ПОЛУЧЕНИЕ ХЛОРАТА КАЛИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНОЕ ВЕЩЕСТВО (ПАВ), И ИЗУЧЕНИЕ ЕГО СВОЙСТВ

АННОТАЦИЯ

В данной работе с целью улучшения растворимости и эксплуатационных свойств хлората калия были исследованы физико-химические свойства 10%-ного раствора хлората калия в процессе добавления поверхностно-активного вещества (ПАВ), а также изменения, происходящие при его введении. В ходе исследования были определены плотность, вязкость и показатель pH раствора, а также проанализированы закономерности их изменения в зависимости от концентрации ПАВ. Полученные результаты позволили определить возможности применения растворов на основе хлората калия в технологических процессах.

ABSTRACT

In this study, to improve the solubility and operational properties of potassium chlorate, the physicochemical properties of a 10% potassium chlorate solution were investigated during the addition of the surfactant (SFM), as well as the changes occurring upon its introduction. The density, viscosity, and pH of the solution were determined, and the patterns of their variation depending on the surfactant concentration were analyzed. The obtained results made it possible to identify the potential applications of potassium chlorate–based solutions in technological processes.

Ключевые слова: хлорат калия, поверхностно-активное вещество, физико-химические свойства, показатель преломления, вязкость, поверхностное натяжение, раствор, концентрация.

Keywords: potassium chlorate, surfactant, physicochemical properties, refractive index, viscosity, surface tension, solution, concentration

Введение. В мировом масштабе особое внимание уделяется развитию технологий производства и применения высокоэффективных, как токсичных, так и безопасных химических веществ на основе местного сырья или отходов химической промышленности при возделывании сельскохозяйственных культур[1-3]. Для получения высококачественного урожая и ускорения сбора хлопкового сырья необходимо синтетическое удаление листьев хлопчатника с использованием дефолиантов[3].

Эффективное удаление листьев способствует ускорению созревания и раскрытия коробочек, повышает урожайность волокна и улучшает его качество, а также обеспечивает возможность своевременного проведения осенних уборочных работ[4-6]. В этой связи разработка технологии получения нетоксичных дефолиантов комплексного действия, обогащённых поверхностно-активными веществами, не оказывающих вредного воздействия на почву и окружающую среду и способствующих повышению урожайности хлопчатника и улучшению качества продукции, имеет важное значение [6].

В настоящее время при выращивании хлопчатника в качестве дефолиантов широко применяются хлораты натрия, магния и трикарбамидохлорат натрия. Однако применение хлората калия изучено недостаточно [1-3]. В связи с этим представляет интерес его получение и использование с добавлением различных поверхностно-активных веществ. В научной литературе известно, что применение дефолиантов совместно с поверхностно-активными веществами повышает эффективность дефолиации и оказывает положительное влияние на общее воздействие препаратов на растения [1–3]. Поэтому введение поверхностно-активных веществ в состав дефолиантов является весьма актуальной задачей [7].

Хлорат калия (KClO₃) является сильным окислителем и широко применяется в химической промышленности, сельском хозяйстве в качестве дефолианта, а также при производстве различных окислительных реагентов. Физико-химические свойства данного вещества в растворе играют важную роль во многих технологических процессах[8-9]. Стабильность раствора, поверхностное натяжение и диффузионные характеристики существенно влияют на скорость химических реакций и взаимодействие веществ [10].

В данной статье рассматривается процесс получения хлората калия путём конверсии гипохлорита натрия с хлоридом калия с добавлением поверхностно-активных веществ[11-14]. В качестве поверхностно-активных веществ использовался соапсток — один из наиболее доступных отходов масложировой промышленности Республики. Данный соапсток представляет собой натриевые соли жирных кислот с углеродным радикалом, содержащим в среднем 14–18 атомов углерода (C14–C18). Для повышения растворимости раствора соапсток обрабатывался 1%-нём раствором гидроксида натрия [11-14].

Известно, что в акционерном обществе «Навоийазoт» в процессе производства каустической соды образуется побочный продукт — гипохлорит натрия. С использованием данного побочного продукта были изучены оптимальные условия получения хлората калия методом диспропорционирования. Реакция проводилась в щелочной среде при pH = 11, при соотношении реагентов 3:1, с нагреванием до температуры 70–80 °C в течение 60 минут. Полученный раствор охлаждали до комнатной температуры, после чего образовавшиеся кристаллы отделяли и анализировали. Анализ результатов показал, что полученные кристаллы являются хлоратом калия, что было подтверждено химическими и физико-химическими методами.

 Химический анализ синтезированного соединения KClO₃ показал следующие результаты, мас.%: K⁺ – 30,97%; ClO₃⁻ – 67,11%. Теоретически рассчитанный химический состав KClO₃ близок к экспериментальным данным, мас.%: K⁺ – 31,83%; ClO₃⁻ – 68,16%. Эти результаты подтверждают образование KClO₃. В дальнейшем исследовании был получен ИК-спектр данного вещества. Результаты представлены на рисунок 1. В спектрах ионов KClO₃ [ClO₃⁻] наблюдаются зоны поглощения, соответствующие частотам 1060,90; 940,47; 668,08; 620,77 и 404,29 см⁻¹.

 Рисунок 1. ИК-спектры NaCl, KClO₃ и NaClO

Полученный хлорат калия может использоваться в качестве дефолианта, однако он является сильным окислителем и относится к классу взрывоопасных веществ. Для нейтрализации его нежелательных воздействий в хлорат калия добавляют соапсток, что позволяет устранить указанные недостатки и получить высокоэффективный дефолиант на основе хлората калия, обогащённый поверхностно-активными веществами.

В этой связи нами было изучено влияние добавления поверхностно-активных веществ на параметры процесса производства дефолианта на основе хлората калия. При получении хлората калия с добавлением поверхностно-активных веществ, важное значение имеет определение кинетических параметров удаления влаги с целью создания оптимальных условий для удаления избыточной влаги из раствора.

Получение хлората калия с добавлением поверхностно-активных веществ осуществлялось с использованием следующей лабораторной установки. Установка включала термостат, заполненный глицерином, нагреватель, мешалку, реактор и контактный термометр с регулятором температуры. Контроль температуры осуществлялся с точностью ±0,5 °C. Эксперименты проводились при температурах 90 °C, 105 °C и 115 °C. В предварительно приготовленный 50%-ной раствор хлората калия непрерывно добавляли поверхностно-активное вещество в количестве от 0,5 до 3%. Концентрация ПАВ в реакционной смеси составляла 0,5–3%. Нагрев осуществлялся в диапазоне температур 90–115 °C. Через определённые промежутки времени из раствора отбирались пробы, определялось количество удалённой влаги, после чего строились кинетические кривые зависимости степени удаления воды от температуры, времени и выхода влаги (рисунок  2).

Рисунок 2. Кинетические кривые зависимости степени удаления влаги от температуры, времени и выхода воды при добавлении раствора ПАВ к хлорату калия: а — 1% ПАВ, б — 2% ПАВ, с — 3% ПАВ.

Экспериментальные данные показывают, что при температуре 90–105°C и содержании ПАВ 1–2% удаляется до 5–10% влаги, причём основная её часть (70–80%) удаляется в течение первых 20–40 минут. При температуре 90–105 °C и содержании ПАВ 3% при влажности 15% готовый продукт образуется в течение 40–70 минут. Кроме того, при удалении влаги из 50% ной раствора хлората натрия установлено, что с увеличением содержания поверхностно-активных веществ ускоряется процесс удаления влаги; как и следовало ожидать, повышение температуры также существенно интенсифицирует данный процесс таблице 1.

Таблице 1.

Кинетические кривые зависимости степени удаления влаги от температуры, времени и выхода воды при добавлении раствора ПАВ к хлорату калия

Полное обезвоживание продукта при 115 °C с исходной влажностью 5–15% и содержанием ПАВ 2–3% происходит в течение 40–60 минут, тогда как при 1% ПАВ при той же температуре — за 20–40 минут. При 105 °C обезвоживание продукта с содержанием ПАВ 1–3% завершается в течение 40–70 минут, при 1% ПАВ — за 45–80 минут. Наименьшая скорость удаления влаги наблюдается при 90 °C. При этой температуре продукт с исходной влажностью 5% в присутствии 1–2% ПАВ обезвоживается за 40–70 минут. В присутствии 1% ПАВ продукт за 80 минут не обезвоживается. С увеличением исходной влажности процесс обезвоживания продукта при 90 °C значительно замедляется по сравнению с температурами 105 и 115 °C.

Из результатов исследования следует, что оптимальными тем-пературными условиями процесса удаления избыточной влаги при получении хлората калия с добавлением поверхностно-активных веществ являются 105-115 °C. В этих условиях основная часть влаги удаляется в первые 20-40 минут, что позволяет получить продукт с содержанием влаги не более 5%.

С целью определения оптимального содержания остаточной влаги и ПАВ в готовом продукте были исследованы температура кристаллизации и продолжительность затвердевания расплава дефолианта в зависимости от содержания влаги. Результаты исследования приведены в таблице 2.

Расплав дефолианта на основе хлората калия без добавления ПАВ и влаги кристаллизуется в течение 16 секунд при температуре кристаллизации 46°C и время затвердевания – 20,5 секунда.  Введение в расплав 1% ПАВ увеличивает продолжительность затвердевания на 0,4 секунда и температуре кристал-лизации 45,5°C. Повышение содержания ПАВ до 3% удалиняет процесс полного затвердевания расплава на 6,9 секунды.

Содержание остаточной влаги в пределах 5,0–10,0% практически не влияет на продолжительность полного затвердевания расплава хлората калия с 1–3% ПАВ. Однако последующее увеличение влажности отрицательно сказывается на скорости кристаллизации расплава.

Таблица 2.

Температура начала кристаллизации и продолжительность затвердевания дефолианта хлората калия в зависимости от содержания ПАВ и остаточной влаги

При этом расплав хлората калия с 1–3% ПАВ и 7–10% влаги полностью затвердевает в течение 24,6–28,5 секунд. Процесс становится технологичным, поскольку при принятом режиме работы барабана кристаллизатора (2,0 об/мин при температуре –13 + -20°C) продукт не успевает полностью закристаллизоваться.

Следовательно, нецелесообразно, чтобы содержание остаточной влаги в продукте превышало 7,0%. Расплав хлората калия, содержащий 2–3% ПАВ и 7,0% влаги, кристаллизуется в течение 24,6–28,5  секунд, что полностью соответствует режиму работы барабанного кристаллизатора в промышленных условиях. В связи с этим оптимальными количествами добавки ПАВ и влаги в хлорат калия являются соответственно 2–3% и 7,0%.

Известно из литературы, что для улучшения свойств большинства веществ проводится добавление различных ПАВ в их состав. В этой связи был изучен процесс введения ПАВ в состав хлората калия. При этом в водный раствор KClO₃ добавляли ПАВ, при каждом варианте определяли основные физико-химические показатели раствора. Эксперимент проводился следующим образом: сначала отбирали 10 мл 10 %-ного раствора KClO₃, затем последовательно добавляли 0,5–3,0 % раствора ПАВ и определяли состав и свойства полученной смеси. Результаты эксперимента приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Физико-химические показатели 10%-ного KClO₃ и 0,5–3% ПАВ.

В результате проведенных экспериментов было установлено, что физико-химические свойства раствора хлората калия заметно изменяются при добавлении 0,5–3,0% ПАВ. Наблюдалось некоторое снижение плотности раствора. При введении ПАВ усиливаются молекулярные взаимодействия в растворе, что приводит к незначительным изменениям его структурного состояния. В результате было выявлено возможное повышение степени дисперсности раствора. Анализ показателей pH показал, что добавление ПАВ не оказывает значительного влияния на кислотность раствора. Однако в отдельных случаях возможно небольшое изменение значения pH. Полученные результаты свидетельствуют о том, что с использованием ПАВ можно в определенной степени управлять физико-химическими параметрами растворов хлората калия. Это указывает на их важное значение при оптимизации технологических процессов.

Снижение поверхностного натяжения увеличивает смачивающую способность раствора. Это, в свою очередь, усиливает взаимодействие веществ и может способствовать ускорению химических процессов. Согласно результатам эксперимента, с увеличением концентрации ПАВ поверхностное натяжение раствора постепенно уменьшалось. Следовательно, при добавлении 0,5–3,0% ПАВ в 5–10%-ный раствор хлората калия изменения значений pH, плотности, вязкости и поверхностного натяжения были определены с помощью экспериментов.

Заключение. В процессе получения хлората калия было установлено, что оптимальные условия составляют pH-11, соотношение веществ 3:1 и нагрев в течение 60 минут до температуры 70–80°C. На следующем этапе изучения условий получения хлората калия с добавлением ПАВ были определены следующим образом: содержание влаги - 7,0%, ПАВ - 2–3%, время кристал-лизации - 24,6-28,5 секунды, что полностью соответствует режиму работы барабанного кристаллизатора в промышленных условиях. Были определены физико-химические свойства хлората калия, содержащего до 3% ПАВ, которые свидетельствуют о снижении его взрывоопасности и указывают на возможность использования вещества в качестве дефолианта.

Список литературы:

1. Ажиметова Г.Н. // Современные проблемы науки и образования. Журнал. 2017. №1. С.53.
2. Умиров Ф.Э. Получение дефолианта на основе хлоратов и органических соединений / Дурдона, 2019. 139
3. Тешаев Ш. // Ўзбекистон қишлоқ хўжалиги журнали. 2006. №1. С. 14.
4. Dmitry V.G., Al’ona A.G., Nikolai V.N. // Research Article. 2019. V. 2019. https://doi.org/10.1155/2019/2360420
5. Тогашаров А.С., Шукуров Ж.С., Тухтаев С. Новые дефолианты на основе хлоратов и техногенных отходов хлопкоочистительных заводов. Навруз, 2019. 156
6. Ниёзов С.А., Умиров Ф.Э., Номозова Г.Р., Махмудов.Р.А., Худойбердиев Ф.И //Калий хлориди ва натрий гипохлорит конверсияси асосида калий хлоратини олиш “Фан ва технологиялар тараққиёти” Бухоро давлат техника университети Илмий–техникавий журнал №6/2025  C 119-126 . 
7. Sh.Sh. Yakubov, D.O. Obidjonov, M.Sh. Adilova, J.Sh. Shukurov, B.Kh. Kucharov, B.S. Zakirov. Solubility Study for the Components of Aqueous System Containing Ammonium Chloroethylphosphonates, Ammonium Dihydrogen Phposphate, Ammonium Sulfate, and Sodium Tricarbamidochlorate with the Aim to Develop Multipurpose Defoliant. Russian Journal of Inorganic Chemistry. Moscow, 2024. DOI:  10.1134/S003602362360257X.
8. Умиров Ф.Э., Дормешкин О.Б., Номозова Г.Р., Шарипов С.Ш., Кенжаева С.Х. // Исследование политерм раствориморсти в системе гипохлорит натрия-хлорид калия-вода / Вести Нацианальнай академи наук Беларуси.Серия химических наук. 2025.Т.61, №4. С.286-293
9. Умиров Ф.Э., Номозова Г.Р. Шодикулов Ж.М. // Solubility Diagram of the Sodium Hypochlorite–Sodium Chloride–Water System. Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2022, Vol. 67, No. 4, pp. 514–518.
10. Sh. Sh. Yakubov, D. O. Obidjonov, M. Sh. Adilova, B. Kh. Kucharov,  B. S. Zakirov. Polytherm of Solubility of System Mg(ClO₃)₂–[21%ClCH₂CH₂PO(OH)₂∙NH₃ + 11%ClCH₂CH₂PO(OH)₂∙2NH₃ + 12%NH₄H₂PO₄ + 56%Н₂О] - H₂O. Russian Journal of Inorganic Chemistry. Moscow, 2024. DOI:10.1134/S0036023624700517. (Scopus IF 1.8).
11. Шукуров Ж.С., Хусанов Э.С., Мухитдинова М.Ш., Тогашаров А.С. // Журнал неорганической химии. 2021. T. 66. № 6. C. 807. doi: 10.31857/S0044457X21060179
12. Умиров Ф.Э., Аслонов А.Б., Шодиқулов Ж.М., Шарипов С.Ш.. // Научно-технический журнал Обогащение руд №4(406). 2023y 25-31 DOI: 10.17580/or.2023.04.05.
13. Накамота К. ИК-спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений / Мир, 1991. 536
14. Кочеров В.И., Сараева С.Ю., Алямовская И.С. и др. Химические и физико-химические методы анализа. / Издательство Уральского университета, 2016. 104