CC BY
64
УДК 66.074.327:546.32-39
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ НАНЕСЕНИЯ ГИДРОКСИДА КАЛЬЦИЯ НА ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ Н.Ф. Гладышев1, Т.В. Гладышева1, С.И. Дворецкий2, М.П. Архипова2
ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов (1); кафедра «Технологическое оборудование и пищевые технологии», ТГТУ (2)
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: гидроксид кальция; диоксид углерода; известковое молоко; химический поглотитель.
Аннотация: Исследована возможность нанесения гидроксида кальция из растворов известкового молока различной концентрации на пористые материалы. Проведены расчеты количества основного вещества, содержащегося на пористой матрице, и даны рекомендации для дальнейшего исследования в области создания нового материала - химического поглотителя кислых газов.
Введение
Распространение сферы человеческой деятельности на области, не пригодные для обитания человека, требует использования замкнутых жилых помещений с искусственной газовой атмосферой. Воздушная среда в таких помещениях формируется газообразными выделениями от человека, материалов и оборудования. Одним из основных продуктов жизнедеятельности человека, регулирование которого обязательно, является диоксид углерода. При средних скоростях его выделения в пределах 1,0 кг/(сут.-чел.) концентрация его в стандартном объеме помещения в течение нескольких часов достигает уровня, исключающего нормальную жизнедеятельность человека.
Регулирование концентрации диоксида углерода осуществляется, в основном, в результате хемосорбции на щелочных поглотителях. Это обусловлено способностью щелочных продуктов взаимодействовать с газообразными выделениями, образующимися в результате жизнедеятельности человека или работы оборудования.
В настоящее время в основном используются химические поглотители из маломагнезиальной извести и гидроксида натрия, содержащие не менее 96 % гидроксида кальция и 4 % гидроксида натрия. Они представляют собой гранулы белого или светло-серого цвета и выпускаются промышленностью как в России [1], так и за рубежом [2 - 6]. В патенте [2] представлен поглотитель диоксида углерода на основе гидроксида кальция и гидроксида калия, который имеет высокую прочность и не имеет тенденции к пылеобразованию, что достигается благодаря прибавлению к основному компоненту соли щелочного металла, предпочтительно гексаметафосфата натрия, или неорганической кислоты, такой как фосфорная, серная, хромовая, ванадиевая и другие. Это ведет к увеличению прочности в гранулах гидроксида кальция. Дополнительным компонентом в количестве
0,5 ...15 % вносят порошок Са(ОН)2 до его грануляции. Добавки являются недорогими и физиологически безопасными.
В патенте [3] описан состав химического поглотителя диоксида углерода и процесс его приготовления. Данный состав включает гидроксид кальция, гидроксид натрия, гидроксид калия, воду и цеолит. Цеолит улучшает механическую прочность, благодаря чему гранулы поглотителя не пылят. Можно использовать различные цеолиты, содержащие натрий, кальций, барий, стронций или калий. Обычное содержание цеолита - 0,1.10 %, более предпочтительное - 2.6 %. В данном поглотителе основным компонентом является гидроксид кальция. Процесс производства химического поглотителя диоксида углерода в твердой гранулированной форме включает следующие стадии:
а) приготовление пасты путем смешения основных компонентов химического поглотителя с водой;
б) формование гранул в виде полусфер при помощи специальных роликов;
в) снятие полученных гранул с матрицы;
г) сушка гранул;
д) увлажнение гранул.
Полученный химический поглотитель имеет влажность 13.19 %. При использовании данного поглотителя в анестезирующих системах вентиляции добавляют pH чувствительный индикаторный краситель.
В патенте [4] описан поглотитель диоксида углерода, в состав которого входят гидроксид кальция, вода, модификатор реологии, индикаторный краситель, хлористый кальций. Данный продукт нашел широкое применение, в основном - в анестезирующих аппаратах. В процессе работы поглотитель, благодаря наличию индикаторного красителя, изменяет цвет от бесцветного до ярко фиолетового, но в течение нескольких часов поглотитель снова становится бесцветным. Чтобы этого не происходило, добавляют хлористый кальций, который не позволяет терять цвет после того, как индикатор отработал. Хлористый кальций является также гигроскопичным, то есть задерживает воду, необходимую для работы поглотителя. В аналогичных поглотителях диоксида углерода увлажнителями являются гидроксид натрия или калия, однако данные вещества способствуют разложению некоторых энергозависимых анестезирующих компонентов, что приводит к образованию нежелательных продуктов. Индикатор окончания работы поглотителя берется из группы фосфиновой кислоты или ее солей. Преимуществами данного индикатора являются отсутствие запаха и превосходные характеристики поглощения по диоксиду углерода.
В патенте [5] описан поглотитель диоксида углерода, который используется в анестезиологии замкнутого цикла. Он имеет следующий состав: гидроксид кальция, как основной компонент; вода; увлажнитель; ускоритель схватывания. Для улучшения его прочности при раздавливании используют так называемый ускоритель схватывания, в данном патенте это полугидрат сернокислого кальция. Для увеличения реакционной поверхности гранул используют алюминиевый порошок. Для того чтобы достигнуть постоянной влажности описанного химического поглотителя, используют, так называемые, органические и неорганические увлажнители. Неорганический увлажнитель - гидрат хлорида кальция или гидрат хлорида магния. Из органических увлажнителей применяют глицерин, пропи-ленгликоль, триэтиленгликоль, полиэтиленгликоль. Поглотитель имеет форму гранул диаметром 1.8 мм.
В патенте [6] описан комплект защитной одежды (костюм), включающий в себя устройство, абсорбирующее диоксид углерода. Устройство состоит из насоса, то есть вентилятора, который засасывает воздух, выдыхаемый пользователем, и химического поглотителя СО2. Конструкция одежды и мощность насоса позволяют перегонять воздух, окружающий лицо пользователя, в объеме примерно равном объему выдоха человека. Устройство не предусматривает использование респираторов (загубника, носового зажима), колпака и лицевой маски. В качестве
химического поглотителя используют натронную известь, содержащую 2.20 % гидроксида натрия и 6.20 % воды, такой состав поглощает 25.45 % масс. СО2. Наиболее предпочтительный состав поглотителя - около 81 % гидроксида кальция, 3 % гидроксида натрия и 16 % воды.
Известные на сегодняшний день химические поглотители отрабатывают по диоксиду углерода значительно ниже теоретически возможной величины сорбционной емкости. Это происходит из-за того, что продукт в форме гранул не имеет достаточно развитой поверхности пористости, в результате чего кинетика поглощения диоксида углерода понижается.
С целью устранения указанных недостатков в настоящей работе была предпринята попытка получения известкового поглотителя известного состава в виде гибкого материала, которому можно придать любые формы (рулоны, гранулы, блоки, одежда и др.).
Экспериментальная часть
На первом этапе работы была исследована возможность получения поглотителя диоксида углерода на основе гидроксида кальция, нанесенного на нетканные материалы (пористую матрицу). В качестве пористой матрицы на этом этапе использовались:
- иглопробивная ткань из стекловолокна марки «ИПП-пВ-150/б», стеклома-ты и стеклобумага производства ОАО «Ивотстекло» (п. Ивот, Брянская область) и ОАО «Стеклопластик» (Московская область);
- материал, прессованный на основе базальтового супертонкого волокна марки МПБ-Г со связующим;
- изделия прошивные из базальтового штапельного волокна марки ТИБ;
- лавсан 12-51-43 производства завода «Монтем» (г. Москва).
Для исследования были приготовлены растворы известкового молока с содержанием Са(ОН)2 от 10 до 40 %. Поскольку растворимость Са(ОН)2 крайне мала и составляет 0,08 %, приготовленный раствор после интенсивного перемешивания представляет собой гомогенную массу белого цвета.
Приготовленные растворы наносили на вышеперечисленные материалы, при этом нанесение производили двумя способами:
1) капельным путем на пористую матрицу;
2) окунанием матрицы непосредственно в щелочной раствор.
В дальнейшем был выбран капельный способ нанесения щелочного раствора на пористую матрицу. Затем были отработаны параметры сушки опытных образцов. Проводилась сушка образцов в электрическом шкафу при температуре 130. 150 °С в течение одного часа. Была проведена сушка образцов в СВЧ-печи «Panasonic» с выходной мощностью 500.1000 Вт в течение 10 - 20 минут. После этого были проведены расчеты количества основного вещества, содержащегося на пористой матрице. Полученные данные приведены на рис. 1 и 2.
Во время пропитки матрицы отмечена различная смачиваемость нетканых материалов известковым молоком. Так, матрицы из базальта со связующим и без него, иглопробивная ткань, а также лавсан смачиваются плохо, пропускают воду, твердая фаза остается на поверхности. Матрицы из стекломата и стеклобумаги смачиваются хорошо. Однако матрица из иглопробивной ткани производится толщиной 6 мм, поэтому после нанесения известкового молока и сушки она становится очень жесткой. Определенную сложность представляет собой и матрица из стекломата с нанесенным на нее раствором известкового молока (30.40 %), поскольку после термообработки этот материал охрупчивается и пылит.
Конц. Са(ОН)2 в известковом молоке, %
Рис. 1. Зависимость содержания основного вещества от материала подложки и концентрации известкового молока при сушке образцов в сушильном шкафу:
1 - базальт без связующего; 2 - стекловолокно; 3 - базальт со связующим;
4 - стеклобумага; 5 - лавсан; 6 - иглопробивная ткань
Ко нц. Ca(OH)2 в извеcтковом молоке, %
Рис. 2. Зависимость содержания основного вещества от материала подложки и концентрации известкового молока, при сушке образцов в СВЧ-печи «Panasonic»:
1 - стеклобумага; 2 - лавсан; 3 - базальт без связующего; 4 - стекловолокно;
5 - базальт со связующим; б - иглопробивная ткань
Из полученных результатов, представленных на графике, следует, что наибольшее количество осажденного вещества может содержать в себе матрица из стеклобумаги - от 78 до 98 %, в зависимости от исходной концентрации известкового молока (10 - 40 %).
Наибольшее количество осажденного вещества:
1) 40 %-й раствор известкового молока - до 98 % гидроксида кальция;
2) 30 %-й раствор известкового молока - до 92 % гидроксида кальция.
Однако первый образец сильно пылит, что затрудняет его дальнейшее использование. Поэтому целесообразно для получения известкового поглотителя известного состава в виде гибкого материала в качестве матрицы использовать стеклобумагу и 30 % раствор известкового молока.
Выводы
1. Изучена возможность нанесения известкового молока на высокопористые материалы, такие как стекловата, стеклобумага, лавсан, базальт со связующим, базальт без связующего, иглопробивная ткань.
2. Наилучшие результаты были достигнуты в случае использования стекло-бумаги, при этом содержание твердой фазы составило около 98 %.
3. Рекомендовано для получения известкового поглотителя в виде гибкого материала в качестве матрицы использовать стеклобумагу и 30 % раствор известкового молока.
4. Целью дальнейших исследований является изучение физико-химических свойств полученных материалов, в частности, хемосорбционных.
Список литературы
1. ГОСТ 6755-88. Поглотитель химический известковый. - М. : Гос. ком. СССР по стандартам, 1988. - 23 с.
2. Patent №4997803 USA. МПК А62 В 18/00, А 62 В 11/00. CO2 adsorbent mass / van der Smissen ; Carl E. (Lubeck, DE), vom Hofe ; Kai (Lubeck, DE), Rohl; Herbert (Reinfeld, DE), Wezurek ; Horst (Ziethen, DE); Applicant : Dragerwerk Aktiengesell-schaft (Lubeck, DE). - № 07/448,014 ; filed : december 7, 1989 ; publication date : march 5, 1991 // (http://www.fips.ru).
3. Patent №6562748 USA. МПК А62 В 18/00, А 62 В 11/00. 2003 //
(http://www.fips.ru).
4. Patent №6867165 USA. МПК А62 В 18/00, А 62 В 11/00. 2005 //
(http://www.fips.ru).
5. Patent №6228150 USA. МПК А62 В 18/00, А 62 В 11/00. 2001 //
(http://www.fips.ru).
6. Patent №2419533 UK. МПК А62 В 18/00, А 62 В 11/00. 2006 //
(http://www.fips.ru).
Research into Possibility of Treating Porous Materials with Calcium Hydroxide
N.F. Gladyshev1, T.V. Gladysheva1, S.I. Dvoretsky2, M.P. Arkhipova2
Corporation “Roskhimzashchita”, Tambov (1);
Department “Production Equipment and Food Technologies ”, TSTU (2)
Key words and phrases: calcium hydroxide; carbon dioxide; chemical absorber; lime milk.
Abstract: The possibility of applying calcium hydroxide from lime milk solutions of various concentrations to porous materials is studied. The calculation of the main substance going into porous matrix is done; recommendations on further research into possibility of creating a new material - chemical absorber of acid gases - are given.
Untersuchung der Moglichkeit des Auftragens des Kalziumhydroxides auf die porosen Stoffe
Zusammenfassung: Es ist die Moglichkeit des Auftragens des Kalziumhydroxides aus den Losungen der kalkigen Milch verschiedener Konzentration auf die porosen Stoffe untersucht. Es sind die Rechnungen der Menge des Hauptstoffes, der auf der porosen Matrix enthalt, gemacht. Es sind die Empfehlungen fur die weitere Forschung auf dem Gebiet der Schaffung des neuen Stoffes - der chemische Absorber der saueren Gase gegeben.
Etude des possibilites de la pose de l’hydroxide de calcium sur des materiaux poreux
Resume: Est examinee la possibility de la pose de l’hydroxide de calcium a partir du lait de chaux de differente concentration sur les materiaux poreux. Sont cites les calculs de la quantite de la matiere principale contenue sur la matrice poreuse et sont donnees les recommandations pour les etudes ulterieures dans le domaine de la creation de la nouvelle matiere - absorbant chimique des gaz acides.
