24.02.2010Г. Технология тонкого неорганического синтеза. Лекция 2. Основные понятия и определения.

Синтез (соединение) и получение имеют различные значения, т.е. в эти слова вкладывается разный смысл. Синтез – соединение чего-то с чем-то. Применительно к получению целевого продукта, слово синтез можно употребить к стадии непосредственного соединения реагентов, т.е. соединение реагентов и последующее их взаимодействие. Получение, в отличие от синтеза, включает ряд других технологических стадий: отделение твердой фазы от жидкой (фильтрация), промывка и сушка осадка, иногда термообработка.

Функциональная схема получения соединения методом химического осаждения:

В H₂O H₂O

А R+S R

1 2 3 4 R

S S

Совокупность всех стадий – это химико-технологический процесс получения целевого продукта R методом химического осаждения.

Например, А – соль металла, гидроксид которого получаем,

В – щелочной реагент.

При получении солей поливалентных металлов будут образовываться трудно растворимые гидратированные ионы металлов.

Первая стадия – стадия химического взаимодействия (стадия синтеза). В результате осуществления данной стадии образуются продукты взаимодействия, среди которых имеются целевой и побочные продукты.

Соли поливалентных металлов и щелочного реагента образуют гетерогенную систему (осадок и жидкая фаза). Осадок – гидратированное соединение металла, жидкая фаза – водный раствор соли, состав которой зависит от природы исходных реагентов. Осадок (твердая фаза) - целевой продукт, жидкая фаза – побочный продукт.

Первая стадия характеризуется в первую очередь технологическими показателями (выход твердой фазы). Теоретический выход всегда равен 100%, а практический всегда меньше 100%, за счет того, что осадок будет характеризоваться некоторой растворимостью в жидкой фазе. Приближение к 100% может наблюдаться, если осадок трудно растворим в данной жидкой среде. Жидкая фаза всегда будет содержать те ионы, которые присутствуют в твердой фазе.

Первая стадия может быть еще охарактеризона производительностью и интенсивностью.

Вторая стадия – фильтрация.

Побочный продукт можно обезвредить без больших затрат, только надо правильно выбрать природу реагента.

Твердая фаза может быть в виде пасты, крупно- или мелкокристаллического осадка, сметанообразная. От типа твердой фазы зависит выбор фильтра. Пастообразные, гелеобразные твердые фазы имеют низкие скорости фильтрации, следовательно, используют технологические приемы для отделения твердой фазы от жидкой. Если осадок плохо фильтруется, то у него низкая скорость отмывки, поэтому отделяют жидкую фазу, затем твердую фазу высушивают, при этом примеси диффундируют к поверхности частиц (растворимые соли), что облегчает последующую отмывку осадка.

Третья стадия – отмывка осадка от примесей. Примеси – растворимые соли, содержащиеся в жидкой фазе. Существуют различные способы отмывки: непосредственно на фильтре, методом репульпации, с промежуточным отделением твердой фазы от жидкой (деконтационный метод).

R H₂O R H₂O R H₂O

промывная H₂O промывная H₂O

твердая фаза вода

Количество репульпаторов определяется содержанием растворимой соли в промывной воде. Промывка осуществляется до отрицательной реакции на ионы, содержащиеся в жидкой фазе.

Для сокращения расхода воды организовывают противоточную отмывку. Суть противоточной отмывки в том, что путь потока промывной жидкости и твердой фазы направлен в разных направлениях.

R R R Н₂О

промывная H₂O суспензия

После промывки, целевой продукт R поступает на стадию сушки (4). Она является трудоемкой и энергоемкой стадией. Обычно осадки содержат от 10% до 80% воды. Содержание воды в осадке зависит от его типа, т.е. от того рентгеноаморфный он или кристаллический. Обычно пастообразные рентгеноаморфные осадки содержат до 80% воды – это суммарное количество воды, присутствующее в твердой фазе.

Вода может разделяться на два типа: структурная и неструктурная. Последняя делится на слоевую, адсорбированную и свободную. Структурная вода – химически связанная вода, которая участвует в построении структуры или химической связи. (ОН^- - группы координируются ионами металла – для гидроксидов). Химически связанная вода – прочно связанная вода, поэтому она удаляется в области относительно высоких температур при термообработки (около 400⁰С). Неструктурные типы воды удаляется в области более низких температур. Свободная вода, которая не имеет связи, удаляется до температуры 100⁰С. Неслоевая (адсорбируемая) вода удаляется при температуре более 100⁰С (зависит от природы катиона). Она образует водородные связи и зависит от свойств катиона, т.е. от его поляризующих свойств. Для разрушения этой связи необходимо приложить энергию.

На стадии сушки может быть различный температурный режим в зависимости от того, какие требования предъявляются к конечному продукту. Чаще удаляется на стадии сушки свободная и адсорбционная вода. Температурный режим не превышает 100⁰С. Содержание воды после сушки может достигать около 20%, в зависимости от того, какое вещество подвергается сушки, и какие типы воды включены.

Основные технологические параметры на стадии сушки являются температура и продолжительность (зависит от способа сушки).

Сушка осуществляется в неподвижном и движущемся слое, т.е. при различном гидродинамическом режиме, который зависит от типа сушки. Они разнообразны по своей конструкции, устройству, поэтому выбор сушки основан на специфическом высушивании материала, т.е. на сушку подается паста, крупнокристаллическое, мелкокристаллическое вещество.

Во многих ХТП есть стадии термообработки. Она проводится в печах, т. к. проводится в области относительно высоких температур. Различают среднетемпературные (350-600) и высокотемпературные (700 и более). Термообработка применяется в том случае, если необходимо удалить химически связанную воду (термообработка гидротированных оксидов металлов приводит к образованию оксидов металлов, гидрофосфатов - к метафосфатам). Соединения меняют свой химический состав, а, следовательно, и свойства. Применяются печи различной конструкции: туннельные печи, барабанные вращающиеся, муфельные печи и т.д.