ФКХ Микрогетерогенные системы. Микрогетерогенные системы
 Скачать 72.13 Kb.
|
√d. WK уменьшается с увеличением плотности восходящего потока.
100 мкм. Для увлажненных порошков, в которых существенную роль играют капиллярные силы, значение do,кр на порядок больше. Итак, значение do,кр служит критерием агрегируемости порошка.Молекулярно-кинетические свойства аэрозолей обусловлены: малой концентрацией частиц дисперсной фазы; малой вязкостью дисперсионной среды; малой плотностью дисперсионной среды. В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы они могут либо быстро седиментировать (при г »1 мкм), либо прилипать к стенкам сосуда или слипаться (при г « 0,01 мкм). Наибольшей устойчивостью обладают частицы промежуточных размеров. Для аэрозолей характерны явления термофореза, термопреципитации, фотофореза. Оптические свойства аэрозолей сходны со свойствами лиозолей, однако рассеяние света ими выражено значительно сильнее из-за больших различий показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды. Специфичность электрических свойств аэрозолей состоит в том, что на частицах не возникает ДЭС, заряд частиц носит случайный характер и мал по величине. При сближении частиц не возникает электростатическое отталкивание и происходит быстрая коагуляция. Разрушение аэрозолей является важной проблемой и осуществляется путем седиментации, коагуляции, пылеулавливания и другими методами. ПОРОШКИ Порошками называются высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсионной средой — воздух или другой газ. Условное обозначение: Т/Г. В порошках частицы дисперсной фазы находятся в контакте друг с другом. Традиционно к порошкам относят большинство сыпучих материалов, однако в узком смысле термин «порошки» применяют к высокодисперсным системам с размером частиц, меньшим некоторого критического значения, при котором силы межчастичного взаимодействия становятся соизмеримыми с массой частиц. Наибольшее распространение имеют порошки с размерами частиц от 1 до 100 мкм. Удельная межфазная поверхность таких порошков меняется в пределах от нескольких м16.04.2011 (сажа) до долей м2/г ( мелкие пески). От аэрозолей с твердой дисперсной фазой (тоже Т/Г) порошки отличаются гораздо большей концентрацией твердых частиц. Порошок получается из аэрозоля с твердой дисперсной фазой при его седиментации. В порошок превращается также суспензия (Т/Ж) при ее высушивании. С другой стороны, и аэрозоль, и суспензия могут быть получены из порошка. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОШКОВ 1. По форме частиц: • равноосные (имеют примерно одинаковые размеры по трем осям); • волокнистые (длина частиц гораздо больше ширины и толщины); • плоские (длина и ширина значительно больше толщины). 2. По межчастичному взаимодействию: • связно дисперсные (частицы сцеплены между собой, т. е. система обладает некоторой структурой); • свободнодисперсные (сопротивление сдвигу обусловлено только трением между частицами). 3. Классификация по размерам частиц дисперсной фазы: • песок (2≤10-5 ≤ d ≤ 2∙10-3) м; • пыль (2∙10-6 ≤ d ≤ 2∙10-5) м; • пудра (d < 2∙10-6) м. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ Порошки, так же как любую другую дисперсную систему, можно получить двумя группами методов: • со стороны грубодисперсных систем — диспергационными методами; • со стороны истинных растворов — конденсационными методами. Выбор метода зависит от природы материала, назначения порошка и экономических факторов. ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ Производится дробление сырья на вальцовых, шаровых, вибрационных или коллоидных мельницах с последующим разделением на фракции, так как в результате помола получаются полидисперсные порошки (например, мука одного и того же сорта может содержать частицы от 5 до 60 мкм). Эффективное диспергирование может быть произведено при перетирании весьма концентрированных суспензий. Для облегчения диспергирования применяют понизители твердости, в качестве которых выступают ПАВ. В соответствии с правилом уравнивания полярностей, ад-орбируясь на поверхности измельчаемого твердого тела, они уменьшают поверхностное натяжение, снижая энергозатраты при диспергировании и повышая дисперсность измельченной фазы. В некоторых случаях перед диспергированием проводят предварительную обработку материала. Так, титан или тантал нагревают в атмосфере водорода, переводя в гидриды, которые измельчают и нагревают в вакууме — получаются чистые металлические порошки. При получении чешуйчатых порошков, которые входят в состав красок и пиротехнических составов, для измельчения используют шаровые мельницы. Шары расплющивают и прокатывают частицы измельчаемого материала. Порошки с частицами сферической формы из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, ниобий) получают в низкотемпературной плазме дугового и высокочастотного разряда. Проходя через зону плазмы, частицы плавятся и принимают сферическую форму, затем охлаждаются и затвердевают. В ходе диспергирования химический состав материала не изменяется. КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ Эти методы можно разделить на две группы. Первая группа методов связана с осаждением частиц вследствие коагуляции лиофобных золей. В результате упаривания раствора или частичной замены растворителя (снижение растворимости) образуется суспензия, а после ее фильтрации и сушки получаются порошки. Вторая группа методов связана с проведением химических реакций (химическая конденсация). Методы химической конденсации можно классифицировать на основе типа используемой реакции: 1. Обменные реакции между электролитами. Например, осажденный мел (зубной порошок) получают в результате реакции: Na2CO3 + СаС12 = СаСО3 + 2 NaCl. 2. Окисление металлов. Например, высокодисперсный оксид цинка, являющийся основным компонентом цинковых белил, получают окислением паров цинка воздухом при 300°С. 3. Окисление углеводородов. Различные виды сажи, которую применяют при производстве резины, пластмасс, типографской краски получают сжиганием газообразных или жидких углеводородов при недостатке кислорода. 4. Восстановление оксидов металлов. Восстановление природным газом, водородом или твердыми восстановителями используется для получения высокодисперсных металлических порошков. 5. Термическая диссоциация карбонилов металлов. Карбонилы Ме(СО)n — летучие соединения, которые образуются при обработке металлов оксидом углерода при давлении 200 атм и температуре примерно 200°С. При нагревании карбонилы испаряются и разлагаются, образуя высокодисперсные металлические порошки. 6. Электролиз водных растворов солей. Этим методом получают высокодисперсные порошки металлов и сплавов высокой степени чистоты. Таким образом, методы химической конденсации связаны с изменением химического состава материалов. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРОШКОВ Обычно порошки рассматривают с точки зрения природы вещества дисперсной фазы и размеров частиц. Рассмотрим только те характеристики вещества, на которых основаны свойства порошков, влияющие на технологию их использования и переработки. Когезия определяет связь между молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы, т. е. прочность конденсированных тел и их способность противодействовать внешнему воздействию. Следовательно, энергетические затраты при диспергировании тем больше, чем больше когезия. Кроме того, величина когезии определяет такую важную характеристику порошка, как его насыпная масса. Насыпная масса — масса порошка, который занимает единичный объем при свободном его заполнении, «свободной упаковке частиц». Чем больше когезионные силы, тем сильнее связь между частицами, тем хаотичнее они распределены по объему формы и тем больше объем свободной упаковки и соответственно меньше насыпная масса. Если когезия мала, то малы силы сцепления, порошок лучше уплотняется под действием силы тяжести и объем свободной упаковки частиц оказывается небольшим. Адгезия — это явление соединения приведенных в контакт поверхностей конденсированных фаз. Например, частички порошка взаимодействуют со стенками емкости, в которой они находятся. Адгезия обусловливает прилипание и удержание частиц на поверхности. Чем больше адгезия, тем сложнее бороться с прилипанием порошка к стенкам технологического оборудования. Аутогезия — частный случай адгезии — сцепление одинаковых по составу и строению частиц. Адгезионное и аутогезионное взаимодействие направлены перпендикулярно площади контакта. В результате адгезии частицы порошка прижимаются к поверхности, а под действием аутогезии — Друг к другу. Аутогезия определяется, главным образом, природой и силой межчастичного взаимодействия. Основной вклад в межчастичное взаимодействие вносят · межмолекулярное притяжение; · электростатическое отталкивание. Электростатическое отталкивание связано с появлением заряда поверхности при перемещении частиц друг относительно друга и их соударениях. Роль электростатических взаимодействий особенно велика для полимерных частиц. Установлено, что для сферических частиц число точек контактов не превышает 12. Чем больше точек соприкосновения частиц, тем больше поверхность контакта и меньше удельная поверхность. Под поверхностью контакта для порошков понимают поверхность двух соприкасающихся частиц, расположенную в зоне действия молекулярных сил ( |
Высокодисперсные порошки с диаметром частиц d гораздо меньше йо.кр являются связнодисперсными, в них возникает пространственная структура. Если d≥do,кр, то такие порошки являются свободнодисперсными.
СВОЙСТВА ПОРОШКОВ
Характерными свойствами порошков являются способность к течению и распылению, флуидизация (переход в состояние, подобное жидкому) и гранулирование.
СПОСОБНОСТЬ К ТЕЧЕНИЮ И РАСПЫЛЕНИЮ
Порошки, так же как сплошные тела, способны течь под действием внешнего усилия, направленного тангенциально (по касательной) к поверхности.
Способность к течению или движению порошка на поверхности слоя наблюдается при пересыпании продуктов или при пневматическом транспортировании сыпучих продуктов. Такое движение лежит в основе переноса песка, почвы, снега ветром: песчаные и снежные бури, эрозия почв, В отличие от течения сплошных тел течение порошков заключается в отрыве слоя частиц от себе подобных или от поверхности и в перемещении отдельных частиц или их агрегатов при сохранении границы раздела между ними. Движение может осуществляться тремя способами:
частицы перекатываются по поверхности;
частицы отрываются и падают обратно, т. е. переносятся «прыжками»;
частицы переносятся в состоянии аэрозоля.
В качестве примера рассмотрим движение песка, помещенного толстым слоем на дно аэродинамической трубы. При определенной скорости воздуха частицы, выступающие из слоя песка, начинают перекатываться по цоверхности. Однако, попав в небольшие углубления, они останавливаются. Если увеличить скорость воздуха, некоторое количество частиц перекатится по поверхности и остановится и т. д. Движущиеся песчинки, сталкиваясь с более крупными, выступающими над поверхностью, подскакивают.
При некоторой скорости воздуха, называемой критической, большая часть частиц будет передвигаться прыжками. Из полидисперсного порошка выдувается более мелкая фракция. Самая тонкая фракция под действием воздушного потока переходит в состояние аэрозоля и в таком виде перемещается над поверхностью порошка.
Опыты показали, что для порошка с частицами, имеющими радиус больше 50 мкм, критическая скорость «течения» по поверхности пропорциональна √r. Если r < 50 мкм, критическая скорость возрастает при переходе к более мелким частицам благодаря молекулярным силам, действующим между частицами.
Рассмотренный выше характер течения порошков обусловливает зависимость текучести порошков от адгезионных и аутогезионных сил, затрудняющих отрыв и передвижение частиц. Учитывая рассмотренную выше зависимость интенсивности межчастичных взаимодействий от размеров частиц, можно сделать важный практический вывод: грубодисперсные порошки обладают более высокой текучестью, чем высокодисперсные.
Следует также иметь в виду, что для мягких веществ характерна пластическая деформация, в результате которой увеличивается площадь контакта частиц, а значит, уменьшается текучесть.
Важной характеристикой порошка является его распыляемость при пересыпании. Она определяется силами сцепления между частицами, следовательно, увеличивается при возрастании размеров частиц и уменьшается с увеличением влажности.
Существует несколько эмпирических закономерностей:
• гидрофобные порошки распыляются лучше, чем гидрофильные;
• порошки из твердых веществ распыляются лучше, чем из мягких;
• монодисперсные порошки распыляются лучше полидисперсных.
ФЛУИДИЗАЦИЯ (ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ)
Псевдоожижение — это превращение слоя порошка под влиянием восходящего газового потока в систему, твердые частицы которой находятся во взвешенном состоянии, напоминающую жидкость — псевдоожиженный слой. Из-за внешнего сходства с кипящей жидкостью, псевдоожиженный слой часто называют кипящим слоем.
Простейшую псевдоожиженную систему создают в заполненном слоем порошка вертикальном аппарате, через днище которого равномерно по сечению вводят инертный ожижающий агент (газ).
При его небольшой скорости W порошок неподвижен. С увеличением W высота слоя начинает возрастать (слой расширяется). Когда W достигает критического значения, при котором сила гидравлического сопротивления слоя восходящему потоку становится равной весу твердых частиц, слой приобретает текучесть и переходит в псевдоожиженное состояние.
Если порошок является высокодисперсным, сказывается сила сцепления частиц и наблюдается не равномерное расширение порошка, а образование отдельных агрегатов. Между ними возникают каналы, по которым проходит значительная часть газа. Это агрегативная флуидизация. Так как с увеличением размера частиц гидродинамические силы возрастают, а молекулярные силы ослабевают, можно ожидать, что при некоторой средней степени дисперсности порошка условия для флуидизации будут оптимальными. И действительно, наиболее равномерная и полная флуидизация наблюдается для порошков, радиус которых близок к 20-25 мкм.
Линейная скорость ожижающего агента, при которой порошок переходит в псевдоожиженное состояние, называется скоростью начала псевдоожижения или его первой критической скоростью WK. Для мелких частиц (d < 1 мм) WK