14
3
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Аппаратурно-технологическое оформление процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза ферратов (VI) щелочных металлов для продуктов регенерации воздуха
Рылов Юрий Борисович
Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
Тамбов 2012
Работа выполнена в Научно-образовательном центре федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» - ОАО «Корпорация «Росхимзащита» «Новые химические технологии» и на кафедре «Технологии продовольственных продуктов» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»).
Научный руководитель Заслуженный деятель науки Российской
Федерации, доктор технических наук,
профессор
Дворецкий Станислав Иванович
Официальные оппоненты: Килимник Александр Борисович,
доктор химических наук, профессор,
заведующий кафедрой химии
ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
Мухин Виктор Михайлович,
доктор технических наук, профессор,
начальник лаборатории активных углей,
эластичных сорбентов и катализаторов
ОАО «Электростальское научно-производственное объединение «Неорганика»
Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
Защита диссертации состоится 16 ноября 2012 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 в ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ», с авторефератом диссертации дополнительно - на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ТГТУ» http://www.tstu.ru и ВАК Минобрнауки РФ http://vak.ed.gov.ru.
Автореферат разослан «___» __________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Нечаев Василий Михайлович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Ферраты (VI) щелочных металлов являются одними из наиболее сильных существующих на сегодняшний день окислителей. Окислительный потенциал феррат-иона (FeO42-) в кислой среде выше, чем у озона, перманганатов, пероксида водорода, хлора и хлорсодержащих соединений (гипохлоритов, перхлоратов, диоксида хлора). Сфера использования ферратов (VI) щелочных металлов достаточно широка: очистка промышленных и бытовых стоков от бактерий, вирусов, тяжелых металлов, токсичных веществ, вредных примесей (NH3, H2S, CN-, CNS-, As), отравляющих веществ (VX, GD, GB) до малотоксичных или нетоксичных соединений; пассивация металлов; детоксикация почвенных сред; компонент щелочных батарей; изготовление катализаторов и источников кислорода для дыхания человека и животных.
Однако промышленное производство соединений шестивалентного железа сдерживается из-за отсутствия энерго- и ресурсосберегающих технологий их получения. Существующие способы синтеза ферратов (VI) щелочных металлов характеризуются трудностью реализации, высокой энергоемкостью, низким содержанием основного вещества, получением готовых продуктов в растворе. Последнее ограничивает время хранения и приводит к необходимости введения в технологию синтеза дополнительного оборудования для выделения соединений шестивалентного железа в твердом виде или организации производства непосредственно в местах применения.
В связи с этим разработка энергосберегающего процесса и аппаратурно-технологического оформления производства ферратов (VI) щелочных металлов и изучение свойств синтезированных продуктов являются актуальными в научном и практическом плане.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ НОЦ ФГБОУ ВПО «ТГТУ» - ОАО «Корпорация «Росхимзащита» в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» (Государственный контракт № 02.438.11.7012 от 19 августа 2005 г.) по теме «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области новых химических технологий и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок».
Научно-исследовательская работа «Энергосберегающая технология новых ферратных продуктов» признана победителем на конкурсе работ аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений в области энергосбережения в промышленности «ЭВРИКА-2010» (г. Новочеркасск).
Цель работы. Разработка энергосберегающего процесса и аппаратурно-технологического оформления производства ферратов (VI) щелочных металлов с целью получения продуктов в твердом виде с высоким содержанием основного вещества.
Научная новизна. Впервые разработан энергосберегающий процесс получения ферратов (VI) калия и натрия методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) (патент РФ № 2371392 «Способ получения феррата (VI) калия» от 12.02.2008 и патент РФ № 2356842 «Способ получения феррата (VI) натрия» от 09.08.2007), определены условия его осуществления и соотношение исходных компонентов шихты, позволяющие получать продукты с содержанием основного вещества до 88% мас. феррата (VI) калия и до 93% мас. феррата (VI) натрия.
Проведены исследования влияния качества сырья (содержание активного кислорода в KО2 и Na2O2, содержание влаги в Fe2O3), технологических параметров (плотность прессования, начальная температура СВС) на содержание ферратов (VI) щелочных металлов в продукте синтеза. Проведена оценка динамической активности феррата (VI) калия в процессе регенерации воздуха.
Впервые разработан регенеративный продукт с ферратом (VI) калия (РП-КФ) в качестве структурообразующей добавки, катализатора и источника кислорода, обладающий улучшенными эксплуатационными характеристиками: низкая концентрация СО2 на вдохе, большее время защитного действия (решение о выдаче патента РФ по заявке № 2011105491, приоритет 14.02.11).
Практическая значимость. Разработано аппаратурно-технологическое оформление энергосберегающего процесса СВС ферратов (VI) щелочных металлов, включающее смеситель шихты, реактор синтеза и установку синтеза.
Разработана методика анализа твердых соединений шестивалентного железа, позволяющая определять содержание основного вещества в продуктах синтеза.
Разработан технологический процесс получения регенеративного продукта с ферратом (VI) калия и выпущена экспериментальная партия в условиях опытного производства ОАО «Корпорация «Росхимзащита». Проведены динамические испытания РП-КФ, по результатам которых установлено, что время работы регенеративного продукта в динамической трубке по кислороду и диоксиду углерода превышает время работы серийного продукта ОКЧ-3М в 1,5 раза. Отличительной особенностью работы РП-КФ в аппаратах СПИ-20, ШСС-Т, ШСС-ТМ и в патроне ИДА-59 в сравнении с серийными продуктами является снижение концентрации СО2 на вдохе до 75%, что повышает комфортность использования самоспасателей пользователями.
Установлена способность соединений шестивалентного железа очищать воду от ионов тяжелых металлов, цианидов и разрушать пестицид «Раундап» в почве.
Результаты исследований внедрены в ОАО «Корпорация «Росхимзащита» при разработке нового регенеративного продукта с ферратным катализатором.
Материалы диссертации используются в образовательном процессе Мичуринского государственного аграрного университета при чтении курса лекций «Химическая защита растений».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 11 всероссийских и международных конференциях.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе: 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента РФ, 1 решение о выдаче патента РФ.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти основных глав, выводов, списка используемой литературы из 165 наименований и 9 приложений. Включает 15 таблиц и 58 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
высокотемпературный синтез феррат щелочной
Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель диссертационной работы, аргументирована научная новизна и практическая значимость полученных результатов работы.
В главе 1 «Литературно-патентный обзор, анализ и обоснование задач исследования» представлен анализ и обзор патентной и научно-технической информации о способах получения ферратов (VI) щелочных металлов. Выявлены тенденции совершенствования ферратных технологий с целью повышения качества синтезируемых продуктов и разработки новых ресурсо- и энергосберегающих способов синтеза. Показано, что известные в настоящее время методы получения соединений шестивалентного железа не в полной мере удовлетворяют потребности потребителей по ряду характеристик, основными из которых являются низкое содержание основного вещества, энергоемкость процесса синтеза и получение продуктов в растворе.
С целью разработки оригинальной методики анализа проведен обзор существующих методов определения ферратов (VI) щелочных металлов и выявлены их недостатки: длительность анализа, потребность в использовании большого числа реактивов и дорогостоящего оборудования.
Изучены физико-химические свойства соединений шестивалентного железа, показаны новые перспективные области исследований, включающие исследования морфологии, динамической активности, способности очищать воду и почву, применяться в качестве катализаторов в регенеративных продуктах.
Проведен обзор, анализ состояния и проблем развития технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Определены основные технологические достоинства СВС, заложенные в самом принципе процесса, - использование быстро выделяющегося тепла химических реакций вместо нагрева вещества от внешнего источника.
Определены задачи настоящей работы: разработка энергосберегающего процесса получения ферратов (VI) щелочных металлов; проведение исследований по определению влияния соотношения исходных компонентов, качества сырья, технологических параметров на качество синтезируемых продуктов; разработка методики определения содержания ферратов (VI) щелочных металлов в продуктах синтеза; проведение исследований морфологических особенностей образцов ферратов (VI) калия и натрия, динамической активности по О2 и СО2; возможности применения ферратов (VI) щелочных металлов, полученных методом СВС, в качестве реагентов для очистки воды от ионов тяжелых металлов и цианидов, очистки почвы; разработка регенеративного продукта с ферратным катализатором и проведение его испытаний в составе средств защиты органов дыхания; разработка технологической схемы и аппаратурно-технологического оформления производства ферратов (VI) щелочных металлов.
В главе 2 «Методики экспериментальных исследований» представлены материалы, вещества и методики, используемые в настоящей работе.
Для оперативного контроля качества синтезируемых продуктов разработана методика определения содержания ферратов (VI) щелочных металлов в продуктах синтеза, основанная на их взаимодействии с 1-нормальным раствором серной кислоты:
2K2FeO4 + 5H2SO4 5H2O + 2K2SO4 + Fe2(SO4)3 + 3/2O2; (1)
2Na4FeO5 + 7H2SO4 7H2O + 4Na2SO4 + Fe2(SO4)3 + 3/2O2. (2)
Для входного контроля качества пероксидных продуктов использовалась методика определения активного кислорода в надпероксидах.
В связи с отсутствием литературных данных о величинах стандартных теплот образования твердых ферратов (VI) щелочных металлов для оценки количества выделяющегося тепла при СВС соединений шестивалентного железа через стенку реактора к охлаждающей воде и количества тепла, отходящего с газовой фазой, была изготовлена установка, представленная на рис. 1
Определение температур в случае, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно, осуществлялось с помощью оптического пирометра марки DHS-28X, изготовленного фирмой Wahl Instruments Inc (США).
Задача по определению сорбционной емкости ферратов (VI) щелочных металлов решалась с помощью фотоколориметрического метода определения концентрации растворов.
Морфологические особенности кристаллической структуры ферратов (VI) калия и натрия исследовались методом сканирующей электронной микроскопии, инструментальной базой которой являлся сканирующий электронный микроскоп Neon 40 (Carl Zeiss, Германия).
Рис. 1. Схема установки
1 - корпус; 2 - маты МСТВ-2; 3 - вода; 4 - стакан; 5 - шихта; 6 - крышка; 7 - прокладка; 8 - газосчетчик барабанный ГСБ-400; 9 - штуцер; 10 - спираль; 11 - термопара; 12 - измеритель-регулятор ТРМ138 марки «Овен».
Физико-химические исследования полученных образцов шестивалентного железа проводились с использованием дифрактометра Дрон-6 на рентгеновской трубке 2,5БСВ 27-Сu и дифференциального термогравиметрического анализа на исследовательском комплексе «ТАG-24» (Setaram, Франция).
Определение длительности работы слоя продукта при пропускании через него постоянного потока газовоздушной смеси с заданными параметрами проводилось с применением метода определения динамической емкости хемосорбентов на динамической установке.
Исследования хемосорбционных свойств регенеративных продуктов проводились на аттестованном оборудовании в Испытательном центре «Спиротехнотест» ОАО «Корпорация «Росхимзащита», имеющем «Аттестат аккредитации испытательной лаборатории (центра) № РОСС RU.0001.22СЩ10» от 24 марта 2010 г., выданный Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии.