Десорбция ионов натрия и хлора с поверхности частиц органического пигмента при репульпации-декантации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Труфанов, Денис Николаевич

• Труфанов, Денис Николаевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Труфанов, Денис Николаевич

Условные обозначения

Введение

Глава 1. Подходы к решению задачи улучшения показателей качества 10 офсетных красок, удалением адсорбированных ионов водорастворимых примесей с частиц пигментов

1.1 Печатные краски и их применение

1.2 Процессы диспергирования пигментов в связующем

1.2.1 Механическое измельчение

1.2.2 Условия формирования стабильных дисперсных систем

1.3 Формирование двойного электрического слоя вокруг частицы пигмента

1.4 Состав водорастворимых примесей в суспензиях азопигментов

1.4.1 Оценка состава и концентраций примесей в суспензии Пигмента 21 оранжевого Ж

1.4.2 Классификация и способы удаления водорастворимых примесей из 23 суспензий и паст пигментов

1.5 Физико-химические свойства наночастиц как сорбционных систем 36 с поверхностным зарядом

1.6 Определение концентрации водорастворимых примесей

1.7 Анализ способов моделирования молекул органического вещества, 41 поверхности кристаллических твердых тел и процессов взаимодействия с атомами и молекулами

1.8 Выводы по главе

Глава 2. Теоретическое обоснование возможности удаления водорастворимых 44 примесей сорбированных на поверхности частиц Пигмента оранжевого Ж водной дисперсией содержащей наночастицы металлов

2.1 Модель структуры частицы Пигмента оранжевого Ж

2.2 Расчет энергии элементов, находящихся в растворе и участвующих в 47 формировании двойного электрического слоя

2.3 Модель взаимодействия молекулы азопигмента с молекулой воды и растворенными ионами

2.3.1 Модель взаимодействия молекулы азопигмента с молекулой воды

2.3.2 Модель взаимодействия молекулы азопигмента с анионом хлора

2.3.3 Модель системы, молекула Пигмента оранжевого Ж - анион хлора - 50 катион натрия

2.3.4 Модель системы, молекула Пигмента оранжевого Ж - анион хлора - 52 катион натрия - катион натрия

2.3.5 Физическая модель распределения водорастворимых примесей в 53 суспензии Пигмента оранжевого Ж

2.4 Квантово-химические расчеты молекулярных структур на поверхности 54 наночастиц

2.4.1 Модель кластеров никеля и платины

2.4.2 Модель взаимодействия кластера никеля с оксидной пленкой с молекулой 57 воды

2.4.3 Модель взаимодействия кластера платины с молекулой воды

2.4.4 Модель взаимодействия кластера платины с аниионом хлора

2.4.5 Модель взаимодействия кластера платины с катионом натрия

2.4.6 Модель взаимодействия кластера платины - анион натрия с катионом хлора

2.4.7 Модель взаимодействия кластера никеля с анионом хлора

2.4.8 Модель взаимодействия кластера никеля с катионом натрия

2.4.9 Модель взаимодействия кластера никеля с оксидной пленкой - катион 61 натрия - анион хлора

2.5 Физическая модель процесса удаления водорастворимых примесей - ионов 62 натрия и хлора с поверхности частиц Пигмента оранжевого Ж путем сорбции их на поверхность наночастиц металлов

2.6 Выводы по Главе

Глава 3. Исследование кинетики процесса удаления водорастворимых 67 примесей сорбированных на поверхности частиц органических веществ

3.1.1 Определение концентрации водорастворимых примесей в суспензии 68 пигмента оранжевого Ж

3.2 Определение формы частиц азопигмента оранжевого Ж

3.2.1 Методика приготовления образцов

3.2.2 Результаты по определению формы частиц азопигмента оранжевого Ж

3.3 Оценка гранулометрического состава частиц Пигмента оранжевого Ж

3.3.1 Определение гранулометрического состава частиц и их агломератов 80 Пигмента оранжевого Ж

3.3.2 Определение удельной поверхности частиц Пигмента оранжевого Ж

3.4 Скорость десорбции ионов водорастворимых примесей с поверхности частиц 90 пигмента оранжевого Ж

3.5 Определение размера и формы наночастиц металлов

3.6 Оценка гранулометрического состава наночастиц металлов

3.7 Определение удельной поверхности наночастиц металлов методом БЭТ

3.8 Выводы по главе

Глава 4. Модель процесса удаления водорастворимых примесей сорбированных на поверхности частиц азопигментов многократной репульпацией-декантацией водной дисперсией наноматериалов

4.1 Определение лимитирующей стадии процесса переноса водорастворимых 108 примесей с поверхности частиц пигмента в дисперсионную среду

4.2 Исследование процесса десорбции ионов водорастворимых примесей с 114 поверхности частиц Пигмента оранжевого Ж водной дисперсией нанометаллов

4.3 Определение коэффициента массоотдачи водорастворимых примесей из 122 жидкой фазы на наночастицы металлов

4.4 Определение удельной поверхности частиц Пигмента оранжевого Ж при 123 каждом цикле репульпации-декантации

4.5 Зависимость удельной поверхности частиц Пигмента оранжевого Ж от 128 равновесной концентрации примесей в жидкой фазе суспензии.

4.6 Концентрации водорастворимых примесей по циклам репульпации- 130 декантации

4.7 Перераспределение водорастворимых примесей при отстаивании, и введении 132 промывной жидкости

4.8 Влияние на равновесные концентрации водорастворимых примесей нано 134 частиц металлов в промывной жидкости

4.9 Проверка адекватности инженерной методики расчета процесса удаления 134 водорастворимых солей из пасты Пигмента оранжевого Ж.

4.9 Выводы к главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Десорбция ионов натрия и хлора с поверхности частиц органического пигмента при репульпации-декантации»

Актуальность. Увеличение скорости полиграфической и текстильной печати потребовало улучшения качества используемых красок. Неоднородность цветового покрытия формируется за счет наличия в краске частиц склонных к миграции при изменении скорости их нанесения. Для устранения этого явления необходимо уменьшить размеры частиц пигмента и повысить адгезионные свойства частиц пигмента - лаковое связующее. Уменьшение размера частиц приведет к потере колористической концентрации. Адгезионные свойства частиц пигмента к связующему зависят от наличия водорастворимых примесей (хлориды и сульфаты натрия), которые образуют на поверхности частицы пигмента микрокристаллы, наличие которых ухудшает смачиваемость частиц связующим, и приводит к образованию агломератов.

Поэтому разработка способа, обеспечивающего удаление водорастворимых примесей с поверхности частиц пигментов, представляет собой как теоретический, так и практический интерес.

Предложенный способ удаления водорастворимых примесей из суспензий пигментов многократной репульпацией-декантацией с использованием в качестве промывной жидкости дисперсии наночастиц металлов позволяют получить пигменты с низким содержанием водорастворимых примесей при снижении расхода промывной жидкости и длительности процесса.

Работа выполнялась в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2005 - 2009 гг.); ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007 - 2012 гг.» (государственный контракт № 02.513.11.3377 от 26 ноября 2007 г.); ФЦП «Научные, научно-педагогические кадры инновационной России» (2010-2011 гг.) и в рамках программы «У.М.Н.И.К.» проект № 10155 от 01.02.2010 г. НИОКР по теме № 1.

Целью работы является разработка способа удаления водорастворимых примесей из суспензий пигментов многократной репульпацией-декантацией с использованием в качестве промывной жидкости дисперсии наночастиц металлов обеспечивающего десорбцию ионов водорастворимых примесей с поверхности частиц пигмента, позволяющего получить продукт с низким содержанием водорастворимых примесей.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

-выявлены природа и концентрации примесей в суспензии Пигмента оранжевого Ж;

-определены формы частиц Пигмента оранжевого Ж, их удельная поверхность и влияние на нее присутствия в суспензии водорастворимых примесей;

-установлено влияние температуры процесса репульпации на скорость десорбции ионов водорастворимых примесей с поверхности частиц пигмента;

-найдено количество промывной жидкости, обеспечивающей требуемое содержание водорастворимых примесей в готовом продукте;

-определена форма, гранулометрический состав наночастиц платины и никеля и их удельная поверхность;

-исследован процесс десорбции ионов водорастворимых примесей с поверхности частиц пигмента при использовании в качестве промывной жидкости дисперсий содержащих наночастицы платины, никеля и их смесь при различной концентрации (0,005-0,1мас.%) и температуре (4-40 °С);

-предложена физическая модель процесса переноса ионов водорастворимых примесей с поверхности частиц пигментов в жидкую фазу и на поверхность наночастиц платины и никеля;

-разработано математическое описание процесса переноса ионов водорастворимых примесей с поверхности частиц пигментов в жидкую фазу и на поверхность наночастиц, позволяющее определить концентрации водорастворимых примесей в жидкой фазе и на поверхности частиц пигмента в процессе репульпации, время процесса репульпации и количество циклов промывки;

-осуществлена идентификация предложенного математического описания и проведена оценка его адекватности реальному процессу на промышленной установке. Научная новизна работы заключается в том, что:

-предложен способ удаления водорастворимых примесей с частиц пигмента многократной репульрацией-декантацией, с использованием в качестве промывной жидкости дисперсии наночастиц платины и никеля;

-предложена физическая модель процесса переноса ионов водорастворимых примесей, сорбированных на частицах пигмента в жидкую фазу и на наночастицы платины и никеля, теоретическая обоснованность которой доказана квантово-химическими расчетами;

-определены размеры, гранулометрический состав и удельная поверхность частиц пигмента и наночастиц платины и никеля;

-определено влияние концентрации водорастворимых примесей в суспензии на удельную поверхность частиц пигмента;

-разработано математическое описание процесса переноса ионов водорастворимых примесей с поверхности частиц пигмента в жидкую фазу суспензии и на поверхность на-ночастиц;

Практическая ценность результатов работы:

-разработана методика определения концентрации водорастворимых примесей в суспензии пигментов ионоселективным методом;

-предложена методика определения размеров частиц пигментов с использованием микроскопа отраженного света и лазерного анализатора размеров частиц;

-разработана методика исследования кинетики процесса переноса водорастворимых примесей с частиц пигмента в жидкую фазу суспензии и на наночастицы металлов;

-определены технологические параметры процесса многократной репульпации декантации с использованием в качестве промывной жидкости дисперсии наночастиц металлов, позволяющие сократить объем промывных вод на 43% при достижении требуемых показателей качества готового продукта;

-разработана инженерная методика расчета основных технологических параметров процесса удаления водорастворимых примесей многократной репульпацией-декантацией суспензии пигментов с использованием водной дисперсии наночастиц металлов, позволяющая определить количество промывной жидкости необходимое для достижения требуемой концентрации водорастворимых примесей в готовом продукте, определить количество циклов промывки, время проведения процесса репульпации, концентрацию водорастворимых примесей в промывной жидкости и сгущенной суспензии в конце каждого цикла;

-осуществлена идентификация разработанной инженерной методики и проверена ее адекватность реальному процессу на промышленной установке - расхождение между значениями, полученными расчетным и экспериментальным путем, составило 15 %;

-выданы рекомендации по организации процесса удаления водорастворимых примесей многократной репульпацией-декантацией суспензии пигментов с использованием водной дисперсии наночастиц металлов в производстве Пигмента оранжевого Ж на ОАО «Пигмент» г. Тамбова.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных научно-практических конференциях, семинарах и конкурсах: «Вода - источник жизни» (Павлодар 2009 г.), Инновационная экономика и промышленная политика региона (ЭКОПРОМ-2009 г. Санкт Петербург), Наука на рубеже тысячелетий (Тамбов 2009 г.), Актуальные проблемы естественных наук (Тамбов 2010 г.), Современные направления теоретических и прикладных исследований (Одесса 2010 г.), Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23 (Саратов 2010 г.), Приоритетные направления развития науки и технологий (Тула 2010г.), «Научный потенциал XXI века» (Ставрополь 2011г.), конкурс аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности. (Новочеркасск, 2010 г.)

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, предусмотренных перечнем ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех и заключения, списка используемых источников и приложений. Диссертация содержит 177 страниц машинописного текста, в том числе 71 рисунок и 11 таблиц, список использованных источников включает 170 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Труфанов, Денис Николаевич

3.8 Выводы по главе 3

На основании проведенных экспериментальных исследований физико-химических свойств суспензии Пигмента оранжевого Ж, формы и гранулометрического состава наночастиц металлов, можно сделать следующие выводы:

1. Определен состав и концентрации компонентов для твердой и жидкой фаз суспензии Пигмента оранжевого Ж.

2. Определены физические характеристики частиц Пигмента оранжевого Ж (форма одиночной частицы и их агломератов, гранулометрический состав) в зависимости от содержания в суспензии водорастворимых примесей.

3. Исследована кинетика процесса удаления водорастворимых примесей из суспензии Пигмента оранжевого Ж методом многократной репульпации-декантации в температурном диапазоне процесса 4-40°С.

4. Определены физические характеристики наночастиц платины и оксида никеля, (форма одиночной частицы и их агломератов, гранулометрический состав).

5. Анализ полученных экспериментальных данных по кинетике процесса удаления водорастворимых примесей из суспензий пигментов методом многократной репульпации-декантации с учетом полученных данных о наночастицах металлов и результатах расчетов при

Для разработки технологии отмывки пигментов методом многократной репульпации-декантации с использованием водной дисперсии наночастиц металлов, необходимо:

•разработать математическую модель и инженерную методику расчета технологических параметров процесса удаления водорастворимых примесей многократной репульпацией-декантациий, промывной жидкостью содержащей наночастицы металлов.

• определить технологические режимы процесса многократной репульпации-декантации, промывной жидкостью содержащей наночастицы металлов, как концетрация наночастицы металлов в промывной жидкости, количество циклов промывки.

•провести проверку адекватности инженерной методики расчета процесса многократной репульпации-декантации на лабораторной и промышленной установках.

•разработать рекомендации по совершенствованию процесса удаления водорастворимых примесей из суспензий азопигментов многократной репульпацией-декантациий промывной жидкостью содержащей наночастицы металлов.

Глава 4. Модель процесса удаления водорастворимых примесей сорбированных на поверхности частиц азопигментов многократной репульпацией-декантацией водной дисперсией наноматериалов

Для разработки модели процесса удаления водорастворимых примесей сорбированных на поверхности частиц азопигментов многократной репульпацией-декантацией водной дисперсией наноматериалов необходимо его лимитирующую стадию

4.1 Определение лимитирующей стадии процесса переноса водорастворимых примесей с поверхности частиц пигмента в дисперсионную среду

Процесс удаления водорастворимых примесей из суспензии Пигмента оранжевого Ж методом многократной репульрации-декантации на основании данных теоретических расчетов (приведенных в главе 2) можно представить следующей схемой (рис. 4.1).

5 , 1

Рисунок 4.1 - Схема движения потоков при репульпации частицы Пигмента оранжевого Ж: 1 - направление движения дисперсионной среды; 2 - диффузионный слой противоионов; 3 - адсорбционный слой (состоящий из погенциалообразующего слоя и слоя противоионов); 4 -частица пигмента; 5 - направление десорбции ионов водорастворимых примесей с поверхности частицы пигмента в диффузионный слой; 6 — направление диффузии ионов водорастворимых примесей из диффузионного слоя в поток дисперсионной среды

Согласно представленной схеме процесс переноса ионов водорастворимых примесей сорбированных на поверхности частиц пигмента в промывную жидкость осуществляется в две стадии:

1 - переход ионов водорастворимых примесей из потенциалообразующего слоя и слоя противоионов в диффузионный слой (механизм переноса - десорбционный);

2 - диффузия ионов водорастворимых примесей из диффузионного слоя в поток дисперсионной среды.

Согласно данным квантово-химических расчетов энергия гидратации для ионов (Иа+) составляет - 127,1 кДж/моль, а для ионов (СП - 112,2 кДж/моль, Энергия связи ионов (№*) расположенных в диффузионном слое (в зависимости от расстояния до слоя противоионов), со слоями потенциалообразующих и противоионов, варьируется в пределах 54-67 кДж/моль., а для расположенных в потенциалообразующем слое со слоем противоионов - 131,8 кДж/моль, энергия связи ионов (СП расположенных в потенциалообразующем слое составляет - 156,02 кДж/моль. Лимитирующей стадией массопереноса в данном случае будет, явятся стадия отрыва ионов натрия и хлора с поверхности частицы Пигмента оранжевого Ж. Для подтверждения этого допущения выполнены экспериментальные исследования процесса удаления водорастворимых примесей из плотного осадка частиц Пигмента оранжевого Ж фиксированного на фильтровальной перегородке с условием различной скорости обтекания этих частиц промывной жидкостью.

Определение величины убыли водорастворимых примесей из осадка на фильтровальной перегородке в результате его промывки проводили на установке, приведенной на (рис. 4.2), следующим образом:

Суспензию азопигмента массой 2000 г. помещали в напорную емкость 1 рисунок 4,2 при температуре 18±2 °С и шестеренчатым насосом 4 подавали в фильтровальную ячейку 10 при этом контролировали массу подаваемой суспензии с помощью расходомера 5 и фильтрата с помощью электронных весов 21 и программного обеспечения установленного на компьютере 13. Процесс фильтрования заканчивали при достижении расхода по фильтрату менее 0,01 мл/с. Давление фильтрования 0,1 мПа обеспечивается с помощью регулировки предохранительного клапана 3, шестеренчатого насоса 4.

По окончанию процесса фильтрования, через кран 2 сливали остатки суспензии из напорной емкости 1 и промывали ее, установку переводили в режим промывки осадка. Для чего закрывали краны 7 и Р, открывали кран 8, в напорную емкость заливали воду массой 3000 г, включали насос 4 и промывали систему сбрасывая часть воды через сбросной кран Р. По окончанию промывки системы от остатков суспензии и фильтрата кран 9 закрывали и начинали процесс промывки слоя осадка. Промывка осадка осуществляли подачей, промывной жидкости с помощью шестеренчатого насоса 4. Контролі» расхода воды осуществляли с помощью расходомера 6, давление в системе контролировали с помощью манометра 7. Измерение общего содержания водорастворимых примесей в воде осуществлялось с помощью проточной измерительной ячейки 17,

Рисунок 4.2 - Лабораторная модель фильтр-пресса с системой промывки осадка: 1 - емкость напорная объемом 0,004 м ; 2 - кран шаровой 'Л'спуска жидкости из напорной емкости; 3 - клапан предохранительный; 4 - насос шестеренчатый, 5 - расходомер массовый Mass 2100 Simens, 6 - манометр цифровой ДМ5002; 7 - кран шаровой %' подачи суспензии на фильтрование; 8 - кран шаровой V* подачи промывной жидкости; 9 - кран шаровой V* сброса из системы подачи промывной жидкости; 10 - у фильтровальная ячейка; 11 - регулятор расхода RPC1 - ТЗ, 12 - выносная плата DB - 16 R (с 16 реле и перекидными контактами), 13 -компьютер с платой PCI - 1202 L (цифро - аналоговый и аналогово-цифровой преобразователь); 14 - преобразователь частоты FR-S500 Mitsubishi, 15 - первичный преобразователь датчика Mass 2100 IP67 Simens, 16 - преобразователь сигналов PSA 01.03.5.31.03, 17 - измерительная ячейка Sartorius - PY-C02; 18 - патрубки отвода фильтрата; 19 - рН-метр/иономер РР 50;

20 - стакан лабораторный, 21 - весы электронные AND ЕК 4100І электропроводность промывной жидкости в которой фиксировали в режиме «реального времени». Визуализация и регистрация показаний электропроводности осуществляли с помощью универсального прибора рН-метр/иономер РР 50 19. Объем использованной промывной жидкости определяли с помощью весов 21. Количество извлеченных из пасты водорастворимых примесей оценивали по разнице расходов воды подаваемой на промывку и отработанной воды, полученный результат корректировался с учетом показаний измерительной ячейки 17. Определение массы извлеченных водорастворимых примесей из слоя осадка проводили по зависимости

Спрж. = 6-10^раст-0,0254. (4.1)

Более подробно методика проведения экспериментальных исследований кинетики удаления водорастворимых примесей из слоя осадка приведена в [167].

Оценку влияния расхода промывной жидкости на скорость удаления водорастворимых примесей проводили при следующих объемных расходах промывной воды 1; 2; 4; 8, 16 мл/с. Нижний предел исследуемого диапазона (1 мл/с) формирует скорость истечения жидкости в фильтровальной камере 3,35x10-4 м/с, что соответствует скорости естественного осаждения частиц Пигмента оранжевого Ж с их размерами более 0,2 мкм). Объемный расход промывной 16 мл/с обеспечивает скорость истечения жидкости в фильтровальной камере равной 5,36><10-3 м/с, что соответствует скорости начала уноса частиц Пигмента оранжевого Ж с размерами менее 275 мкм. Объемный расход промывной жидкости равный 7 мл/с соответствует скорости истечения жидкости в камере равной 2,35x10"3 м/с, что соответствует скорости витания частиц Пигмента оранжевого Ж с размерами порядка 40 мкм.

На рисунке 4.3 представлены результаты по содержанию водорастворимых примесей в осадке, сформированном на фильтровальной поверхности в результате разделения суспензии Пигмента оранжевого Ж, с содержанием твердых частиц 9,75%, что соответствует содержанию твердых частиц в осадке полученном в результате гравитационного осаждения, при его промывке артезианской водой (Приложение 3). Зависимость 1 (рис. 4.3) получена при объемном расходе промывной жидкости в 1 мл/с общим объемом использованной жидкости - 3,2 удельных объема, что с учетом объема твердых частиц составляет - 480 мл, время процесса промывки - 480 с. Зависимость 2 (рис. 4.3) получена при использовании того же объема промывной жидкости но скорость ее подачи составила 2 мл/с, время процесса 240 с. Зависимость 5(рис. 4.3) - объемный расход промывной жидкости 4 мл/с, объем использованной промывной жидкости 480 мл, время процесса 120 с. Зависимость 4 (рис. 4.3) — объемный расход промывной жидкости 8 мл/с, объем использованной промывной жидкости 480 мл, время процесса 60 с. Зависимость 5 (рис. 4.3) - объемный расход промывной жидкости 16 мл/с, объем использованной промывной жидкости 480 мл, время процесса 30 с.

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25

Рисунок 4.3 - Концентрация водорастворимых примесей в пасте Пигмента оранжевого Ж при промывке, расход промывной воды: 1 - 1 мл/с; 2-2 мл/с; 3-4 мл/с; 4 - 8 мл/с; 5-16 мл/с

На основании данных, представленных на рисунке 4.3, выполнены расчеты по определению коэффициента массоотдачи для всего диапазона исследованных скоростей обтекания частиц Пигмента оранжевого Ж жидкостью по следующей методике:

Поток водорастворимых примесей с поверхности частиц Пигмента оранжевого Ж в промывную жидкость можно описать следующим уравнением: (С* -С), (4.2) где у - поток водорастворимых примесей, кг/(с м ); Р - коэффициент массоотдачи, м/с; С* -равновесная концентрация водорастворимых примесей, кг/м ; С - текущая концентрация водорастворимых примесей, кг/м3.

Поток водораствоимых примесей также можно представить как:

1т „ где т - масса водорастворимых примесей участвующих в переносе, кг; F -поверхность частиц, м2; х - время процесса, е., или как:

• у = (4.4) где V- объем промываемого осадка, м3.

Равновесную концентрацию водорастворимых примесей в жидкой фазе рассчитываем используя концентрации на основе данных содержания водорастворимых примесей сорбированных на частицах (Ств> с учетом коэффициента пропорциональности (Е) по следующей зависимости:

Текущую концентрацию водорастворимых примесей определяем, как среднее значение между концентрацией водорастворимых примесей в жидкой фазе на входе в фильтровальную ячейку (Со) и на выходе из нее (О)

С -С С

С = —~> с учетом того, что С0 « 0 получим С = ~ (4.5)

Преобразуя уравнение (4.3) с учетом выражений (4.1) (4.4), (4.5) и заменяя в полученной формуле производные на разность концентраций получаем: .дг (4.6)

Е I V к ' гдеАт - время пребывания промывной жидкости фильтровальной ячейке, е.; в АС - разница концентрации водорастворимых примесей на входе и выходе из фильтровальной ячейки, кг/м3, которая рассчитывается:

АС = СК-С0=СК (4.7)

Концентрацию Ск в момент времени т,+1 выражаем через разность концентраций водорастворимых примесей на поверхности частиц твердой фазы за промежуток времени Ат и через отношение объемов твердой и жидкой фаз суспензии (К): с;1 = (с£-ств).к, (4.8) V где К можно рассчитать как К = ——, где Утв - объем твердой фазы в фильтровальной ячейке, К объем жидкой фазы в фильтровальной ячейке, м , К = 0,1177.

В результате анализа представленных на рис. 4.3 результатов, по вышеприведенной методике, определены значения коэффициентов массоотдачи для диапазона скоростей истечения жидкости от 3,35х10"4 до 5,36х10-3 м/с, результаты приведены на рис. 4.4.

Увеличение скорости истечения промывной жидкости с 3,35x10-4 до 5,36x10-3 м/с (в 16 раз) повышает коэффициент массоотдачи с 6,82 хЮ до 2,05x10 м/с (в 3 раза), причем основной прирост коэффициента массоотдачи (в 2,4 раза) наблюдается при увеличении скорости истечения промывной жидкости с 3,35х10"4по 1,34x10-3 м/с. Дальнейшее увеличение скорости истечения с 1,34* Ю-3 до 5,36хЮ"3 м/с приводит к незначительному приросту коэффициента массоотдачи на 19,7% до 2,05x10"2 м/с.

Значение коэффициента массоотдачи водорастворимых примесей соответствующее максимальной скорости перемещения частиц Пигмента оранжевого Ж (с размером с1ср = 40 мкм) в жидкой фазе при его перемешивании в емкостном аппарате 2,35хЮ~3 м/с, составляет 1,83^10-2 м/с.

Рисунок 4.4 - Коэффициент массоотдачи водорастворимых примесей при различных скоростях обтекания частиц Пигмента оранжевого Ж промывной жидкостью

На основании вышесказанного в диапазоне скоростей перемешивания суспензии в емкостном аппарате, коэффициент массоотдачи изменяется на 19,7%, что позволяет сделать вывод о незначительном влиянии диффузионного потока на процесс массопереноса водорастворимых примесей с поверхности частиц Пигмента оранжевого Ж в поток промывной жидкости. Лимитирующей стадией массопереноса водорастворимых примесей являтся процесс десорбции водорастворимых примесей с поверхности частицы Пигмента оранжевого Ж.

4.2 Исследование процесса десорбции ионов водорастворимых примесей с поверхности частиц Пигмента оранжевого Ж водной дисперсией нанометаллов

Определение количества десорбированных ионов хлора и натрия с поверхности частиц Пигмента оранжевого Ж и растворенных в жидкой фазе суспензии проводили на установке (рис. 3.18) следующим образом, процесс репульпации проводили при перемешивании со скоростью 50 об/мин, что соответствует критершо Яе = 987, в течении времени, обеспечивающего достижение концентраций водорастворимых примесей в жидкой фазе и на поверхности частиц пигмента близкого к равновесию, которое определялось концентрации водорастворимых примесей в жидкой фазе - менее ЗхЮ-6 кг/м3/с. По окончании процесса перемешивания суспензию отстаивали до достижения скорости уплотнения осадка ниже 0,03 м/ч, процесс проводили при температурах 4, 20, 40±1°С. (более подробно методика описана в пункте 3.4.) В качестве промывных вод использовали водную дисперсию наночастиц металлов приготовленную по методике приведенной в пункте 3.6. В качестве наночастиц использовали платину (Рг) и оксид никеля (N10). с характеристиками приведенными в пункте 3.5 Концентрацию наночастиц металлов в водной дисперсии варьировали в пределах от ОД до 0,005 мас.%,. Значение концентрации 0,005 мас.% обеспечивает среднее соотношение 1 частица Пигмента оранжевого Ж - 2500 частиц платины (Pt), или 300 частиц оксида никеля (NiO-), а концентрация 0,1 мас.% обеспечивает введение на 1 частицу Пигмента оранжевого Ж - 50000 частиц платины (Pt), или 4500 частиц оксида никеля (NiO).

На основании выше изложенного, определение скорости десорбции ионов водораство-0 римых примесей с поверхности частиц Пигмента оранжевого Ж проводили с использованием следующих водных дисперсий наночастиц металлов при температуре, результаты представлены в таблице 4.1