книги / Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов

Н . Б . У Р Ь Е В

ФИЗИКО­

ХИМИЧЕСКИЕ

ОСНОВЫ

ТЕХНОЛОГИИ

ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И МАТЕРИАЛОВ

МОСКВА «ХИМИЯ» 1988

Рецензенты:

докт. техн. наук, проф. Ю. Г. Я н о в с к и й ; докт. хим. наук, проф, Ю. Г. Ф р о л о в

УДК 541.182

Урьев Н. Б.

Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. — М.: Химия, 1988, с. 256

ISBN 5-7245-0120-1

Рассмотрены физико-химические основы регулирования структурно­ реологических свойств концентрированных дисперсных систем. Большоевнимание уделено контактным взаимодействиям и структурообразованию в динамических условиях, соответствующих реальным технологическим ге­ терогенным процессам. Изложены основы теории создания максимальной текучести, на которой базируются методы интенсификации химико-техно­ логических процессов с участием дисперсных систем, а также методы по­ лучения дисперсных материалов с заданными свойствами. Обоснованы оп­ тимальные параметры процессов дезагрегирования, смешения, транспорта, уплотнения и др.

Для научных работников и инженеров химической, нефтехимической и других отраслей промышленности, связанных с технологией и примене­ нием дисперсных систем и материалов.

Табл. 16. Ил. 106. Библиогр. список: 196 назв.

,1805000000-022 У 050(01)-88

О Г Л А В Л Е Н И Е

II.1. Анализ полной реологической кривой концентрированных

ГЛАВА III. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ АСПЕК­ ТЫ СТРУКТУРНОЙ РЕОЛОГИИ ВЫСОКОДИСПЕРС­ НЫХ ПОРОШКОВ КАК ВАЖНЕЙШИХ ОБЪЕКТОВ ФИ-

ЗИКОХИМИИ И ТЕХНОЛОГИИ ДИСПЕРСНЫХСИСТЕМ 94

III.1. Структурообразование в порошках в динамических усло­

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая монография посвящена концентрирован­ ным дисперсным системам, содержащим твердые фазы в жидкой и газовой дисперсионных средах — наиболее распространенным и перспективным объек­ там современной технологии дисперсных систем. Дано обоснование путей повышения эффективности процессов, связанных с получением, переработкой и применением таких систем, а также созданием на их основе дисперсных материалов с заданными свойст­ вами.

В отличие от традиционного подхода к изучению поверхностных явлений и свойств дисперсных систем преимущественно в стационарных, равновесных усло­ виях, в книге реализован новый подход к рассмотре­ нию таких систем в динамических неравновесных условиях, которые в наибольшей степени соответст­ вуют условиям гетерогенных технологических про­ цессов.

Большое внимание уделено закономерностям до­ стижения максимальной текучести концентрирован­ ных дисперсных систем в динамических условиях и обоснованию методов регулирования их структурно­

кающих в таких дисперсных системах пространствен­ ных структур открывает путь для решения трех важ­ нейших задач современной технологии дисперсных систем: интенсификации гетерогенных процессов, снижения энергоемкости, получения высоконаполненных твердой фазой дисперсных материалов с задан­ ными свойствами.

Поэтому автор счел целесообразным главное вни­ мание сосредоточить на решении проблемы реализа-

5

природе: это грунты и почвы, донные отложения рек, озер и др. Важное значение дисперсных систем определяется также тем, что многие из них служат основой для получения боль­ шинства дисперсных материалов. К числу таких материалов от­ носятся, например, абразивные материалы, сорбенты и катали­ заторы, цементные и асфальтовые бетоны, бумага, картон и искусственные кожи, лаки и краски, наполненные полимерные материалы, керамика и металлокерамика, материалы на основе

графита, в том числе электродные материалы.

Исключительное многообразие дисперсных систем, их важ­ ное прикладное значение предопределяют необходимость изу­ чения их свойств и разработки методов физико-химического управления свойствами на разных стадиях технологических процессов получения и переработки дисперсных систем.

Есть все основания утверждать, что физикохимия дисперс­ ных систем является научной основой технологических процес­ сов, протекающих в гетерогенных системах, в том числе процес­ сов создания разнообразных материалов. Эта идея впервые была высказана акад. П. А. Ребиндером [1], внесшим сущест­ венный вклад в развитие физикохимии дисперсных систем и по­ верхностных явлений и показавшим, насколько плодотворно использование достижений в этой области науки для решения прикладных задач в технике и технологии: в бурении горных пород и обогащении руд, в пищевой промышленности, печатном деле, технологии строительных материалов и др.

Рассмотрению свойств дисперсных систем, закономерностей их образования, условий существования и изменения под дейст­ вием различных факторов посвящены многие специальные мо­ нографии и курсы коллоидной химии, из которых необходимо выделить фундаментальные труды [2—14]. Эти труды внесли крупный вклад в разработку современных представлений о дис­ персном состоянии вещества, в учение о термодинамике по­ верхностных и электроповерхностных явлений, механизме ад­ сорбции, свойствах граничных межфазных слоев и т. д.

Научно-технический прогресс в отраслях промышленности, связанных с получением, переработкой и применением дисперс­ ных систем, невозможен без эффективного использования и дальнейшего развития теоретических представлений в области физикохимии дисперсных систем и поверхностных явлений. Современные тенденции в развитии техники и технологии вы­ двигают на первый план необходимость преимущественного

7

развития тех разделов физикохимии дисперсных систем, кото­ рые непосредственно отвечают задачам коренного усовершен­ ствования технологии, интенсификации технологических про­ цессов, более эффективному использованию сырья, созданию безотходных технологий, снижению энергоемкости процессов, повышению качества материалов.

Естественно, что для получения и переработки дисперсных систем и материалов разработаны специфичные для каждого материала технологические методы, достаточно подробно изу­ чены структура и свойства, а также определены факторы, обусловливающие эти свойства. Анализ различных технологи­ ческих методов получения и переработки дисперсных систем и материалов показывает, что естественный путь развития техно­ логии базируется, главным образом, на традиционных приемах и методах, которые в пределах каждой конкретной области усо­ вершенствовались в основном эмпирическим или, в лучшем случае, полуэмпирическим путем.

Технологический процесс обычно рассматривается как сово­ купность последовательно осуществляемых операций, часто рез­ ко различающихся друг от друга по внешним признакам (на­ пример, фракционирование, дозирование, смешение компонен­ тов, формирование изделий, отверждение при получении дис­ персных материалов). Такой «пооперационный» подход вполне оправдан и естествен, поскольку при разработке технических методов исходят, главным образом, из требований к свойствам промежуточного или готового продукта. Сущность физико-хи­ мических закономерностей процесса как в пределах каждой операции, так и в целом зачастую остается неясной. Между тем эффективное регулирование хода технологического процесса, его оптимизация невозможна без знания кинетики явлений, со­ путствующих формированию дисперсных материалов.

Необходимость нового подхода к разработке технологии дис­ персных систем и материалов с учетом кинетических законо­ мерностей физико-химических явлений и процессов в дисперс­ ных системах особенно выявилась в последние годы именно по­ тому, что традиционный зачастую эмпирический подход к ре­ шению проблем технологии в значительной степени исчерпал себя. Возможность кардинального усовершенствования техно­ логии дисперсных систем и материалов, создания интенсивных технологических процессов вытекает из самой природы дисперс­ ных систем.

При всем разнообразии химического состава и физических свойств дисперсные системы и материалы характеризуются со­ четанием двух важнейших особенностей: сильно развитой меж­ фазной поверхности с высокой «объемной» концентрацией дисперсной фазы в дисперсионной среде. Эти отличительные признаки рассматриваемых систем определяют как их основные объемные свойства, так и особенности протекания гетерогенных

8

процессов с участием дисперсных систем и материалов. Поэто­ му разработка технологии производства и применения таких систем требует изучения процессов, протекающих на межфаз­ ных границах. Кроме того, методы физико-химического управ­ ления гетерогенными технологическими процессами, осуществ­ ляемыми при получении, переработке и применении дисперсных систем, а также при создании дисперсных материалов с задан­ ными свойствами, должны быть основаны на управлении по­ верхностными явлениями на межфазных границах.

Речь идет о регулировании поверхностной энергии (а зна­ чит, и энергии взаимодействия дисперсных фаз), в частности, с помощью поверхностно-активных веществ различной химиче­ ской природы и строения, а также электролитов. Для изыска­ ния методов регулирования существенное значение приобрета­ ет установление закономерностей влияния на свойства дисперс­ ных систем химических факторов в сочетании с одновременным воздействием механических (вибрационных), ультразвуковых, электрических и других полей. Это объясняется тем, что боль­ шинство реальных химико-технологических процессов осуществ­ ляется в динамических условиях. Поэтому решение проблемы управления технологическими процессами с участием дисперс­ ных систем требует анализа поверхностных явлений и прежде всего контактных взаимодействий между дисперсными фазами, а значит, процессов образования и разрушения дисперсных структур в условиях динамических воздействий на системы.

Специфика нового подхода к проблемам технологии дисперс­ ных систем и материалов состоит в следующем. Реализация высоких значений дисперсности и концентрации твердых фаз в жидкой и газовой средах как весьма эффективного пути интен­ сификации гетерогенных процессов и повышения качества дис­ персных материалов связана с необходимостью разрешения ко­ ренного противоречия современной технологии. Суть этого про­ тиворечия заключается в том, что по мере увеличения дисперс­ ности и концентрации твердых фаз (и именно вследствие этого) резко возрастают вязкость и прочность структур, самопроиз­ вольно возникающих в дисперсных системах.

В этом состоит главное препятствие на пути реализации вы­ соких значений дисперсности и концентрации твердых фаз в технологии дисперсных систем и материалов. Это препятствие, обычно непреодолимое в рамках традиционной технологии, столь существенно, что для большинства процессов допустимой грани­ цей увеличения 5 и ср является начало резкого возрастания вязкости, прочности структур и полная потеря текучести дис­ персных систем. Переход в эту ранее «запретную», однако весь­ ма перспективную область высоких 5 и ср возможен лишь при условии решения задач физико-химического управления свой­ ствами таких структур и разработки методов достижения регу­ лируемой, в пределе максимальной «объемной» текучести без

9

увеличения содержания дисперсионной среды, а в ряде случаев и при его уменьшении.

Именно эта проблема как основа решения главных сформу­ лированных выше задач технологии составляет содержание рас­ сматриваемых ниже вопросов теории и примеров реализации вытекающих из нее путей и методов управления структурно­ реологическими свойствами концентрированных дисперсных си­ стем.

Ранее автором было обосновано представление об оптималь­ ном (с технологической точки зрения) динамическом состоянии дисперсных систем, создаваемом внешними, преимущественно вибрационными, воздействиями.

Анализ совокупности поверхностных явлений в динамиче­ ских условиях существенно важен для развития физикохимии дисперсных систем и поверхностных явлений и вместе с тем имеет важное практическое следствие, так как эти явления от­ вечают реальным условиям проведения химико-технологических процессов в дисперсных системах, в том числе процессов полу­ чения разнообразных дисперсных материалов.

В литературе, посвященной проблемам технологии дисперс­ ных систем и материалов, обычно отсутствует физико-химиче­ ский анализ явлений на межфазных границах, сопутствующих технологическим процессам их получения, переработки и при­ менения. Необходимость рассмотрения технологических про­ блем с позиций физикохимии дисперсных систем и поверхност­ ных явлений обосновывалась автором и ранее (см. монографию «Высококонцентрированные дисперсные системы». М., «Химия», 1980; «Физико-химические основы интенсификации технологи­ ческих процессов в дисперсных системах». М., «Знание», 1980 и др.). Однако в обобщенной форме с обоснованием единого физико-химического подхода к решению технологических про­ блем дисперсные системы и материалы не рассматривались. Автором накоплен значительный опыт реализации принципов и методов регулирования текучести и структурно-реологических свойств дисперсных систем в различных технологических про­ цессах и производствах, в том числе при получении синтетиче­ ских моющих средств, при гранулировании гигроскопичных по­ рошков, в процессах, осуществляемых в кипящем слое; в про­ изводстве строительных материалов, станкостроительной и инструментальной промышленности, горнодобывающей про­ мышленности и цветной гидрометаллургии, в процессах жидко­ фазной гидрогенизации угля и трубопроводном транспорте вы­ сококонцентрированных суспензий, в пищевой и целлюлознобумажной промышленности. При всем различии и разнообразии указанных дисперсных систем в основе разработанных методов регулирования их свойств лежит физико-химическое управле­ ние поверхностными явлениями на межфазных границах в со­ четании с механическими воздействиями.

10