CC BY
77
Процессы и продукты для регенерации воздуха и химической защиты
УДК 661.183.5
ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ИЗВЕСТКОВОГО ПОГЛОТИТЕЛЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА С ФИБРОВОЛОКНОМ
Н. Ф. Гладышев1, Т. В. Гладышева1, Ю. А. Суворова1'2, С. Б. Путин1, С. И. Дворецкий3, В. П. Таров4
ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов (1); [email protected]; кафедры: «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность» (2), «Технологии и оборудование пищевых и химических производств» (3), «Техника и технологии производства нанопродуктов» (4), ФГБОУВПО «ТГТУ»
Ключевые слова и фразы: известковый поглотитель; полипропиленовое фиброволокно; химическая активность по отношению к СО2.
Аннотация: Рассмотрена возможность использования полипропиленового фиброволокна в составе листовых известковых поглотителей для улучшения их механических характеристик и химической активности по отношению к диоксиду углерода.
Введение
Известковые поглотители на основе гидроксида кальция Са(ОН)2 широко используются в области очистки газовоздушной среды от диоксида углерода СО2 в средствах защиты органов дыхания человека. В последние годы развивается новое направление в технологии получения известкового поглотителя в форме листового материала, что позволяет увеличить активную поверхность для успешного протекания процесса хемосорбции [1 - 4].
Химический поглотитель в форме листа в ОАО «Корпорация «Росхимзащита» получали размещением водной дисперсии между слоями пористого полимерного материала с последующим формованием путем прокатывания полученной структуры между валками и сушкой. Исследование физико-химических свойств данного поглотителя, представленные в [1], показали возможность его использования для эффективного удаления СО2, однако, при формировании и сборке поглотительных картриджей, а также при испытаниях данного поглотителя в средствах защиты органов дыхания индивидуального и коллективного типов [4], наблюдалось пыле- и трещинообразование, что снижало технические характеристики данного материала.
В настоящей работе предпринята попытка улучшения механических характеристик и повышения химической активности по отношению к СО2 разработанного листового известкового поглотителя путем его модификации без внесения существенных изменений в технологию и аппаратурное оформление процесса изготовления.
Экспериментальная часть и обсуждение результатов
В целях улучшения механических характеристик известкового поглотителя в его состав вводили полипропиленовое фиброволокно (далее по тексту - фибра), которое представляет собой легкие волокна длиной 6 мм, диаметром 0,15 мкм, с малой плотностью (0,91 г/см3), но высокими прочностными характеристиками (170...260 МПа) [5]. Этот материал применяется в строительстве для дисперсного армирования бетонов, тампонажных материалов. Отмечено положительное влияние на прочностные характеристики (прочность на растяжение при изгибе и на сжатие, трещиностойкость), что увеличивает срок службы изделий из бетона [6].
Фибру вводили в количестве 0,25 до 2,5 % масс. или в пересчете на объем от 0,6 до 5,9 % по отношению к основному веществу - гидроксиду кальция. Введение фибры в количестве более 2,5 % масс. затрудняло получение равномерного по толщине материала из-за комкования фибры при формовании листа поглотителя. Помимо основного вещества Са(ОН)2 и армирующей добавки в состав исследуемых образцов входил также гидроксид калия КОН в количестве 4 % масс. Схематично основные стадии получения известкового поглотителя с добавкой фибры показаны на рис. 1 .
Введение полимерных волокон проводили на стадии приготовления пасты. Полученную пасту размещали между слоями армирующего материала, в качестве которого использовали спанбонд с поверхностной плотностью 15 г/м2, и пропускали между формующими валками. Полученный листовой поглотитель размещали на транспортерной ленте и подавали на сушку. В качестве источника тепла использовали керамические нагревательные элементы, расположенные сверху и снизу подаваемого в зону сушки листа поглотителя. Температура нагревателей составляла (180 ± 5) °С, температура в слое композиции - (80 ± 5) °С, скорость подачи материала в зону сушки - (3 ± 0,2) м/ч. При данных параметрах образцы после сушки имели влажность (20 ± 2) %.
Рис. 1. Стадии получения известкового поглотителя с добавкой фибры
Далее исследовали физико-химические свойства и активность по отношению к СО2 полученных образцов. Структура среза образца поглотителя, модифицированного фиброй в количестве 0,5 % масс., представлена на микрофотографии (рис. 2), где видны каналы вблизи волокна диаметром около 8 мкм. Наличие дополнительных каналов может способствовать увеличению газопроницаемости и активности по отношению к СО2 поглотителей.
Химическую активность по отношению к СО2 образцов известко-
Рис. 2. Микрофотография листового известкового поглотителя с добавкой фибры
вого поглотителя с добавкой фибры исследовали в динамическом потоке газовоздушной смеси (ГВС) при следующих условиях:
- объемный расход ГВС (7,0 ± 0,3) дм3/мин;
- концентрация диоксида углерода в ГВС (4,0 ± 0,2) % по объему;
- температура ГВС (23 ± 1) оС;
- относительная влажность ГВС (70 ± 10) %;
- диаметр динамической трубки 39 мм;
- время испытания 10, 20, 30 и 40 мин.
Лист поглотителя 1 размером 120 х 38 мм помещали в рамку из полимерного материала 2, которую закладывали в динамическую трубку, как показано на рис. 3. Масса образцов поглотителя для исследований составляла (10 ± 2) г, толщина (1,9 ± 2) мм.
Зависимость количества поглощенного СО2 ^ео2 для образцов без добавки
и с фиброй представлены на рис. 4.
А-А
FCq2, дм3/кг
160-,
140-
120-
100-
80-
60;
40 4
10
20
30
5 \б )4 :3
-А 2
■ 1
т, мин
Рис. 3. Расположение поглотителя в динамической трубке:
1 - поглотитель; 2 - рамка; 3 - газораспределительная решетка; размеру В соответствует толщина хемосорбента
Рис. 4. Зависимость количества поглощенного СО2 от времени испытания т для образцов без добавки (1) и с различной массовой долей фибры в составе (2 - 6), %:
2 - 0,25; 3 - 0,5; 4 - 1; 5 - 2; 6 - 2,5
3
В
При нахождении образцов в динамическом потоке ГВС в течение 10 мин количество поглощенного СО2 для всех образцов с фиброй примерно одинаково и составляет в среднем 53,2 дм3/кг. При времени эксперимента 20, 30 и 40 мин количество поглощенного СО2 возрастает с увеличением содержания добавки в композиции: от 82,3 до 107,0 дм3/кг (время эксперимента - 20 мин) при увеличении содержания фибры от 0,25 до 2,5 %; от 114,2 до 132,8 дм3/кг (время эксперимента - 30 мин) и от 118,6 до 158,1 дм3/кг (время эксперимента - 40 мин) при увеличении содержания фибры от 0,25 до 2 %. Для образцов, содержащих 2,5 % фибры в композиции, количество поглощенного СО2 за 30 и 40 мин эксперимента меньше, чем для образцов, содержащих 2 % фибры. Поэтому нецелесообразно вводить фибру в количестве более 2 %.
Количество поглощенного СО2 за время эксперимента в течение 10 мин для образцов с фиброй в среднем на 22 % больше, чем для образцов без добавки; 20 мин - на 14,6 - 49 %; 30 мин - на 15,7 - 34,5 %; 40 мин - на 17,5 - 56,7 %.
Исследование химической активности по отношению к диоксиду углерода
3
в статических условиях проводили в герметичной камере объемом (24 ± 2,5) м ,
3
куда подавался СО2 расходом (29,5 ± 1,5) дм /ч. Испытания проводили в камере при влажности (65 ± 5) %, температуре (20 ± 2) °С в течение 8 ч. Для проведения исследования образцы листового известкового поглотителя без добавки размером (500 х170) мм, толщиной (1,9 ± 2) мм, массой (190 ± 10) г количеством 7-8 шт. размещали в камере (рис. 5, кривая 1). В течение эксперимента каждые 5 мин регистрировали концентрацию СО2 сео2 в камере. Аналогично проводили исследование образцов, содержащих 0,5 % фибры (рис. 5, кривая 2).
Кривые концентрации на рис. 5 имеют схожий вид. Минимальная концентрация СО2 в камере наблюдается в промежуток времени 220...270 мин от начала эксперимента и составляет 0,42 - 0,43 %. При этом количество поглощенного СО2 (^ео2, дм3/кг), рассчитанного по уравнению (1) за 8 ч эксперимента, примерно
одинаково и составляет 178,8 дм3/кг для образцов без добавки и 181,4 дм3/кг для образцов с 0,5 % фибры
CO-
= I(v -
Ч-1
100
Ук
(1)
"CO2
0,8
0,7
0,6
0,5
0.4
500 т, мин
Рис. 5. Кривые концентрации СО2 в камере:
1 - для образцов без добавки; ■ для образцов с фиброй в количестве 0,5 %
где V\ - количество поданного СО2 за 1-й промежуток времени, дм3;
- концентрация СО2 в камере в 1-й промежуток времени, %; ¥к - объем
3
камеры, дм .
Таким образом, при испытании в герметично замкнутой камере в течение 8 ч известкового поглотителя в форме листа наличие добавки фибры в композиции не снижает хемо-сорбционную активность по отношению к СО2, при этом уменьшая количество пыли и порошка Са(ОН)2, осыпавшегося с поглотителя во время испытаний с 15.20 г для образца без добавки до 3.5 г для образца с добавкой, то есть в 4 - 5 раз.
2
Выводы
1. Показана принципиальная возможность использования полипропиленового фиброволокна в составе листовых известковых поглотителей для увеличения химической активности по отношению к СО2 и уменьшения пылеобразования при использовании.
2. Разработан способ введения фибры в известковый поглотитель на стадии приготовления пасты.
Работа выполнена в рамках программы «Новые принципы создания средств регенерации воздуха систем коллективной защиты промышленного персонала и гражданского населения на основе наноструктурированных хемосорбентов» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Государственного задания (Техническое задание от 07.02.2013 г. № 10.117.2011).
Список литературы
1. Известковые поглотители нового поколения / Н.Ф. Гладышев [и др.]. - М. : Спектр, 2012. - 135 с.
2. Получение известкового хемосорбента в форме листа и его вторичное использование / Н.Ф. Гладышев [и др.] // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2012. -Т. 18, № 4. - С. 936 - 942.
3. Новый подход к регенерации воздуха в герметичных обитаемых объектах / Н.Ф. Гладышев [и др.] // Вопр. соврем. науки и практики. Ун-т им. В. И. Вернадского. - 2012. - Спец. вып. 39. - С. 159 - 165.
4. Вихляева, М. П. Аппаратурно-технологическое оформление производства известкового хемосорбента с улучшенными сорбционными свойствами : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.17.08 / М. П. Вихляева. - Тамбов, 2011. - 16 с.
5. ООО «Объединенные волокна» [Электронный ресурс] : офиц. сайт. -Режим доступа : www.ofibra.ru. - Загл. с экрана.
6. Пат. 2245858 Российская Федерация, МПК С 04 В 28/02. Бетон, включающий органические волокна, диспергированные в цементном растворе (варианты) / М. Шейрези (БЯ), Ж. Дуга (ГО), С. Буавен (БЯ), Ж. Оранж (бЯ), Л. Фруен (Бя) ; патентообладатели: БУИГ (БЯ), ЛАФАРЖ (БЯ), РОДИА ШИМИ (БЯ). -№ 2000131201/03 ; заявл. 12.05.99 ; опубл. 10.02.2005, Бюл. № 4. - 35 с.
Production and Examination of Properties of Lime Chemisorbent of Carbon Dioxide with Fiber
N. F. Gladyshev1, T. V. Gladysheva1, Yu. A. Suvorova1,2, S. B. Putin1, S. I. Dvoretsky3, V. P. Tarov4
Corporation "Roskhimzashchita" (1); [email protected]; Departments: " Technological Processes, Devices and Technosphere Safety" (2), "Technologies and Equipment for Food and Chemical Production " (3), "Technology and Methods of Nanoproduction" (4), TSTU (2)
Key words and phrases: chemical activity to CO2; lime chemisorbent; polypropylene fiber.
Abstract: The possibility of using of polypropylene fiber in the lime chemisorbent composition to improve its mechanical properties and chemical activity to CO2 is shown in this article.
Erhalten und Forschung der Eigenschaften des kalkigen Absorbers des Kohlenstoffdioxides mit der Fibrofaser
Zusammenfassung: Es ist die Möglichkeit der Nutzung der Polypropylenfibrofaser im Bestände von den kalkigen Blattabsorber für die Verbesserung ihrer mechanischen Charakteristiken und der chemischen Aktivität zu vorgeführt.
Obtention et étude des propriétés de l'absorbant calcaire du dioxide de l'hydrogène avec la fibre
Résumé: Est montrée la possibilité de l'emploi de la fibre de polypropylene dans la composition des absorbants calcaires en feuilles pour l'amélioration de leurs caractéristiques mécaniques et chimiques de l'activité pour
Авторы: Гладышев Николай Федорович - кандидат химических наук, начальник отдела химии и новых химических технологий; Гладышева Тамара Викторовна - кандидат химических наук, старший научный сотрудник, ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов; Суворова Юлия Александровна -аспирант кафедры «Технологические процессы и аппараты», ФГБОУ ВПО «ТГТУ»; научный сотрудник, ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов; Путин Сергей Борисович - кандидат технических наук, доктор экономических наук, первый заместитель генерального директора, заместитель генерального директора по научной работе и инновациям, ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов; Дворецкий Станислав Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии и оборудование пищевых и химических производств», и.о. ректора ФГБОУ ВПО «ТГТУ»; Таров Владимир Петрович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника и технология производства нанопро-дуктов», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
Рецензент: Дмитриев Вячеслав Михайлович - доктор технических наук, профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и военная подготовка», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
