1 Аналитический обзор

1.1 Общие сведения о композиционно сорбирующих материалах

Композиционно сорбирующие материалы– материалы, образованные из двух или более разнородных фаз и обладающие характеристиками отличные от характеристик исходных компонентов. Состав: наполнитель и связующее, могут быть добавлены различные консерванты и т.д. В качестве наполнителя могут использоваться различные сорбенты (цеолиты, силикагели, алюмогели и т.д.). Сорбционные свойства проявляются за счет наполнителя и связующего. Используются различные виды матриц КСМ:

а) полимерная;

б) неорганическая (для силикатов);

в) углеродная;

г) металлическая.

Свойства матрицы определяют:

1)технологические параметры получения;

2) эксплуатационные свойства (прочность).

Наибольший интерес представляют полимерные системы.

Производство КСМ.

Исходным сырьем для производства КСМ являются природные минеральные сорбенты и синтетические полимеры, выпускаемые отечественной промышленностью.

смешение

формование

термообработка

Рисунок 1 - Схема получение КСМ.

Процесс производства КСМ является малоэнергоемким, все стадии, кроме термообработки конечного продукта, проводятся при нормальной температуре. Процесс производства КСМ является безотходным и полностью экологически чистым [2].

1.2 Структура и химические свойства цеолитов

Цеолит - алюмосиликаты, содержащие в своем составе окислы щелочных и щелочноземельных металлов, отличающиеся строго регулярной структурой пор, которые в обычных температурных условиях заполнены молекулами воды. Эта вода, названная цеолитной, при нагреве выделяется [3].

Молекулярные сита – это пористые неорганические твердые тела, состоящие из множества пористых кубических цеолитных кристаллов микронных размеров. Цеолитные кристаллы являются действующим началом молекулярных сит.

Таблица 1- Зависимость кристаллической структуры цеолита от типа ячейки .

Широкое использование молекулярных сит обусловлено их необычными свойствами: способностью цеолитов обратимо сорбировать водяной пар или различные вещества в газообразном состоянии, катионы цеолитов легко обмениваются на любой другой положительный ион. Сеть полостей и узкие диффузионные пути (поры) приводят к образованию развитой внутренней поверхности большой величины. Внутренняя поверхность цеолитов составляет от 10 000 до 100 000 значений величины внешней поверхности. Эти свойства цеолитов используют в процессах сушки и селекционного разделения. Наиболее распространенные типы синтетических цеолитов - это типы А; Х; Y.

Молекулярные сита относительно стабильны как химически, так и термически. При предварительном восстановлении активности молекулярные сита подвергают воздействию температур порядка до 700 ˚С. однако для регенерации (использование свойства обратимости адсорбции) достаточно температуры 200-300 0С. Погружение в воду не приводит к разрушению, в разбавленных щелочных растворах стабильность устойчивая. Кристаллический каркас разрушается под воздействием сильных кислот. Некоторые соли обмениваются своим катионом с катионом цеолита [4].

Таблица 2 - Классификация синтетических цеолитов.

1. Цеолит NaХ имеет достаточно широкое входное окно и адсорбирует подавляющее большинство компонентов сложных смесей: все типы углеводородов, органические сернистые, азотистые и кислородные соединения (меркаптаны, тиофен, фуран, хинолин, пиридин, диоксан и др.), галогензамещенные углеводороды (хлороформ, четыреххлористый углеводород, фреоны), пентаборан и декаборан.

2. Цеолит KА при обычной температуре в значительных количествах поглощает только воду. Это свойство предопределило широкое применение его для осушки нестойких веществ, склонных к реакциям полимеризации.

3. Цеолит NaA адсорбирует большинство компонентов промышленных газов, критический размер молекул которых не превышает 0,4 нм: сероводород, сероуглерод, диоксид углерода, аммиак, низшие диеновые и ацетиленовые углеводороды, этан, этилен, пропилен, органические соединения с одной метильной группой в молекуле, а также метан, неон, аргон, криптон, ксенон, кислород, азот, оксид углерода. Последняя группа веществ в значительных количествах поглощается только при низких температурах. Пропан и органические соединения с числом атомов углерода в молекуле более 3 не адсорбируются цеолитом NaA и таким образом при осушке и очистке не подавляют адсорбцию указанных выше примесей.

4. Цеолит СаА адсорбирует углеводороды и спирты только нормального строения (независимо от длины цепи), в связи с чем широко используется в процессах разделения многокомпонентных органических веществ на молекулярно-ситовой основе. Кроме того, цеолитом СаА поглощаются метил- и этилмеркаптаны, органические соединения с числом атомов углерода в молекуле, равным двум, (этиловый спирт, этиламин, диборан и др.). Цеолит СаА, среди синтетических цеолитов других типов, отличается повышенной стойкостью в слабокислой среде и, поэтому его используют в процессах сероочистки и декарбонизации газов.

5. Цеолит СаХ при полном замещении катиона натрия на кальций, в отличие от цеолита NаХ, не адсорбирует ароматические углеводороды или их производные с разветвленными радикалами.

Применение цеолитов СаХ и NаХ основано на избирательности процессов адсорбции, а не на молекулярно-ситовых свойствах.

Цеолиты типа NаХ.

Цеолиты типа Х имеют в дегидратированном виде состав Na₂О*А1₂О₃*xSi0₂ . Мольное отношение Si0₂ : А1₂О₃ может изменяться от 2,2 до 3,3. Каждая боль­шая полость имеет четыре входа, образованных 12­членными кислородными коль­цами диаметром 8­-9 Å. Вследствие этого структура цеолитов такого типа бол­ее открыта и доступна для поглощаемых молекул.

Цеолит NaХ имеет достаточно широкое входное окно и адсорбирует подавляющее большинство компонентов сложных смесей: все типы углеводородов, органические сернистые, азотистые и кислородные соединения (меркаптаны, тиофен, фуран, хинолин, пиридин, диоксан и др.), галогензамещенные углеводороды (хлороформ, четыреххлористый углеводород, фреоны), пентаборан и декаборан [5].

Области применения цеолита типа NaX:

- Глубокая осушка газовых потоков;

- Очистка газовых потоков;

- Глубокая осушка жидкостных потоков;

- Разделение смесей углеводородов различного строения;

- Применение цеолитов в качестве катионообменных материалов.

Одним из преимуществ синтетических цеолитов перед другими осушителями является их способность поглощать влагу из газов с малым ее содержанием, а так же при высоких температурах.