов для измерения электрических потенциалов по всей толщине столба суспензии. Ёмкости 1 и 2 жестко закреплены в пазах днища 5. Элементы экспериментальной установки 1, 2, 3 и 5 выполнены из неэлектропроводного материала. Контакты 4 подсоединены к источнику постоянного тока 6 при помощи проводов и зажимов. Разность потенциалов замеряется с помощью мультиметра 7 -комбинированного электроизмерительного прибора, объединяющего в себе несколько функций: вольтметра, амперметра и омметра. Стабильность процесса разделения фракций обеспечивает массивная станина 8. Она гасит внешние колебания, которые могут негативно повлиять на процесс. Станина установлена в строго горизонтальном положении при помощи уровня 9 и четырех регулируемых по высоте опорных стоек 10. Регулировка каждой опоры производится с помощью двух гаек, перемещающихся вдоль шпильки. Суспензия, содержащая оксид требуемой дисперсности, откачивается из ёмкости 1 , раствор электролита, содержащий крупные частицы оксида, откачивается из ёмкости 2. Для отбора используются ручные помпы 11. На основании схемы на рис. 1 спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для исследования процесса разделения фракций. Её параметры представлены в табл. 2.
Задача заключалась в получении из порошков с диапазонами размеров частиц 30... 300 нм (получен в ОКБ «Темп», г. Пермь) и 100.2000 нм (получен в ООО «НПО «МИПОР», г. Томск) частиц диаметром 30.100 и 100.200 нм соответственно. Основные этапы эксперимента:
- подготовка суспензии оксида;
- подготовка раствора электролита;
- разделение фракций с помощью электрофореза;
- анализ результатов эксперимента.
Высота 150 мм
Ширина канала ёмкости с суспензией 9 мм
Объём внешней ёмкости 0,25 л
Объём внутренней ёмкости 0,25 л
Разность потенциалов между электродами 1.300 В
Производительность 0,2...1,0 г/ч
Мощность 0,1.1,5 Вт
Подготовка суспензии оксида. Для соблюдения условия слабоконцентрированной суспензии (объёмная концентрация менее 5%) массовая концентрация частиц принята равной 10% (объёмная -2,5%). Суспензия представляет собой водный раствор, содержащий как исходные частицы, так и их конгломераты. Перед тем как перейти к разделению фракций, конгломераты необходимо разрушить. Для этой цели был использован вибродинамический стенд ЬБ8 У555. Экспериментально определена оптимальная частота колебаний рабочего органа стенда, при которой происходит наиболее быстрое разрушение конгломератов. Эта частота составляет 1,5 кГц.
Подготовка раствора электролита. Из дистиллированной воды с добавлением соли №С1 были подготовлены растворы электролита концентрацией 0,024 и 0,05 кг/м3.
Разделение фракций с помощью электрофореза.
Очень важно, чтобы на протяжении всего процесса разделения фракций электрическое поле было однородным. Однородность в горизонтальном направлении определяется четкой горизонтальностью видимой границы раздела между прозрачной и непрозрачной (матовой) частями суспензии, которая наблюдалась в экспериментах на протяжении всего процесса.
Однородность по вертикали проверялась проведением замеров напряжения в слое суспензии на разной глубине в разные моменты времени. На рис 2 представлена зависимость напряжения и от глубины замера Нз.
Рис. 2 - Зависимость напряжения от глубины замера
Анализ графика показывает, что эта зависимость линейная, что доказывает однородность поля по вертикали.
Таким образом, доказана однородность электрического поля по горизонтали и вертикали на протяжении всего процесса разделения фракций.
Процесс разделения фракций исследован при разных значениях прикладываемого к суспензии напряжения (150 и 300 В) и концентрации электролита (0,024 и 0,05 кг/м3). На рис. 3 показано перемещение границы раздела между прозрачной и непрозрачной частями суспензии на глубину Нгр в зависимости от времени. Анализ графиков показывает, что эта зависимость линейная. Это доказывает, что осаждение частиц оксида происходит равномерно с постоянной скоростью на протяжении всего процесса разделения фракций.
электрического поля на протяжении всего процесса электрофореза. Определена зависимость глубины оседания частиц от времени процесса, прикладываемого напряжения и концентрации электролита.
S S
Я 1 ;|п=0,05кг/м!
i С =0 025 KTiM1
* 1
i/ , J
0 1 0 20 30 40 50 6 0 /0
Рис. 4 - Дифференциальная (а) и интегральная (б) функции распределения массы порошков по размерам частиц
Из порошков с диапазонами размеров частиц 30...300 и 100.2000 нм получены образцы оксида заданной дисперсности (30...100 и 100...200 нм), что подтвердил их дисперсный анализ. Показана возможность применения электрофореза для отбора частиц требуемого размера.
т, мин
Рис. 3 - Глубина перемещения границы раздела в зависимости от времени
Электрокинетический потенциал (^-потенциал), определенный из графиков, приведенных на рис. 3, составляет приблизительно 50 мВ, что совпадает со значением, указанным в источнике [3].
Анализ результатов эксперимента. С помощью лазерного анализатора Zetasizer Nano и электронного микроскопа S-3400N были проведены анализы полученных в результате эксперимента проб, которые показали, что выделенные частицы имеют размер:
- для порошка, полученного в ОКБ «Темп» (диапазон размеров частиц 30.300 нм) - 30.100 нм (рис. 4, график 1);
- для порошка, полученного в ООО «НПО «МИПОР» (диапазон размеров частиц 100.2000 нм) - 100.200 нм (рис. 4, график 2).
Таким образом, был исследован процесс отделения оксида алюминия заданной дисперсности от частиц большего размера в суспензии порошка с широким диапазоном размеров частиц. Доказана однородность
© Ф. Н. Чернов, соискатель, кафедра «Ракетно-космическая техника и энергетические системы», Пермский нац. исслед. политех. ун-тет, fedor.chernov@list.ru; В. И. Малинин, д-р техн. наук, профессор той же кафедры, «malininvi@mail.ru.
© F. N. Chernov, competitor, department "Rocket-space engineering and energy systems", Perm state researching polytechnic university, fedor.chernov@list.ru; V. 1 Malinin, doctor of technical science, professor, department "Rocket-space engineering and energy systems", Perm state researching polytechnic university, malininvi@mail.ru.
Литература
1. Малинин В.И. Внутрикамерные процессы в установках на порошкообразных металлических горючих. Екатеринбург-Пермь: УрО РАН, 2006. 262 с.
2. Чернов, Ф.Н. Оборудование для выделения нанодисперсного оксида из суспензии продуктов сгорания металлогазовой смеси / Чернов Ф.Н., Малинин В.И. / Вестник Ижевского государственного технического университета имени М.Т.Калашникова, 2013. №3. С.44-46.
3. Духин С.С., Дерягин Б.В. Электрофорез. - «Наука» М. 1976. - 332с.
4. Козьмина З.П., Кожина И.И. Исследование зависимости электрокинетического потенциала окиси алюминия от условий её получения // Электроповерхностные явления в дисперсных системах. М.: 1972. С. 16-20.
