РЕГЕНЕРИРУЕМЫЙ ВЛАГОПОГЛОТИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ БЕНТОНИТОВОЙ ГЛИНЫ (ВАРИАНТЫ)
BENTONITE CLAY REGENERABLE ABSORBER (OPTIONS)

Изобретение относится к области разработки средств осушки и очистки воздуха, а именно к созданию регенерируемых влагопоглотителей (РВП), которые предназначены, в частности, для статического поглощения влаги и (или) водяного пара, присутствующих в окружающей атмосфере.
В различных областях промышленности, техники и сельского хозяйства для снижения влажности воздуха, обезвоживания, удаления конденсата и борьбы с сыростью внутри упаковок, грузовых контейнеров, помещений и других объемов, а также в качестве сушильного агента подстилок, наполнителей и в линиях кондиционирования воздуха для поглощения различных жидкостей, например, мочи животных, местного конденсата и т.п., используются различные влагопоглотители, в том числе и регенерируемые.
Анализ существующего уровня техники в указанной области показал, что известны такие РВП, используемые, в частности, для статического осушения воздуха, как галогениды щелочных или щелочноземельных металлов, например, хлорид лития [ТУ 95.1926-89] и хлорид кальция [ГОСТ 450-77]. Они имеют высокую скорость влагопоглощения при небольшом парциальном давлении пара воды (менее 1 Па), а при взаимодействии с ней образуют устойчивые гидраты. Недостатком данных осушителей является отсутствие возможности удержания воды в своем объеме. Причина «стекания» заключается в том, что указанные РВП, адсорбируя воду, превращаются в гидраты, которые растворяются в своей кристаллизационной воде с образованием раствора.
Известны сорбенты на основе оксида алюминия активного [ГОСТ 8136-85], также имеющего высокую скорость поглощения влаги из воздуха за счет физической и химической адсорбции (в воде не растворяется и не набухает). Недостатками данного РВП являются относительно высокая стоимость и низкая сорбционная емкость (до 40% от собственного веса), также приводящая к проблеме «стекания».
Известны РВП, состоящие из смесей пористых веществ (диатомовая земля, древесный угль, магнезия, кремнезем, свободные волокна и т.п.) с галогенидами [патенты WO 1999012641 А1, RU 2348452 С2] или порошка силикагеля с минеральным связующим [патент RU 2174870 С2], способные сорбировать влагу из воздуха и прочно удерживать ее в своем объеме. Недостатком данных РВП является низкая сорбционная емкость (до 30% от собственного веса), что приводит к высокой остаточной влажности осушаемого воздуха.
Известны РВП на основе минералов [Продукция компании SORBIS GROUP// Компания ООО «СОРБИС ГРУПП МОСКВА» - Электронный ресурс - Режим доступа: http://sorbis-group.com/products/products.php#; Продукция компании СПАРТА // Компания ООО «ТК «Спарта» - Электронный ресурс - Режим доступа: https://zeosparta.ru], например, природных [ТУ 2163-004-61604634-2013, ТУ РА 37209976.6367-2010, ТУ 2163-001-57793368-2007, ТУ 2163-002-39470897-2000, ТУ 2163-002-12763074-97 и др.] и синтетических [ТУ 2163-002-21742510-2004, ТУ 2163-001-12678836-2001, ТУ-38.102169-85 и др.] цеолитов, вермикулита и перлита [патент US 4085704 А] и др., которые в сравнении с ранее рассмотренными РВП имеют относительно высокую сорбционную емкость (более 50% от собственного веса), но меньшую скорость поглощения влаги из воздуха. Недостатком данных осушителей является низкая способность удержания воды в своем объеме, также приводящая после заполнения всего сорбционного пространства к проблеме «стекания».
Известны РВП на основе бентонитовой глины [патенты RU 2125792 С1, RU 2510167 С1] - пластичного, огнеупорного (не плавится под воздействием высоких температур), стойкого к неоднократным заморозкам без потери свойств, природного сорбента без запаха, обладающего высокой влагоемкостью (при взаимодействии с влагой увеличивается в объеме в 14-16 раз) и способностью сорбировать, связывать и прочно удерживать частицы, ионы и молекулы любых электролитов до регенерации, которая заключается в сушке при температуре не ниже 95°С любым известным способом. Данные свойства позволяют удерживать влагу в объеме РВП в широком диапазоне температур, а процесс его регенерации является менее трудоемким и технически сложным в сравнении с ранее рассмотренными РВП. Кроме того, бентонитовые глины являются широко распространенным минеральным сырьем, имеющим низкую себестоимость. Однако, в связи с использованием в основном РВП на основе щелочноземельной (кальциевой, магниевой, кальцево-магниевой и др.) бентонитовой глины, где более 50% обменных катионов принадлежат кальцию и магнию, их высокая сорбционная емкость (более 100% от собственного веса) проявляется только при непосредственном контакте с водой в жидкой фазе. Влагоемкость при осушении окружающего воздуха составляет менее 40% от собственного веса при относительной влажности 100%.
Наиболее близким по достигаемому техническому результату и имеющим назначение, совпадающее с назначением предлагаемого изобретения (прототипом), является силикагель технический [ГОСТ 3956-76] - широко применяемый в различных сферах деятельности и промышленности РВП без запаха, обладающий способностью сорбировать из окружающей среды, связывать и удерживать на своей поверхности молекулы воды, имеющий низкую себестоимость и влагоемкость (в % от собственного веса) 9-10, 16-20, 25-30 и 30-70 при относительной влажности воздуха, соответственно, 20, 40, 60 и 100%.
Недостатком данного РВП является низкая влагопоглощающая способность при температуре окружающей среды менее 0-1°С, когда вода в порах силикагелей превращается в лед. С повышением же температуры окружающей среды более 35°С сорбент начинает отдавать влагу в окружающую среду.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и увеличение влагоемкости РВП в сравнении с силикагелем техническим, что обеспечит увеличение времени эффективного использования РВП до регенерации и снижение его необходимого (потребного) количества.
Сущность изобретения заключается в разработке влагоемких РВП на основе природно-натриевой бентонитовой глины, не теряющих своих свойств в условиях циклических перепадов температур окружающей среды.
При решении указанной задачи был достигнут технический результат, заключающейся в получении оптимального состава РВП на основе бентонитовой глины, имеющей определенные дисперсность, минеральный состав и состав обменных катионов, что обеспечивает его влагоемкость (в % от собственного веса) не менее 10, 21, 33 и 72 при относительной влажности воздуха, соответственно, 20, 40, 60 и 100%, способность сорбировать из окружающей среды, связывать и удерживать частицы, ионы и молекулы любых электролитов, стойкость к неоднократным заморозкам без потери свойств.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что в составе РВП использованы гранулы размером не более 7,5 мм, предпочтительно менее 1,0 мм и (или) 2,5-7,5 мм, природно-натриевой бентонитовой глины с содержанием не менее 80% монтмориллонита. Необходимые гранулы получаются путем помола (дробления) и разделения указанного минерального сырья любым известным способом. Указанный состав обеспечивает влагоемкость (в % от собственного веса) 10-12, 21-23, 33-37 и 72-81 при относительной влажности воздуха, соответственно, 20, 40, 60 и 100%, способность сорбировать из окружающей среды, связывать и удерживать частицы, ионы и молекулы любых электролитов, стойкость к неоднократным заморозкам без потери свойств РПВ.
Существенным отличительным признаком настоящего изобретения является установленная опытным путем необходимость использования гранул размером не более 7,5 мм природно-натриевой бентонитовой глины с содержанием не менее 80% монтмориллонита. Использование гранул другого размера, равно как и использование бентонитовой глины либо щелочноземельной, либо щелочной (основным компонентом обменного комплекса являются катионы натрия), но с содержанием менее 80% монтмориллонита, приводит к значительному снижению влагоемкости РВП (фиг. 1).
Одним из свойств РВП разработанного состава (равно как и силикагеля технического) является то, что он, сорбировав определенное количество влаги, но еще не утратив своей влагопоглощательной способности, начинает работать менее эффективно (поглощение одного и того же количества влаги происходит за более длительный период).
Достижению технического результата, направленному на увеличение влагопоглощательной способности и влагоемкости РВП, способствует то, что в качестве РВП использована смесь гранул размером не более 7,5 мм, предпочтительно менее 1,0 мм и (или) 2,5-7,5 мм, природно-натриевой бентонитовой глины с содержанием не менее 80% монтмориллонита и хлорида кальция по ГОСТ 450-77 с размером гранул до 2,5 мм в процентном соотношении (по массе), соответственно, 85-95% к 5-15%, причем соотношение 90/10 является наиболее предпочтительным. Необходимую смесь можно получить простым сухим смешиванием указанных компонентов любым известным способом. Указанный состав обеспечивает влагоемкость (в % от собственного веса) 18-19, 34-36, 55-60 и 120-130 при относительной влажности воздуха, соответственно, 20, 40, 60 и 100%, способность сорбировать из окружающей среды, связывать и удерживать частицы, ионы и молекулы любых электролитов, стойкость к неоднократным заморозкам без потери свойств РПВ.
Существенным отличительным признаком является установленный опытным путем оптимальный состав компонентов РВП, состоящий из смеси 85-95% (по массе) упомянутых гранул бентонитовой глины с 5-15% (по массе) порошка и (или) гранул размером до 2,5 мм хлорида кальция по ГОСТ 450-77. Использование гранул хлорида кальция размером более 2,5 мм, равно как и использование в смеси менее 5% (массе) порошка и (или) гранул хлорида кальция размером до 2,5 мм, приводит к незначительному увеличению скорости влагопоглощения РВП, схожей со скоростью влагопоглощения РВП, состоящего только из гранул размером менее 1,0 мм и (или) 2,5-7,5 мм природно-натриевой бентонитовой глины с содержанием не менее 80% монтмориллонита (фиг. 1). Использование в смеси более 15% (массе) порошка и (или) гранул хлорида кальция размером до 2,5 мм, приводит к значительному снижению влагоемкости РВП (фиг. 1).
Свойства РВП и прототипа по нижеприведенным Примерам 1-14 оценивались следующим образом.
Для проведения испытаний образцы бентонитовой глины с помощью вибропривода ВП/Т-220 и сит лабораторных были разделены по размеру гранул. Для сравнительной оценки были использованы образцы силикагеля технического марки КСМГ по ГОСТ 3956-76. В целях уменьшения погрешности измерений для каждого исследования подготавливались по двадцать образцов каждого РВП.
Определение влагоемкости при динамическом влагопоглощении проводили в соответствии с п. 4.8 ГОСТ 3956-76.
Определение массовой доли потерь при высушивании проводили в соответствии с п. 4.9 ГОСТ 3956-76.
Для определения влагоемкости при статическом влагопоглощении каждый образец РВП фасовали по (50±1) г (весы аналитические A&D GR-200) в годные нетканые пакеты из материала Тайвек. Пакеты запаивались с помощью ручного запайщика пакетов Impulse Sealer FS-300 POWER400W. Расфасованные фракции бентонитовой глины и силикагеля в пакетах просушивались при температуре (98±2)°С в сушильном шкафу ШС-80-01 МК СПУ в течении (48±1) часов, после чего взвешивались с точностью до четвертого десятичного знака и размещались в климатической камере XB-OTS-1000, в которой предварительно были установлены влажность (98±2)% и температура (40±1)°С, таким образом, чтобы расстояние между пакетами было не менее 0,1 м, расстояние между образцами и стенками камеры - не менее 0,2 м, расстояние от нижней грани образцов до дна камеры - не менее 0,2 м. Первые два взвешивания пакетов проводились через (12±1) часов каждое, последующие - через (24±1)часа. Определение влагоемкости, вычисление которой проводилось в соответствии с п. 4.8.4 ГОСТ 3956, считали законченным, когда расхождения результатов вычислений между двумя последовательными взвешиваниями не превышали 0,2%.
Для определения скорости влагопоглощения каждый образец РВП фасовали по (10±0,01) г (весы аналитические A&D GR-200) в годные нетканые пакеты пакеты из материала Тайвек. Пакеты запаивались с помощью ручного запайщика пакетов Impulse Sealer FS-300 POWER400W и просушивались при температуре (98±2)°С в сушильном шкафу ШС-80-01 СПУ в течении (48±1) часов, после чего размещались по одному в эксикаторах, в каждом из которых предварительно был установлен термогигрометр ИВА-6Б2 и налито 8 г дистиллированной воды. До размещения образцов эксикаторы в течение двух часов выдерживались в термостате ТС-1/80 СПУ при температуре (40±0,1)°С, что обеспечило создание в них влажности (98±2)%. Показания влажности внутри эксикатора снимались через каждые (6±0,5) часов в течение шести суток. Определение скорости влагопоглощения считали законченным по фиксации времени начала снижения влажности внутри эксикатора.
Полученные значения для РВП и прототипа по Примерам 1-14 представлены в таблице (фиг. 1).
Из данных, приведенных в таблице, видно, что РВП, получаемый согласно заявляемому изобретению, имеет показатели, превосходящие соответствующие значения прототипа. Проведенные патентные исследования не выявили технических решений, ставших общедоступными в мире до даты приоритета заявленного изобретения и характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что указанное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Заявляемое изобретение является простым в осуществлении, для получения использует доступные компоненты и стандартное технологическое оборудование, апробировано в опытно-промышленных условиях, что соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».