Научная статья на тему 'Исследование влияния ультразвукового воздействия на диспергацию флокул стеариламина в аминомасляной эмульсии'

Исследование влияния ультразвукового воздействия на диспергацию флокул стеариламина в аминомасляной эмульсии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
89
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА / АМИНОМАСЛЯНАЯ ЭМУЛЬСИЯ / ФЛОКУЛЫ СТЕАРИЛАМИНА / РАЗМЕРЫ ФЛОКУЛ / УСТОЙЧИВОСТЬ ЭМУЛЬСИИ / ULTRASONIC TREATMENT / AMINOBUTYRIC EMULSION / STEARYLAMINE FLOCCULES / FLOCCULES DIMENSIONS / EMULSION STABILITY

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Вахрушев В. В., Казанцев А. Л., Горожанинова Т. А., Шипков В. Д., Пойлов В. З.

В статье представлены исследования по определению влияния ультразвуковой обработки на размеры флокул стеариламина в аминомасляной эмульсии и устойчивость получаемых эмульсий. Установлено, что флокулы амина в исходной аминомасляной эмульсии имеют бимодальное распределение с размерами мелких частиц преимущественно 900 нм и крупных частиц с размерами 5500 нм и более. Выявлено, что ультразвуковая обработка приводит к уменьшению размеров флокул стеариламина в 13-25 раз, размеры получаемых флокул находятся в области 35-220 нм. Исследована динамика изменения размеров флокул стеариламина в аминомасляных эмульсиях, получаемых после ультразвуковой обработки с интенсивностью 15-30 Вт/см2. Установлено, что после ультразвуковой диспергации протекает процесс укрупнения флокул амина, длительность которого зависит от интенсивности обработки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Вахрушев В. В., Казанцев А. Л., Горожанинова Т. А., Шипков В. Д., Пойлов В. З.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Investigation of ultrasonic treatment influence on stearylamine floccules dispersion in aminobutyric emulsion

The article presents the investigation of ultrasonic treatment influence on the size of the stearylamine floccules in the aminobutyric emulsion and on the stability of received emulsions. It was found that the amine floccules in the original aminobutyric emulsion have a bimodal size distribution with small particles predominantly 900 nm and large particles with size of 5500 nm or more. It was identified that ultrasonic treatment leads to decrease the stearylamine floccules size in 13-25 times, dimensions of obtained floccules are between 35 and 220 nm. The dynamics of size changes of stearylamine floccules was studied. The stearylamine floccules were obtained in aminobutyric emulsions after the ultrasonic treatment with an intensity of 15-30 W/cm2. It was found that after ultrasonic dispersion the process of amine floccules agglomeration takes place, the duration of this effect depends on the intensity of treatment.

Текст научной работы на тему «Исследование влияния ультразвукового воздействия на диспергацию флокул стеариламина в аминомасляной эмульсии»

Исследование влияния ультразвукового воздействия на диспергацию флокул стеариламина в аминомасляной эмульсии

В.В. Вахрушев, А.Л. Казанцев, Т.А. Горожанинова, В.Д. Шипков, В.З. Пойлов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Аннотация: В статье представлены исследования по определению влияния ультразвуковой обработки на размеры флокул стеариламина в аминомасляной эмульсии и устойчивость получаемых эмульсий. Установлено, что флокулы амина в исходной аминомасляной эмульсии имеют бимодальное распределение с размерами мелких частиц преимущественно 900 нм и крупных частиц с размерами 5500 нм и более. Выявлено, что ультразвуковая обработка приводит к уменьшению размеров флокул стеариламина в 13-25 раз, размеры получаемых флокул находятся в области 35-220 нм. Исследована динамика изменения размеров флокул стеариламина в аминомасляных эмульсиях, получаемых после ультразвуковой обработки с интенсивностью 15-30 Вт/см2. Установлено, что после ультразвуковой диспергации протекает процесс укрупнения флокул амина, длительность которого зависит от интенсивности обработки.

Ключевые слова: ультразвуковая обработка, аминомасляная эмульсия, флокулы стеариламина, размеры флокул, устойчивость эмульсии.

Улучшение физико-механических характеристик удобрений, таких как гигроскопичность, слеживаемость, пылимость, прочность, относится к важной и актуальной по настоящее время проблеме [1-3]. Одним из методов предотвращения слеживаемости и снижения гигроскопичности удобрений является нанесение на поверхность гранул и кристаллов продукта поверхностно-активных веществ, например, аминомасляных эмульсий. К недостаткам этого способа можно отнести сложность равномерного распределения эмульсий по поверхности продукта в связи с плохой смешиваемостью компонентов эмульсий. Получение высокодисперсных, однородных и химически чистых эмульсий возможно за счет использования ультразвукового эмульгирования [4]. В ряде работ установлена возможность применения ультразвуковой обработки (УЗ-обработки) для совершенствования отдельных стадий производства калийных удобрений [57]. Однако, данные о влиянии ультразвукового воздействия на эмульсию стеариламина и масла в литературе отсутствуют. В связи с этим проведены

исследования по определению влияния ультразвуковой обработки на размеры флокул и устойчивость получаемых эмульсий стеариламина в масле.

Объектом исследований являлась аминомасляная эмульсия, содержащая стеариламин (11% масс.) и индустриальное масло марки «И-40» (89% масс.). Ультразвуковую обработку эмульсии осуществляли при помощи установки, представленной на рис.1.

Рис. 1 - Установка для ультразвуковой обработки аминомасляной эмульсии: 1 - ультразвуковой генератор; 2 - ультразвуковой излучатель погружного типа; 3 - термостат; 4 - реактор с рубашкой.

В термостатируемый реактор (3) помещали аминомасляную эмульсию с температурой 60оС. Далее в эмульсию помещали ультразвуковой излучатель (2) и проводили ее обработку с интенсивностью воздействия 1030 Вт/см и длительностью 20-120 секунд. Частота УЗ-обработки составляла 22 кГц и была выбрана на основании литературных данных по эффективности диспергирования частиц [8, 9]. После УЗ-обработки эмульсию анализировали при помощи лазерного анализатора размеров наночастиц «Zetasizer Nano», в котором реализован метод динамического рассеяния света, основанный на определении коэффициента диффузии диспергированных в жидкости частиц. Радиус частиц определяли по

1Ш1 Инженерный вестник Дона. №4 (2015) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2015/3425

уравнению Стокса-Эйнштейна исходя из вязкости жидкости и измеренного значения коэффициента диффузии частиц в жидкости [10].

Первоначально проводили оценку распределения флокул по размерам свежеприготовленной аминомасляной эмульсии. На рис.2 представлено изменение размеров флокул амина в первые 10 минут выдержки эмульсии.

Рис. 2 - Дифференциальные кривые объемного распределения флокул стеариламина по размерам в исходной аминомасляной смеси

Из анализа кривых на рис.2 можно видеть, что флокулы стеариламина в исходной эмульсии первоначально имеют мономодальное распределение, а после 6 минут выдержки - бимодальное распределение с размерами мелких частиц преимущественно 900 нм, и крупных частиц с размерами 5500 нм. При выдержке более 6 минут крупные флокулы выпадают в осадок, вследствие чего выходят за пределы регистрации размеров частиц прибора. Таким образом, аминомасляная эмульсия является нестабильной и со временем расслаивается за счет образования крупных флокул из флокул малого размера. Однако, после выдержки эмульсии в течение 10 минут распределение флокул стеариламина по размерам стабилизируется.

УЗ-обработка аминомасляной эмульсии существенно влияет на размеры флокул амина (рис.3).

Рис. 3 - Дифференциальные кривые объемного распределения флокул

2

стеариламина по размерам при УЗ-обработке с интенсивностью 30 Вт/см

Из рис.3 видно, что эффект действия ультразвуковой обработки на размеры флокул амина наблюдается уже после 20 секунд обработки. Увеличение длительности УЗ-обработки до 40-120 секунд приводит к появлению бимодальных кривых распределения, причем обработка более 60 секунд не приводит к изменению кривых распределения. Следовательно, для исследуемой аминомасляной эмульсии достаточна ультразвуковая обработка продолжительностью 60 секунд.

Наличие частиц с размером 5000 нм можно было бы отнести к пузырькам воздуха, возникающим при кавитации после УЗ-обработки. Однако, измерения чистого масла без введенного амина после обработки показали отсутствие частиц такого размера. Из этих данных можно заключить, что крупные размеры частиц принадлежат не пузырькам воздуха, а стеариламину.

Установлено влияние интенсивности ультразвуковой обработки продолжительностью 60 секунд на средний размер флокул стеариламина (рис.4).

Рис. 4 - Влияние интенсивности УЗ-обработки длительностью 60 секунд на средний размер флокул стериламина

Видно (рис.4), что УЗ-обработка длительностью 60 секунд позволяет получить эмульсии с размерами флокул стеариламина в интервале 35-220 нм, при интенсивности УЗ-обработки 15-30 Вт/см происходит уменьшение флокул амина в 13-25 раз. Минимальный размер флокул достигается при интенсивности УЗ-обработки 25 Вт/см2.

Исследована динамика изменения размеров флокул аминомасляных

2

эмульсий, получаемых после УЗ-обработки с интенсивностью 15-30 Вт/см . В качестве примера на рис.5 представлено распределение флокул стеариламина по размерам после ультразвуковой обработки с интенсивностью 25 Вт/см и длительностью 60 секунд. На рис.6 показано изменение среднего размера флокул стеариламина после УЗ-обработки.

40

ж 30

I Я 20

Ю 10

О

/ЛГ\ / \ Л

/ /\ \ / \ / Л \ / \

АУ V У V

10

100

2 минуты 8 минут

1000

10000

Размер, нм

4 минуты 10 минут

6 минут 12 минут

Рис. 5 - Динамика изменения распределения флокул стеариламина по размерам после УЗ-обработки с интенсивностью 25 Вт/см2

1000

900

м н 800

> к 700

о

л ■& 600

р

е м 500

м

го

р 400

и

н д 300

е

р О 200

100

0

4 6 8 10

Длительность выдержки, мин

15 Вт/см2

20 Вт/см2

25 Вт/см2

12

30 Вт/см2

14

Рис. 6 - Изменение среднего размера флокул стеариламина после УЗ-обработки аминомасляной эмульсии с различной интенсивностью

Из данных, представленных на рис.5 и 6 видно, что после ультразвуковой диспергации с увеличением длительности выдержки происходит укрупнение флокул стеариламина. Данный процесс осуществляется за счет слияния мелких флокул, что подтверждается

расширением границ дифференциальных кривых распределения с 50 нм при 2-х минутах выдержки до 900 нм при 12 минутах (рис.5). Следует отметить, что в отличие от исходной эмульсии (рис.2) дифференциальные кривые распределения флокул по размерам мономодальны. УЗ-обработка аминомасляной эмульсии с интенсивностью 20 Вт/см2 увеличивает в 2,5 раза длительность периода сохранения малых размеров флокул стеариламина (100 нм) по сравнению с интенсивностью 15 Вт/см . Дальнейшее увеличение интенсивности УЗ-воздействия до 25-30 Вт/см2 почти не влияет на длительность периода сохранения малых размеров флокул. Следовательно, для исследуемой аминомасляной эмульсии достаточна УЗ-обработка с интенсивностью 20 Вт/см .

На основании проведенных исследований можно заключить следующее:

1. Установлено, что флокулы стеариламина в исходной аминомасляной эмульсии имеют бимодальное распределение с размерами мелких частиц преимущественно 900 нм и крупных частиц с размерами 5500 нм и более.

2. Выявлено, что ультразвуковая обработка приводит к диспергации флокул стеариламина (уменьшению размеров в 13-25 раз). Показано, что УЗ-обработка с интенсивностью 10-25 Вт/см позволяет получить флокулы аминов с мономодальным распределением в области размеров 35-220 нм.

3. Исследована динамика изменения размеров флокул стеариламина в аминомасляных эмульсиях, получаемых после УЗ-обработки с интенсивностью 15-30 Вт/см . Установлено, что после ультразвуковой диспергации протекает процесс укрупнения флокул амина, длительность которого зависит от интенсивности обработки. Флокулы с размерами близкими к 100 нм сохраняются в аминомасляной эмульсии в течение 2-8 минут.

IВЦ Инженерный вестник Дона. №4 (2015)

U ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2015/3425

Литература

1. Тетерина H.H., Сабиров Р.Х., Сквирский Л.Я., Кириченко Л.Н.; под ред. Н. Н. Тетериной / Технология флотационного обогащения калийных руд. Пермь: Соликамская типография, 2002. 484 с.

2. Титков С.Н., Мамедов А.И., Соловьев Е.И. Обогащение калийных руд / М.: Недра, 1982. 216 с.

3. Федотова О.А., Потапов И.С., Пойлов В.З. Моделирование изменений физико-химических характеристик калийных удобрений в процессах хранения и транспортировки // Инженерный вестник Дона, 2014, № 2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2390

4. Бреховских Л.М., Гончаров В.В. Введение в механику сплошных сред. М.: Наука, 1982. 337 с.

5. Глембоцкий В.А., Соколов М.А., Якубович И.А., Байшулаков А.А., Кириллов О.Д., Колчеманова А.Е. Ультразвук в обогащении полезных ископаемых / Алма-Ата: Наука, 1974. 229 с.

6. Косвинцев О.К., Миронова С.А., Лановецкий С.В. Исследование влияния ультразвукового воздействия на стадии шламовой флотации сильвинитовой руды // Инженерный вестник Дона, 2015, № 2-2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/3024

7. Осипович А.Э., Вахрушев В.В., Казанцев А.Л., Пойлов В.З., Алиферова С.Н. Влияние ультразвуковой обработки на водную эмульсию солянокислого амина // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. 2014. № 3. С. 89-96.

8. Patent WO 2006/047399, IPC B03D1/02, B06B3/00, C01B25/01, C01B25/26. Treatment of phosphate material using directly supplied, high power ultrasonic energy / Cargill Incorporated; applicants Patist Alexander, Bates Darren Miles, Mikkola Karen A., Yasalonis John, Weatherwax Trent, Clark Donald/ -International Filing Date 24.10.2005; Publication Date 04.05.2006.

IВЦ Инженерный вестник Дона. №4 (2015)

U ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2015/3425

9. Кузьминых К.Г. Пойлов В.З., Рупчева В.А., Полякова Е.Н. Исследование процесса диспергации галургического хлорида калия при ультразвуковой обработке // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. 2010. № 11. С. 45-52.

10.Roland G. Larson. The structure and rheology of complex fluids. New York:Oxford University Press, 1999. p. 688.

References

1. Teterina N.N. , Sabirov R.Kh., Skvirskiy L.Ya., Kirichenko L.N.; pod red. N.N. Teterinoy Tekhnologiya flotatsionnogo obogashcheniya kaliynykh rud [Flotation technology of potash ores]. Perm': Solikamskaya tipografiya, 2002. p. 484.

2. Titkov S.N., Mamedov A.I., Solov'ev E.I. Obogashchenie kaliynykh rud [Potash ore benefication]. Moscow: Nedra, 1982. p. 216.

3. Fedotova O.A., Potapov I.S., Poylov V.Z. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, № 2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2390

4. Brekhovskikh L.M., Goncharov V.V. Vvedenie v mekhaniku sploshnykh sred [Introduction to the continuum mechanics]. M.: Nauka, 1982. p. 337.

5. Glembotskiy V.A., Sokolov M.A., Yakubovich I.A., Bayshulakov A.A., Kirillov O.D., Kolchemanova A.E. Ul'trazvuk v obogashchenii poleznykh iskopaemykh [Ultrasonic in mineral processing]. Alma-Ata: Nauka, 1974. p. 229.

6. Kosvintsev O.K., Mironova S.A., Lanovetskiy S.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, № 2-2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/3024

7. Osipovich A.E., Vakhrushev V.V., Kazantsev A.L., Poylov V.Z., Aliferova S.N. Vestnik PNIPU. Khimicheskaya tekhnologiya i biotekhnologiya. 2014. № 3. pp. 89-96.

IВЦ Инженерный вестник Дона. №4 (2015) U ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2015/3425

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

8. Patent WO 2006/047399, IPC B03D1/02, B06B3/00, C01B25/01, C01B25/26. Treatment of phosphate material using directly supplied, high power ultrasonic energy. Cargill Incorporated; applicants Patist Alexander, Bates Darren Miles, Mikkola Karen A., Yasalonis John, Weatherwax Trent, Clark Donald. International Filing Date 24.10.2005; Publication Date 04.05.2006.

9. Kuz'minykh K.G. Poylov V.Z., Rupcheva V.A., Polyakova E.N. Vestnik PNIPU. Khimicheskaya tekhnologiya i biotekhnologiya. 2010. № 11. pp. 4552.

10.Roland G. Larson. The structure and rheology of complex fluids. New York:Oxford University Press, 1999. p. 688.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.