Способ получения гидрофобных материалов
METHOD OF PRODUCING HYDROPHOBIC MATERIALS

Изобретение относится к способам получения материалов с гидрофобными свойствами, преимущественно пористых алюмосиликатов, и может быть использовано для получения гидрофобных сорбентов, предназначенных для очистки жидких сред и водных объектов, а также в производстве строительных материалов.
Известен обширный ряд способов получения искусственно гидрофобизированных материалов, в том числе материалов природного происхождения. Тем не менее, с учетом возрастающей потребности в таких материалах, на текущий момент актуальной является разработка новых более совершенных технологий, лишенных прежних недостатков.
Известен способ получения сорбентов для жидких углеводородов (RU 2340393, опубл. 2008.10.02), включающий гранулирование и обработку исходного материала на основе алюмосиликатов в рабочей камере путем пропитки гидрофобизатором в виброкипящем слое, при этом материал активируют наложением электромагнитного и акустического полей, после чего сушат потоком газа. Недостатком известного способа является необходимость использования целого комплекса дорогостоящего оборудования, что удорожает осуществление способа и увеличивает цену производимой продукции.
Известен способ гидрофобизации поверхности полидисперсных материалов (RU 975671, опубл. 1982.23.11), предусматривающий термообработку материала в закрученном потоке теплоносителя в вихревой камере с последующим пропусканием нагретого материала через закрученный поток гидрофобизирующего газа. В закрученном газовом потоке эффективно обрабатываются только легкие и сыпучие материалы, при обработке более тяжелых материалов крупных фракций структура закрученного потока будет разрушаться и качество обработки ухудшится. Кроме того, для формирования закрученных потоков теплоносителя и гидрофобизирующего газа необходимо применение достаточно сложной и энергоемкой вихревой камеры циклонного типа, а также горелочных или форсуночных устройств.
Известен способ получения сорбентов для очистки воды от органических примесей (SU 1606182, опубл. 1990.15.11), включающий предварительную сушку материала в потоке теплоносителя, его обезгаживание и последующую гидрофобизацию при помощи подаваемого в камеру газифицированного углеводородного вещества, с последующим охлаждением обрабатываемого материала ниже температуры конденсации гидрофобизатора. Недостатком известного способа является необходимость применения дополнительного оборудования для генерации теплоносителя и получения гидрофобизирующего газа, что усложняет и удорожает осуществление способа.
Известен способ получения углеродсодержащих сорбентов на основе слоистых алюмосиликатов для очистки вод от многокомпонентных загрязнений (RU 2337751, опубл. 2006.07.08), который предусматривает обжиг вермикулита при температуре 500-700°С в струе раскаленных газов, образующихся при сгорании топлива в факеле форсунки, с одновременной обработкой углеводородами нефтяного происхождения, подаваемым с помощью сжатого воздуха в зону обжига. Недостатком известного способа является необходимость применения форсунки и использования компрессора для получения сжатого воздуха. Кроме того, способ позволяет обрабатывать только легкие сыпучие материалы типа вермикулита.
Известен также способ гидрофобизации пористых материалов (SU 1539191, опубл. 1990.30.01), предусматривающий обезвоживание обрабатываемых материалов нагревом при температуре 150-300°С, их последующую загрузку в автоклав и обработку углеводородными соединениями в газовой фазе. Основным недостатком известного способа является невысокая степень объемной гидрофобизации, поскольку обезвоживание при температуре 150-300°С является недостаточным для удаления влаги физико-химической связи (адсорбционной и осмотической), которая препятствует адсорбции гидрофобизатора. Сконденсировавшийся на поверхности обрабатываемого материала гидрофобизатор закупоривает мелкие поры и капилляры, что снижает качество обработки по всему объему материала и соответственно ухудшает его гидрофобные свойства. Кроме того, обезвоживание материала и операция его гидрофобизации, проводимые последовательно в двух различных устройствах, усложняют способ и его аппаратурное оформление. Использование избыточного давления требует соблюдения мер повышенной безопасности и контроля давления, что связано необходимостью установки подрывного клапана и соответственно с усложнением аппаратурного оформления способа.
Наиболее близким к заявляемому является способ получения гидрофобно-модифицированных сорбентов, описанный в статье Юдакова А.А., Ксеник Т.В., Перфильева А.В., Молчанова В.П. Гидрофобно-модифицированные сорбенты для очистки нефтесодержащих вод. Вестник ДВО РАН. 2009 №2, с. 59-63. Известный способ предусматривает последовательное обезвоживание исходного алюмосиликатного сырья путем его термообработки в рабочей камере специально разработанного устройства при 450°С до полного удаления связанной влаги, вакуумирование герметизированного устройства и последующую гидрофобизацию обезвоженного алюмосиликатного сырья при температуре 450°С в той же рабочей камере углеводородами нефтяного происхождения в газовой фазе.
Известный способ не обеспечивает достаточно высокого качества гидрофобизации пористого материала по всему объему, что обусловлено следующими причинами.
Продолжительность термообработки (сушки) при 450°С в известном способе является недостаточной для удаления адсорбционной и осмотической влаги, препятствующей адсорбции гидрофобизатора на внутренней поверхности открытых пор обрабатываемого материала.
Подача гидрофобизатора в рабочий объем непосредственно после операции обезвоживания, без снижения температуры, приводит к тому, что перешедший в газовую фазу гидрофобизатор предпочтительно конденсируется на более холодных стенках рабочей камеры, а затем, по мере остывания рабочей камеры, на поверхности материала, при этом закупоривает мелкие поры и капилляры и не проникает в достаточной мере в капилляры и мезопоры обрабатываемого материала, что также снижает качество объемной гидрофобизации и ухудшает гидрофобные свойства обрабатываемого материала.
Подогрев с помощью теплоносителя приводит к тому, что поступающие в рабочий объем продукты его сгорания, которые содержат в большом количестве пары воды, препятствуют качественной сушке сырья и формированию качественной гидрофобной пленки. Формированию гидрофобной пленки вдобавок мешает сажа, образующаяся в случае неполного сгорания теплоносителя и оседающая на поверхности обрабатываемого материала, в то время как в предлагаемом способе использован электроподогрев, лишенный указанного недостатка.
В известном способе при подаче гидрофобизатора в рабочую камеру используемого устройства в ней возникает избыточное давление, для контроля которого необходимы повышенные меры безопасности, в частности, установка подрывного клапана, что связано с дополнительным усложнением известного способа и его аппаратурного оформления.
Задачей изобретения является разработка эффективного и одновременно простого и безопасного, способа получения гидрофобных алюмосиликатных материалов.
Технический результат изобретения заключается в повышении качества обработки материала за счет увеличения степени объемной гидрофобизации при одновременном упрощении способа и повышении его безопасности.
Указанный технический результат достигают способом получения гидрофобного материала, включающим обезвоживание пористого алюмосиликата путем прокаливания в рабочей камере автоклава до полного удаления связанной воды, герметизацию и вакуумирование рабочей камеры автоклава, гидрофобизацию обезвоженного материала в упомянутой камере углеводородами нефтяного происхождения в газовой фазе, в котором, в отличие от известного, прокаливание проводят при 450-500°С в течение 2-4 часов, после прокаливания автоклав с обезвоженным материалом охлаждают до 150-200°С, вакуумирование рабочей камеры ведут до разряжения 90-98 кПа, гидрофобизацию осуществляют при нагреве обезвоженного материала до 450-550°С с выдержкой в течение 20-30 минут с использованием углеводородов, выбранных из мазута, дизельного топлива или парафина, взятых в количестве 0,1-0,2% от массы алюмосиликата, нагрев прекращают после снижения разряжения до 70-90 кПа, а материал оставляют в герметизированной камере до полного охлаждения.
Способ осуществляют следующим образом.
Исходный сырьевой материал, преимущественно алюмосиликат природного происхождения, загружают на перфорированные или сетчатые поддоны (в зависимости от вида исходного сырья, а именно, его гранулометрического состава) и помещают в рабочую камеру автоклава.
Первую операцию, термообработку с обезвоживанием (прокаливание) исходного сырья, производят при температуре 450-550°С в течение 2-4 часов. В процессе прокаливания в указанном интервале температур из открытых пор и капилляров удаляется как влага, удерживаемая физико-механической связью, так и физико-химически связанная влага (адсорбционная и осмотическая). Таким образом, операция прокаливания обеспечивает возможность нанесения гидрофобного покрытия на внутреннюю поверхность открытых пор, мелких капилляров и мезопор исходного материала, подготавливает поверхность. После термообработки автоклав оставляют для охлаждения до температуры 150-200°С.
Вторую операцию, нанесение гидрофобного покрытия, производят в том же автоклаве после его остывания без выгрузки прокаленного сырья. В рабочую камеру автоклава помещают кюветы с необходимым количеством углеводородного гидрофобизатора (мазут, дизельное топливо, парафин и др.), используемого из расчета 0,1-0,2% от массы сырья. Преимущественно используют мазут топочный нефтяного происхождения. Автоклав герметизируют и вакуумируют до получения разряжения 90-98 кПа, при этом открытые поры, тонкие капилляры и мезопоры по всему объему сырьевого материала освобождаются от воздуха. Затем включают нагрев до температуры 450-550°С, которую поддерживают в течение 20-30 минут до полного испарения гидрофобизатора с образованием газовой фазы углеводородных соединений (рабочего газа), при этом разряжение в рабочей камере автоклава снижается до 70-90 кПа. В автоклаве отсутствует воздух, и при указанном разряжении гидрофобизирующий газ заполняет все пространство автоклава, что способствует лучшей адсорбции углеводородов на внутренней поверхности пор при охлаждении и увеличению степени объемной гидрофобизации.
После прекращения нагрева автоклав с обработанным материалом оставляют загерметизированным до полного охлаждения, в ходе которого происходит формирование гидрофобного покрытия в результате конденсации гидрофобизирующего вещества из газовой фазы.
Предлагаемый способ обеспечивает высокое качество гидрофобизации пористых и дисперсных материалов, в частности, алюмосиликатов природного происхождения.
Примеры конкретного осуществления способа
Качество гидрофобизирующей обработки материала оценивали по значениям краевого угла смачивания и водопоглощения, которые определяли по стандартным методикам.
Пример 1.
Для обработки 20 кг керамзитового гравия (фракций 10-20 мм) загружали на перфорированные поддоны. Поддоны помещали для прокаливания в автоклав при температуре 450°С в течение 4 часов. После прокаливания автоклав с материалом охлаждали до температуры 200°С. Затем в рабочую камеру автоклава помещали кювету с гидрофобизатором. В качестве гидрофобизатора использовали мазут марки М 100 (ГОСТ 10585-99) массой 20 г (из расчета 0,1 мас. % от массы сырья). Автоклав герметизировали и вакуумировали до разряжения 98 кПа. Производили нагрев до 550°С с выдержкой в течение 30 минут. Разряжение в автоклаве снизилось до 87 кПа. После прекращения нагрева автоклав с материалом оставили загерметизированным до полного охлаждения.
Обработанный материал выгрузили и проверили качество обработки. Статический угол смачивания на поверхности частицы керамзита крупностью 20 мм составил 125°. Статический угол смачивания на поверхности раскола частицы керамзита составил 120°. Водопоглощение составило 0,8% за 48 часов.
Пример 2.
Для обработки на сетчатые поддоны загружали 10 кг вспученного перлита (фракций 2-5 мм) и помещали в автоклав. Термообработку производили при температуре 550°С в течение 2 часов. После чего автоклав охлаждали до температуры 150°С. Затем в рабочую камеру помещали кювету с гидрофобизатором, в качестве которого использовали мазут марки M100 массой 10 г (из расчета 0,2 мас. % по отношению к обрабатываемому материалу). Автоклав герметизировали и вакуумировали до разряжения 90 кПа. Производили нагрев до 450°С с выдержкой в течение 20 минут. Разряжение в автоклаве снизилось до 75 кПа. Далее действовали аналогично примеру 1.
Статический угол смачивания на поверхности частицы вспученного перлита крупностью 5 мм составил 120°. Водопоглощение составило 0,5% за 48 часов.