УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АДСОРБЕНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИЯХ

Полезная модель относится к установкам для производства наноструктурированных адсорбционных газовых фильтров для очистки воздуха в помещениях, предназначенных для хранения продуктов питания, в музейных и архивных фондах, в учреждениях здравоохранения.
Строение и состав предлагаемого сорбента обуславливает широкую область его применения. Одной из основных областей применения сорбента является фильтрация воздуха в помещениях хранения продуктов питания при транспортировке и складировании. Использование сорбента позволит продлить срок хранения продуктов в 3-5 раз без применения холодильного оборудования, что позволит снизить стоимость товара для конечного покупателя и увеличит прибыль производителей и поставщиков. В случае использования сорбентов в сочетании с холодильным оборудованием, срок хранения увеличивается в 8-10 раз.
В настоящее время производители аналогичного продукта в России отсутствуют. В известных установках для производства адсорбентов используют устройства для дозировки пористой основы (носителя) модифицируемой поверхности: активированного угля, цеолитов и\или сепиолитов в технологический реактор (66-76 весовых % в зависимости от изготавливаемого типа сорбента), дозировки модифицирующего реагента (перманганата калия или перманганата натрия в технологический реактор (6-16 весовых %, в зависимости от изготавливаемого типа сорбента), регулировки кислотности, влажности, окислительно-восстановительного потенциала реакционной среды в технологическом реакторе путем добавления воды в массовом соотношении вода-твердая фаза около 1:1 объемных долей, кислот-окислителей до рН=1-2, пропитку пористой основы перманганатом в технологическом реакторе и получение влажного сорбента. Затем используют устройство для предварительной сушки полученного в реакторе влажного сорбента в сушильной камере и получение некалиброванной по размерам сорбирующих частиц пульпы с параметрами влажности, соответствующими техническим требованиям процесса экструзии (75-90% влажности) и устройство для помола некалиброванного влажного сорбента до однородного состояния в соответствии с требованиями процесса экструзии (US 2006070523, B01D 53/02, опубл. 2006-04-06)
В основу полезной модели положена задача создания установки для производства адсорбента для очистки воздуха в помещениях, в котором за счет использования установки для создания атмосферы кислорода при проведении регулировки, пропитки и сушки достигается увеличение процентного содержания перманганата калия в конечном продукте.
Решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что в установке для производства адсорбента для очистки воздуха в помещениях, включающей технологический реактор, сушильные камеры, экструдер шнековый, вибросито и приемные емкости для готовой продукции, в состав установки дополнительно включен источник кислорода с газопроводом и системой газовых редукторов для создания атмосферы кислорода в реакторе, сушильной камере для предварительной сушки и экструдере.
Проведение процесса в атмосфере кислорода значительно снижает процент самопроизвольно восстановившегося до двуокиси марганца перманганата в процессе производства адсорбента. Это можно пояснить следующим образом.
4
Регулирование результатов послойной молекулярной адсорбции перманганата калия на поверхности адсорбента (активированного угля, цеолита и т.д.), проводится традиционным для таких процессов методом: а именно - регулированием изменения концентрации абсорбента (КМnO) в растворе из которого идет осаждение на мезопористую поверхность.
Регулирование осуществляется на основании классического уравнения Гиббсовой адсорбции
, где
4
2
Г - превышение концентрации КМnO в поверхностном адсорбированном слое площадью 1 см над его концентрацией в растворе
4
n - общее число молей КМnO в технологическом растворе
0
4
N - мольная доля КМnO в технологическом растворе до его контакта с адсорбентом
4
N - равновесная концентрация КМnO в растворе после адсорбции
4
m - адсорбированная масса КМnO
уд
S - удельная поверхность адсорбента
Таким образом, из уравнения для Гиббсовой адсорбции вытекает возможность контроля за процессом послойного молекулярного осаждения перманганата калия на поверхности адсорбента на основании макропараметров. Для этого необходимо знать или контролировать:
а) удельную поверхность и массу используемого адсорбента
б) концентрацию перманганата в растворе до и после установления динамического равновесия (т.е. фактического завершения процесса адсорбции).
4
4
Предполагая, что разность масс перманганата калия в растворе до адсорбции и после адсорбции равномерно распределяется по развитой поверхности адсорбента и при полном насыщении поверхностного адсорбированного слоя концентрация КМnO в нем составляет 100% весовых, а также зная величину удельной поверхности сорбента и его количество, можно подставить указанные параметры в уравнение для Гиббсовой адсорбции и рассчитать теоретическое количество КМnO, необходимое для создания моно-, би- и тримолекулярного слоя активного вещества.
Такой расчет является корректным, так как конкурирующая адсорбция молекул воды устраняется высушиванием модифицированного сорбента в технологическом процессе. Контроль фактического содержания перманганата в готовом продукте можно производить методом термогравиметрического анализа путем изменения теплового эффекта термической реакции разложения перманганата калия с выделением газообразного кислорода при повышенной температуре:
4
Контроль производится сравнительным методом, т.е. путем сравнения параметров эндотермического пика на термограмме сорбента с параметрами аналогичного пика на термограмме эталонной навески КМnO, равной по массе теоретически рассчитанному количеству, необходимому для создания моно- или поли- молекулярного слоя хемосорбата с учетом поправочного коэффициента, отражающего изменение теплоемкости и параметров теплообмена образца, содержащего адсорбат с перманганатом калия по сравнению с навеской чистого перманганата.
4
4
Дополнительным параметром контроля в методе ДТА служит уменьшение веса исследуемого образца сорбента после полного протекания реакции (2), которая составляет 150 мг на каждый грамм чистого КМnO вследствие выделения кислорода. Метод термогравиметрии является методом интегрального косвенного контроля содержания и распределения КМnO по пористой поверхности. Методом прямого контроля могут служить все виды микроскопии, включая обычную оптическую и электронную.
4
Однако применение этого метода (особенно в электронном варианте) представляется отчасти избыточным, поскольку даже простой визуальный контроль результатов осаждения позволяет с требуемой технологической точностью проконтролировать полноту прохождении процесса осаждения по наличию характерного для КМnO насыщенного малиново-фиолетового цвета, который приобретает модифицированный сорбент после того, как процесс осаждения пройдет с необходимой полнотой.
4
Процесс осаждения молекулярных слоев КМnO на микропористую поверхность сопряжен с побочной химической реакцией протекающей самопроизвольно уже при достаточно низких температурах, а именно реакциях восстановления перманганата до двуокиси марганца. Первая из этих побочных реакций является кинетически заторможенным аналогом реакции (2)
Другая - аналог реакции окисления органических компонентов воздушной или водной смеси (в частности этилена) перманганатом калия на развитой пористой поверхности
Указанная реакция начинает протекать еще в водном растворе на начальной стадии технологического процесса, и к моменту его завершения количество прореагировавших молекул перманганата, по данным рентгенофазового анализа, не превышает 5% от общего атомного процента Мn в смеси. Однако даже такое количество двуокиси марганца является фактором снижающим эффективность готового продукта (сорбента), поскольку та же самая реакция определяет механизм хемосорбции компонентов воздушной смеси на модифицированной перманганатом поверхности адсорбата, которая в свою очередь и регулирует функциональные параметры готового сорбента.
Обе реакции на всех стадиях процесса протекают одновременно и параллельно с основными реакциями адсорбции и являются конкурирующими.
Протекание суммарного процесса в нужном направлении оценивается температурной разностью скоростей основного и конкурирующих процессов. Если графически изобразить вышеупомянутые процессы в виде кривых в координатах «скорость реакции - температура», рассчитанных на основании кинетического уравнения Аррениуса (4)
А - предэкспоненциальный множитель, характеризующий стехиометрию процесса, а также влияние стерических факторов (т.е. пространственного строения молекул исходных и конечных продуктов реакции)
a
ε - энергия активации процесса
К - константа Больцмана
Т - температура
u - скорость реакции
4
4
4
то суммарный процесс представляется в следующем виде (показан на фиг.1, где представлены температурные зависимости скоростей химических реакций в системе KMnO - адсорбат (активированный уголь, цеолит) - органические компоненты воздушной смеси; Реакция разложения KMnO (реакция 2), Реакция восстановления KMnO (реакция 3), Кривая результирующего процесса)
опт
Как видно из графика, существует оптимальный температурный интервал Т, в пределах которого процесс хемосорбции доминирует.
Этот температурный интервал включает область естественных природных температур ориентировочно составляющих интервал от -10°С до +50°С.
Однако этот же процесс приводит к преждевременному «старению» сорбента и накоплению продуктов восстановления еще на стадии технологического синтеза.
2
4
Для предотвращения этого процесса предлагается основные технологические стадии процесса проводить в атмосфере кислорода. Как видно из уравнения (2), повышение давления O в реакционной среде, согласно принципу Ле-Шателье смещает равновесие процесса влево, т.е. в сторону увеличения содержания исходного компонента (KMnO), в результате чего семейство кривых, показанных на фиг.1, трансформируется в семейство кривых, приведенных на фиг.2.
С точки зрения контроля за ходом процесса в оптический микроскоп это изменение выражается в увеличении интенсивности характерной малиново-фиолетовой окраски.
Полезная модель поясняется фиг.3, на которой приведена блок-схема установки для производства адсорбента для очистки воздуха в помещениях.
В состав установки включены: устройства автоматической дозировки и измельчения 1, реактор 2; сушильные камеры 3 и 4 для предварительной и окончательной сушки; экструдер шнековый 5, вибросито промышленное 6, газокомпрессорное оборудование, в состав которого входят кислородные баллоны 7, газопровод 8, система газовых редукторов 9, накопительные емкости 10. Установка используется следующим образом. Проводят дозировку пористой основы (носителя) модифицируемой поверхности: активированного угля, цеолитов и\или сепиолитов ТУ 2163-002-12763074-97 в технологический реактор 1(66-76 весовых % в зависимости от изготавливаемого типа сорбента); дозировку модифицирующего реагента (перманганата калия или перманганата натрия ГОСТ 20490-75) в технологический реактор 1 (6-16 весовых %, в зависимости от изготавливаемого типа сорбента). Затем проводят регулировку кислотности, влажности, окислительно-восстановительного потенциала реакционной среды в технологическом реакторе 1 путем добавления воды в массовом соотношении вода-твердая фаза около 1:1 объемных долей, кислот-окислителей до pH=1-2 и создание атмосферы кислорода путем прокачки кислорода через реактор 1 из кислородных баллонов 5 через газопровод 6 и систему газовых редукторов 7 в процессе пропитки пористой основы перманганатом. Затем осуществляют пропитку пористой основы перманганатом в технологическом реакторе 1 в атмосфере кислорода, получение влажного сорбента. Далее проводится предварительная сушка полученного в реакторе 1 влажного сорбента в сушильной камере 2 или с помощью центрифуги и получение некалиброванной по размерам сорбирущих частиц пульпы с параметрами влажности, соответствующими техническим требованиям процесса экструзии (75-90% влажности). Возможны 2 варианта осушения: с помощью центрифуги и с помощью сушильного агрегата выпарного типа. Далее проводят помол некалиброванного влажного сорбента до однородного состояния в соответствии с требованиями процесса экструзии в в экструдере 3. Сушка влажных гранул сорбента до влажности 18% осуществляется с помощью центрифуги или с помощью сушильного агрегата выпарного типа 2а. Отсев фракций с Проводят дозировку пористой основы (носителя) модифицируемой поверхности: активированного угля, цеолитов и\или сепиолитов ТУ 2163-002-12763074-97 в технологический реактор 1 (66-76 весовых % в зависимости от изготавливаемого типа сорбента); дозировку модифицирующего реагента (перманганата калия или перманганата натрия ГОСТ 20490-75) в технологический реактор 1 (6-16 весовых %, в зависимости от изготавливаемого типа сорбента). Затем проводят регулировку кислотности, влажности, окислительно-восстановительного потенциала реакционной среды в технологическом реакторе 1 путем добавления воды в массовом соотношении вода-твердая фаза около 1:1 объемных долей, кислот-окислителей до pH=1-2 и создание атмосферы кислорода путем прокачки кислорода через реактор 1 из кислородных баллонов 5 через газопровод 6 и систему газовых редукторов 7 в процессе пропитки пористой основы перманганатом. Затем осуществляют пропитку пористой основы перманганатом в технологическом реакторе 1 в атмосфере кислорода, получение влажного сорбента. Далее проводится предварительная сушка полученного в реакторе 1 влажного сорбента в сушильной камере 2 или с помощью центрифуги и получение некалиброванной по размерам сорбирущих частиц пульпы с параметрами влажности, соответствующими техническим требованиям процесса экструзии (75-90% влажности). Возможны 2 варианта осушения: с помощью центрифуги и с помощью сушильного агрегата выпарного типа. Далее проводят помол некалиброванного влажного сорбента до однородного состояния в соответствии с требованиями процесса экструзии в в экструдере 3. Сушка влажных гранул сорбента до влажности 18% осуществляется с помощью центрифуги или с помощью сушильного агрегата выпарного типа 2а. Отсев фракций с повышенной и пониженной дисперсности осуществляется с помощью вибросита 4. При необходимости осуществляют возврат некондиционных фракций в техпроцесс на повторный помол и экструзию. Затем проводят контроль качества готового продукта, фасовка в накопительные емкости 8, закладка в фильтры и сорбирующие пакеты.