ИЗУЧЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СУСПЕНЗИИ, ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ПЕРОКСИДА КАЛЬЦИЯ

АННОТАЦИЯ

Для разработки технологической схемы получения пероксида кальция большое значение имеют реологические свойства промежуточных пульп и растворов, образующихся в результате конверсии нитрата кальция пероксидом водорода.

Исследование реологических свойств промежуточных пульп производилось при температуре 20-60 °С, концентрация нитрата аммония варьировалась от 20 до 60 %, соотношение твердой и жидкой фазы (Т:Ж) находилось в пределах 1:2-1:6.

Уменьшение соотношения Т:Ж и температуры привело к снижению вязкости и увеличению текучести  пульпы, а концентрация нитрата аммония не оказывала существенного влияния.

Установлено, что с увеличением концентрации раствора и соотношения твердой и жидкой фазы плотность пульпы возрастает, а с увеличением температуры она уменьшается. Максимальная плотность пульпы наблюдается при 60%-ном растворе нитрата аммония и температуре 60°С, а минимальной (1,1517 г/см³) плотностью обладает пульпа, полученная конверсией нитрата кальция при 60°С и соотношении твердой и жидкой фаз 1:6.

Результаты исследований реологических свойств суспензии, образующейся при получении пероксида кальция в интервалах варьирования технологических параметров, показали, что образуется подвижная масса, приемлемая для использования существующего перекачивающего устройства. Также проведены исследования фильтрации пульп и установлены оптимальные параметры процесса: рН=9 и мольное соотношение исходных компонентов-1:1.

ABSTRACT

For the development of a technological scheme for the production of calcium peroxide, the rheological properties of intermediate slurries and solutions formed as a result of the conversion of calcium nitrate with hydrogen peroxide are of great importance.

The study of the rheological properties of the intermediate slurries was carried out at a temperature of 20-60 °C, the concentration of ammonium nitrate varied from 20 to 60%, the ratio of the solid to liquid phase (S:L) was in the range of 1:2-1:6.

A decrease in the S:L ratio and temperature led to mixing of the viscosity and an increase in the fluidity of the pulp, and the concentration of ammonium nitrate did not have a significant effect. It was found that with an increase in the concentration of the solution, the ratio of the solid and liquid phases increases, and with an increase in temperature, it decreases.

The maximum density of the pulp is observed at a 60% solution of ammonium nitrate and a temperature of 60 °C, and the minimum (1.1517 g/sm3) density is possessed by the pulp obtained by the conversion of calcium nitrate at 60 °C and the ratio of solid to liquid phases 1:6.

The results of studies of the rheological properties of the suspension formed during the production of calcium peroxide in the intervals of varying technological parameters have shown that a movable mass is formed that is acceptable for using the existing pumping device. Also, studies of pulp filtration were carried out and the following optimal process parameters were established: pH=9 and the molar ratio of the initial components-1:1.

Ключевые слова: жидкая фаза, нитрат кальция, плотность, пульпа, суспензия, пероксид кальция, хлорид кальция, вязкость, фильтрация, пероксид водорода.

Keywords: liquid phase, calcium nitrate, density, pulp, suspension, calcium peroxide, calcium chloride, viscosity, hydrogen peroxide.

Введение: Неорганические пероксидные соединения при­влекают внимание исследователей как источники химически связанного легко выделяющегося кислорода. Пероксидные соединения щелочных металлов находят широкое применение в системах жизнеобеспечения для регенерации воздуха. Однако этот класс веществ имеет ряд недостатков, что снижает эффективность их использования в указанных системах. Поэтому представляется перспективным поиск новых веществ для очистки воздуха в замкнутых объемах. Среди всех известных твердых неорганических пероксидов, которые могли бы выполнять двойную функцию, а именно, выделять кислород и одновременно поглощать диоксид углерода, представляет интерес пероксид кальция-CaO₂. Он имеет высокое содержание активного кислорода (22,2%), термически стабилен до 350°С, негигроскопичен. Продукт его реакции с диоксидом углерода - карбонат кальция - экологически безопасное вещество и может быть использовано в дальнейшем без переработки, например, в сельском хозяйстве [1-9].

Современное состояние производства пероксида кальция. Известен способ получения пероксида кальция путем взаимодействия водного раствора хлорида кальция, 10% -ного раствора NaOH и 30% -ного раствора H₂O₂. Раствор NaOH дополнительно содержит 6,02-10 масс.% NaCl. Реакционная смесь имеет рН-10-12. Полученный осадок отфильтровывают, промывают водой и сушат при 125°С. Недостатком данного способа является сложность технологии, связанная с необходимостью контроля за содержанием в растворе NaCl, и повышенные энергозатраты на его осуществление [2].

Известен способ [3-9] получения пероксида кальция путем взаимодействия сухого гидроксида кальция или его 50%-ной водной суспензии с 16-35%-ным водным раствором пероксида водорода при отношении пероксида водорода к гидроксиду кальция, равном 1,2-2,0. Продукт взаимодействия подвергают дегидратации при 40-170°С с предварительной фильтрацией при остаточном давлении 0,1-10,0 мм рт.ст. или путем сублимации при остаточном давлении 10²-10"³ мм рт.ст. Недостатком данного способа является сложность технологии на стадии выделения продукта, что приводит к повышенным энергозатратам.

Пероксид кальция возможно получать взаимодействием гидроксида кальция с водным раствором пероксида водорода при молярном соотношении Н₂О₂:Са(ОН)₂, равном 1,2-7,0, с образованием гидрата пероксида кальция и далее его термической дегидратацей. При этом гидроксид кальция вводят в реакцию в виде водной суспензии оксида кальция, раствор пероксида водорода вводят путем регулируемой подачи со скоростью 0,006-0,060 молей Н₂О₂ на моль Са(ОН)₂ в минуту; перед стадией термической дегидратации осадок гидрата пероксида кальция отделяют от раствора декантацией, а термическую дегидратацию проводят в токе нагретого воздуха.

Методы исследований и полученные результаты. Изучение плотности суспензий проводилось при помощи пикнометров (V=25±0,015 мм), а вязкости -вискозиметра ВЗ-246 [10]. При количественном химическом анализе количество натрия и кальция определяли методом пламенной фотометрии [11].

Влияние температуры на реологические свойства пульп изучалось в пределах 20-60℃, концентрация варьировалась от 20 до 60%, соотношение твердой фазы к жидкой изменялось от 1:2 до 1:6.

Вязкость пульпы, полученной конверсией нитрата кальция перекисью водорода в 20%-ном растворе, с увеличением температуры уменьшается при всех соотношениях Т:Ж. Так, если при температуре 20℃ и массовом соотношении Т:Ж=1:2 вязкость пульпы равна 5,254 мм²/с, то увеличение температуры до 60℃ при данных условиях приводит к изменению вязкости до 2,465 мм²/с. Уменьшение массового соотношения Са(NO₃)₂:Н₂О₂ до 1:6 при температуре 20℃ и концентрации 20% привело к снижению вязкости пульпы до 1,602 мм²/с. Нагревание пульпы до 60℃ в 20%-ном растворе при соотношении Т:Ж=1:2 привело к уменьшению вязкости на 2,789 мм²/с. Увеличение жидкой фазы (Н₂О₂) в 6 раз при конверсии нитрата кальция привело к уменьшению вязкости пульпы на 49%. Увеличение концентрации NH₄NO₃ в растворе до 40% при 20℃ и Т:Ж=1:2 привело к увеличению вязкости пульпы до 5,31 мм²/с. С повышением концентрации раствора до 60% наблюдался незначительный рост значений вязкости пульпы на 0,092 мм²/с. Такая же закономерность наблюдается и при соотношении Т:Ж=1:6, т.к. при концентрациях жидкой фазы 20 и 60 % происходит незначительное увеличение  вязкости с 1,602 мм²/с до 1,913 мм²/с.

Таким образом, на вязкость пульпы значительное влияние оказывает соотношение Т:Ж (табл.1). Снижению Т:Ж приводит к уменьшению вязкости и увеличению текучести пульпы. Также значительное положительное влияние на вязкость пульпы оказывает температура процесса, а концентрация существенного влияния не оказывает.

Таблица 1.

Влияние технологических параметров на вязкость образующихся пульп (мм²/с)

Зависимость плотности пульпы от температуры и Т:Ж изучалась в пределах 20-60℃ и 1:2-1:6 соответственно (рис.1,2).

При концентрации NH₄NO₃ 20 % со снижением Т:Ж от 1:2 до 1:6 плотность пульпы уменьшается от 1,3686 г/см³ до 1,1773 г/см³. Такая же закономерность наблюдается в 40 и 60%-ном растворе.

При 20%-ном растворе, Т:Ж=1:2 и температуре 20℃ плотность пульпы равна 1,3886 г/см³, а при тех же условиях с концентрацией раствора 60%, плотность увеличилась до 1.4875 г/см³. При температуре 40℃  и Т:Ж=1:2 плотность растворов растет от 1,3475г/см³ до 1,4807г/см³ для концентрации 40 и 60% соответственно (рис.1,2).

Наибольшая плотность наблюдается в 60%-ном растворе NH₄NO₃ и температуре 60℃, а наименьшей плотностью 1,1517 г/см³ обладает пульпа, полученная конверсией нитрата кальция при 60℃ и соотношении Т:Ж=1:6.

Таким образом, с ростом концентрации раствора и Т:Ж плотность пульпы увеличивается, а с увеличением температуры она уменьшается.

При разработке технологической схемы большое экономическое значение имеет скорость фильтрации пульпы. Результаты экспериментов показали, что наибольшей скоростью фильтрации 307,37 кг/м²с обладает пульпа при соблюдении условий: рН=9,15 и молярное соотношение Ca(NO₃)₂:H₂O₂=1:1. С ростом рН до 10 при этом же соотношении исходных продуктов скорость фильтрации уменьшается незначительно. Уменьшение рН пульпы до 8,2 резко снизило скорость фильтрации от 307,37 кг/м²с при рН=9 до 17,395 кг/м²с при рН=8. Эксперименты показали, что с уменьшением мольного соотношения Ca(NO₃)₂:H₂O₂ от 1:1 до 1:4 рН среды колеблется в интервалах 9,15÷9,58 а скорость фильтрации снижается от 307,37 до 228,44 кг/м²с (табл.2).  

Таблица 2.

Влияние мольного соотношения Ca(NO₃)₂:H₂O₂ и рН на скорость фильтрации готового продукта

Рисунок 1. Зависимость плотности от температуры.

а-при концентрации раствора 20%; б-при концентрации раствора 40%; в-при концентрации раствора 60%.

Рисунок 2. Зависимость плотности от концентрации раствора. а-при температуре 20ºС; б-при температуре 40ºС; в-при температуре 60ºС.

Заключение. Таким образом, результаты исследований реологических свойств суспензии, образующейся при получении пероксида кальция в интервалах варьирования технологических параметров, показывают, что образуется подвижная масса, приемлемая для использования существующего перекачивающего оборудования. Оптимальные условия фильтрации суспензии достигаются при рН=9 и мольном соотношении исходных компонентов 1:1.

Список литературы:

1. Пероксидные соединения кальция. Синтез. Свойства. Применение Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., Лемешева Д.Г. и др.//2013, М.: Издательский дом «Спектр», с. 216.
2. Патент RU №2069171. Способ получения пероксида кальция. Ипполитова Е.Г., Болотова Е.Л. Институт общей неорганической химии им. Н. С. Курнакова. 20.11.1996.
3. Патент RU №2136583. Способ получения пероксида кальция. Витковская М.П, Гладышева Т.В, Лемешева Д.Г. Тамбовский научно-исследовательский химический институт. 10.09.1999.
4. Патент R С № 2315708 C1. Способ получения пероксида кальция. Трипольская Татьяна Алексеевна (RU), Артемов Арсений Валерьевич (RU), Новоторцев Владимир Михайлович (RU). Москва, ГСП-1, Ленинский пр-кт, 31, Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Т.А.Трипольской. 27.01.2008.
5. Патент SU 1839945 А1. Способ получения перекиси кальция. Гладышева Т.В, Симоненков С.И.Тамбовский научно-исследовательский химический институт. 20.06.2006.
6. Перекись водорода и перекисные соединения: Пер. с англ. / Под ред. М. Е. Позина. - Л.: Химия, 1951. 476 с.
7. http://www.ark-inform.com
8. http://rusbiz.net
9. http://www.babyton.ru
10. Практикум по физической химии. Горбачев С.В. -М.: Высшая школа, 1974. -300 с.
11. Методы анализа по фотометрии пламени. Полуэктов Н.С. –Л.: Химия, 1967.-307 с.