Научная статья на тему 'СРАВНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИХ АКУСТИЧЕСКОЙ И ТРАДИЦИОННОЙ СУШКЕ'

СРАВНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИХ АКУСТИЧЕСКОЙ И ТРАДИЦИОННОЙ СУШКЕ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
3
0
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
зернистый силикагель / акустоконвективная сушка / структурно-механические свойства / планетарная мельница / экстракция влаги / granular silica gel / acoustic-convective drying / structural and mechanical properties / planetary mill / moisture extraction

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Чесноков Антон Евгеньевич, Скороход Ксения Андреевна, Жилин Александр Анатольевич

Проведено сравнение сушки зёрен мелкопористого силикагеля в акустоконвективной сушилке ИТПМСО РАН с конвективной сушкой в воздушной атмосфере при нормальном давлении и с остаточным давлением рабочей камеры печи p = 10ˉ³ MPa. Фиксировались изменения морфологии, структуры, удельной поверхности, суммарного объёма пор и механические свойства исходных, увлажнённых и осушенных зёрен силикагеля. Показано, что при используемом в работе режиме акустоконвективной сушки происходит интенсивная экстракция влаги из образца, что сопровождается дегидратацией зерна — наблюдаются осколки зёрен, на поверхности зёрен обнаружены макродефекты в виде сколов, в структуре материала присутствуют магистральные трещины, происходит снижение удельной поверхности до 200 м²/г, уменьшение суммарного объёма пор до 0.26 м³/г либо отсутствие пор размером менее 100 нм, уменьшается механическая прочность силикагеля до 96.25 %.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Чесноков Антон Евгеньевич, Скороход Ксения Андреевна, Жилин Александр Анатольевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

COMPARISON OF PHYSICAL CHARACTERISTICS OF HIGHLY POROUS MATERIALS DURING THEIR ACOUSTIC AND TRADITIONAL DRYING

A comparison was made of drying fine-porous silica gel grains in an acoustic-convective dryer of the ITAM SB RAS with convective drying in an air atmosphere at normal pressure and with a residual pressure of the furnace working chamber p = 10ˉ³ MPa. Changes in the morphology, structure, specific surface area, total pore volume and mechanical properties of the original, moistened and dried silica gel grains were recorded. It is shown that when the acoustic-convective drying mode used in the work occurs, intensive extraction of moisture from the sample occurs, which is accompanied by dehydration of the grain — fragments of grains are observed, macrodefects in the form of chips are found on the surface of the grains, main cracks are present in the structure of the material, the specific surface area decreases to 200 m²/g, a decrease in the total pore volume to 0.26 m³/g, or the absence of pores smaller than 100 nm, the mechanical strength of silica gel decreases to 96.25%.

Текст научной работы на тему «СРАВНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИХ АКУСТИЧЕСКОЙ И ТРАДИЦИОННОЙ СУШКЕ»

Челябинский физико-математический журнал. 2024■ Т. 9, вып. 2. С. 337-346.

УДК 534.23+54.055 DOI: 10.47475/2500-0101-2024-9-2-337-346

СРАВНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

ПРИ ИХ АКУСТИЧЕСКОЙ И ТРАДИЦИОННОЙ СУШКЕ

А. Е. Чесноков", К. А. Скороход6, А. А. Жилинс

Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия

"[email protected], [email protected], [email protected]

Проведено сравнение сушки зёрен мелкопористого силикагеля в акустоконвективной сушилке ИТПМ СО РАН с конвективной сушкой в воздушной атмосфере при нормальном давлении и с остаточным давлением рабочей камеры печи p = 10-3 MPa. Фиксировались изменения морфологии, структуры, удельной поверхности, суммарного объёма пор и механические свойства исходных, увлажнённых и осушенных зёрен силикагеля. Показано, что при используемом в работе режиме акустоконвективной сушки происходит интенсивная экстракция влаги из образца, что сопровождается дегидратацией зерна — наблюдаются осколки зёрен, на поверхности зёрен обнаружены макродефекты в виде сколов, в структуре материала присутствуют магистральные трещины, происходит снижение удельной поверхности до 200 м2/г, уменьшение суммарного объёма пор до 0.26 м3/г либо отсутствие пор размером менее 100 нм, уменьшается механическая прочность силикагеля до 96.25 %.

Ключевые слова: зернистый силикагель, акустоконвективная сушка, структурно-механические свойства, планетарная мельница, экстракция влаги.

Введение

Содержание влаги в продуктах питания, фармацевтических препаратах, семенном фонде, произведениях искусства, электронике и др. сильно влияет на их срок годности и степень сохранности [1-3]. Одним из наиболее распространённых сорбентов влаги является силикагель. Его главное преимущество заключается в том, что он химически инертен и стабилен в течение длительного промежутка времени, представляет собой твёрдые стекловидные зёрна насыпной плотностью в диапазоне 0.4-0.8 г/см3, образующие пористую структуру радиусом пор от 1 до 5 нм (суммарный объём пор находится в диапазоне от 0.3 до 1.2 см3/г). При температуре регенерации зёрен силикагеля свыше 250 °С поверхность силикагеля разрушается; при нагревании силикагеля выше 180 °С может происходить ухудшение его адсорб-ционых свойств за счёт разрушения OH-группы [4]. Поэтому сушку осуществляют при более низких температурах.

В работах [5-7] основное внимание уделяется решению математической модели — кинетики сорбции/десорбции воды на силикагеле. В работах [8; 9] рассматриваются вопросы сорбционных свойств силикагеля, облучённого y-лучами, нейтронами и ультрафиолетовым излучением. Отмечалось как повышение, так и понижение его сорбционной ёмкости, которая зависит от числа гидроксильных групп

Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда и Правительства Новосибирской области № 23-29-10118, https://rscf.ru/project/23-29-10118/.

на поверхности зерна силикагеля. Показано, что дегидратация приводит к потере гидроксильных групп, что может как увеличивать, так и уменьшать сорбционную ёмкость силикагеля [8; 10; 11]. Однако в работах не приводится комплексного исследования, включающего поверхностные и структурные изменения характеристик зёрен силикагеля в зависимости от его увлажнения, методов и режимов сушки.

Целью работы является установление структурно-механических характеристик зёрен силикагеля при их акустической и традиционной сушке и увлажнении.

1. Методика эксперимента

В работе использовали зёрна технического мелкопористого силикагеля. Для изучения характеристик зёрен силикагеля были проведены серии экспериментов в условиях термической сушки и увлажнения. Для анализа структурно-механических свойств, морфологии поверхности, насыпной плотности и других характеристик использовали только целые зёрна силикагеля. Выборочно зёрна проверяли на целостность (отсутствие трещин и сколов) с использованием биологического (с возможностью исследования образцов на просвет) оптического микроскопа Axio Scope.Al (Karl Zeiss, Германия), позволяющего автоматическую послойную съёмку изучаемого объекта с шагом от 1 мкм и инвертированного металлографического микроскопа OLYMPUS GX-51.

Пористая структура адсорбентов исследована стандартным методом низкотемпературной адсорбции-десорбции газа азота (температура -196 °С, интервал относительного давления газа 0.005-0.995). Термическую подготовку образцов не проводили, образцы были исследованы в состоянии поставки и высокой гидратации. Измерения были выполнены на автоматическом анализаторе «СОРБИ МС» отечественного производителя ООО «МЕТА» (Россия), позволяющем получать изотермы адсорбции и десорбции азота/гелия, проводить расчёты площади поверхности по методу БЭТ и получать распределение и суммарный объём пор радиусом не более 100 нм.

Для исследования изменений структуры образцов были подготовлены шлифы. Цементация образцов увлажнённых и осушенных зёрен осуществлялась с помощью эпоксидной смолы в пластмассовых цилиндрических формах диаметром 20 мм и высотой 20-30 мм. Смола затвердевала согласно инструкции при комнатной температуре в течение 24 часов, после чего залитый образец извлекался из формы. С использованием оборудования Presi (Франция) были подготовлены двусторонне-полированные шлифы с прозрачно-полированной поверхностью, свободной от царапин, дыр и выраженного рельефа. Выравнивание поверхности, тонкая шлифовка и доводка аншлифа (тонкая полировка) проводились в сухой среде. На всех стадиях обработки осуществлялся контроль за сохранением целостности образца и отсутствием искусственно созданных трещин в процессе подготовки шлифа, что могло повлиять на оценку морфологии поверхностей исследуемых образцов.

Определение насыпной плотности материала основано на измерении объёма образца вещества известной массы в градуированном цилиндре. Определение массы объектов проводили на аналитических весах Ohaus Pioneer с точностью взвешивания 0.1 мг.

Конвективную сушку зёрен силикагеля осуществляли при температуре 250 ° C в печи производства ООО «Миус-Сервис» (Россия) в воздушной атмосфере при нормальном давлении и с остаточным давлением рабочей камеры p = 10-3 MPa. Выбор экстремального режима сушки был обусловлен получением поверхностных и структурных дефектов зерна. В камеру печи были помещены 10 навесок образцов

силикагеля по 50 г. Контрольные пробы отбирали для анализа через каждый час. Было зафиксировано, что значение абсолютной влажности уменьшилось до 0 при осушении зёрен силикагеля в воздушной атмосфере с нормальным давлением в течение 8 часов, а при сушке в форвакууме — после 6 часов.

Акустоконвективная сушка зёрен силикаге- Таблица 1

ля была осуществлена на уникальной лабора- АЧХ потока в рабочей части АКСу торной акустоконвективной сушильной установке (АКСУ) ИТПМ СО РАН. Принципиальная схема и описание АКСУ приведено в [12]. Предлагаемая методика осушения акустоконвективным потоком прошла апробацию для биологических [13-15], химических [16-18] и строительных [19-21] материалов. Избыточное давление в форкамере составляло 6 атм и поддерживалось постоянным на протяжении всего эксперимента с помощью прецизионной системы управления. Параметры сформировавшегося на входе в рабочую часть АКСУ потока регистрируются пьезоэлектрическим датчиком ЛХ-610. Зарегистрированный сигнал подвергался быстрому Фурье-преобразованию. Полученный амплитудно-частотный спектр содержит серию гармоник, отличающихся на волновое число, при этом максимальную интенсивность имеет вторая гармоника (табл. 1).

Насыщение адсорбатом каждой частицы адсорбента, находящегося в адсорбере, зависит от скорости диффузии поглощаемых молекул внутри гранулы, которая в конечном итоге при определённом гидродинамическом режиме определяет интенсивность массообмена. Были получены увлажнённые образцы несколькими способами: 1) насыщение зёрен силикагеля происходило естественным образом из воздушной атмосферы помещения; 2) ёмкости с зёрнами силикагеля помещались в герметичную камеру, содержащую влажность 90-100 % не менее чем на 24 часа; 3) помещение зёрен силикагеля в водную среду. Абсолютную и относительную влажность зёрен силикагеля определяли по методике, используемой в работе [17].

Механическая прочность исходных, высушенных и увлажнённых зёрен сили-кагеля к сопротивлению истирания имеет большое значение для их производства, транспортировки, загрузки/выгрузки и особенно при эксплуатации в аппаратах непрерывного действия. Механическую прочность определяли по методике в соответствии с ГОСТ 3956-76. Как было показано в [22; 23], при введении сопоставимых значений энергии в обрабатываемый материал получаются схожие характеристики материала. Таким образом, для определения механической прочности зёрен сили-кагеля были определены режимы механической обработки в высокоэнергетической лабораторной шаровой мельнице «Активатор-2БЬ» производства ООО «Завод химического машиностроения» (Россия). Испытания зёрен на механическую прочность проводили в воздушной атмосфере с параметрами обработки: частота вращения барабанов — 11 оборотов в секунду, ускорение мелющих тел — 13$; в качестве мелющих тел использовали 27 стальных шаров диаметром 12.5 мм общей массой 220 г; масса загрузки обрабатываемых зёрен силикагеля — 40 г. Механическую обработку проводили в течение 15 мин. Содержимое барабана просеивали на сите с ячейкой размером 1 мм. Остаток на сите взвешивали с точностью до первого десятичного знака. Механическую прочность Х! в процентах вычисляли как отношение массы навески силикагеля на сите после испытания к массе навески силикагеля до испытания, выраженное в процентах.

№ гармоники /, Гц I, дБ

1 121 157,4

2 242 164,5

3 363 158,3

4 484 151,0

5 605 145,3

7 847 147,0

2. Результаты экспериментальных исследований

В табл. 2 представлены физические характеристики исходных (образец 1), термически осушенных в воздушной атмосфере (образец 2), в вакууме (образец 3), увлажнённых на стенде со 100%-ной влажностью (образец 4), естественным образом влагой из окружающей среды (образец 5) и помещённых в водную среду (образец 6) зёрен силикагеля.

Таблица 2

Характеристики исходных, осушенных и увлажнённых зёрен силикагеля

Образец Влажность Влажность Насыпная Удельная Объём пор, Механическая

абсолютная, относительная, плотность, поверхность, м3/г прочность,

% % г/см3 м2/г %

1 0.770 293 0.496 99.72

2 9.10 9.62 0.769 350 0.538 99.78

3 12.46 11.08 0.735 449 0.780 99.83

4 42.73 29.94 0.912 20 0.271 99.26

5 36.84 26.93 0.912 205 0.301 99.61

6 45.42 31.23 0.948 2.9 0.040 99.20

Согласно литературным данным [4], выделение воды из высокопористого материала происходит ступенчато, что отображается на его экстерьере и включает в себя четыре стадии: первая — испарение воды с поверхности зёрен; вторая и третья заключается в выделении химически связанной воды из поверхностного и среднего слоя зерна; на четвёртой стадии происходит удаление остаточной воды из объёма зерна. Анализ табл. 2 позволяет сделать вывод о том, что максимальное значение удельной поверхности зёрен силикагеля достигалось при сушке в камерной печи в форвакууме и составило 449 м2/г, что на 22% выше, чем показатель удельной поверхности при сушке в воздушной атмосфере с нормальным давлением (табл. 2). Полученные значения удельной поверхности и насыпной плотности зёрен силикагеля коррелируют между собой и качественно отражают процессы насыщения (табл. 2). Получено, что максимальной удельной поверхностью обладают зёрна силикагеля, осушенные в вакууме, и соответственно они имеют минимальное значение насыпной плотности 0.73 г/см3.

Сушка при экстремальных условиях (высокая температура, быстрый нагрев и т. д.) может приводить к появлению поверхностных дефектов, которые увеличивают удельную поверхность зерна силикагеля. Анализ оптической микроскопии осушенных зёрен подтверждает отсутствие на поверхности и в структуре материала макродефектов в виде трещин, сколов.

Таким образом, увеличение удельной поверхности происходит за счёт появления открытых микро- и нанопор на поверхности зерна (табл. 2). Наибольший объём пор имеют зёрна силикагеля, осушенные в вакууме. Отмечено, что в процессе сушки силикагель меняет свой цвет от прозрачно-белого до коричневого и тёмно-коричневого.

Существенным недостатком силикагелей является их неустойчивость при эксплуатации в условиях интенсивного проникания капельной влаги в поверхностный слой адсорбера. В процессе смачивания происходит продвижение воды по капиллярам в гранулу. Наличие вогнутых менисков в капиллярах приводит к образованию растягивающих напряжений в жидкости (капиллярные силы), которые передаются твёрдому телу и вызывают его разрушение: по местам наибольших напряжений происходит образование магистральных трещин.

На рис. 1, а показана динамика изменения абсолютной и относительной влажности силикагеля при сорбционном увлажнении.

Анализ оптической микроскопии увлажнённых образцов зёрен силикагеля показал отсутствие микродефектов в структуре, которые бы привели к неоднородному

(а) (б)

Рис. 1. Изменение со временем абсолютной (1) и относительной (2) влажности силикагеля: (а) при сорбционном увлажнении, (б) при акустоконвективной сушке

насыщению водой его объёма и появлению макро- и микротрещин на поверхности и в теле зерна. Таким образом, уменьшение значений удельной поверхности и суммарного объёма пор происходит за счёт увеличения концентрации влаги в объёме зерна (табл. 2).

На рис. 1, б представлена динамика изменения содержания влаги в образцах силикагеля при воздействии на осушаемый материал акустическими волнами высокой интенсивности. Видно, что в начальный момент образцы имеют высокую влажность, наблюдается повышенная интенсивность экстракции влаги, происходит дегидратация. Это объясняет разрушение зёрен силикагеля на осколки в процессе его сушки.

В табл. 3 представлены физические характеристики осушенных зёрен силика-геля и помещённых в водную среду. Образец 3-1 увлажнён на стенде со 100%-ной влажностью воздуха, затем зёрна силикагеля осушены акустоконвективными волнами; образец 3-2 увлажнён сорбционно на стенде со 100 %-ной влажностью возуха, затем зёрна силикагеля термически осушены в воздушной атмосфере печи; образец 3-3 увлажнён погружением в водную среду, а затем зёрна силикагеля были термически осушены в воздушной атмосфере печи.

„ .. Таблица 3

Характеристики осушенных зерен силикагеля

Образец Влажность Влажность Насыпная Удельная Объём пор, Механическая

абсолютная, % относительная, % плотность, г/см3 поверхность, м2/г м3/г прочность, %

3-1 13.85 12.17 0.758 196 0.26 96.25

3-2 0.599 0.596 0.683 205 — 99.41

3-3 0.596 0.593 0.678 221 — 98.38

Анализ оптической микроскопии исследуемых осушенных акустическими волнами образцов зёрен силикагеля показал наличие микро- и макродефектов на их поверхности и в структуре материала, при этом отмечено уменьшение удельной поверхности зёрен силикагеля, а также отсутствие пор размером менее 100 нм (табл. 2 и 3).

На поверхности зёрен, прошедших испытания на механическую прочность, отмечено наличие равномерно распределённых субмикро- и наночастиц, которые отсутствуют на поверхности исходных зёрен адсорбента. Образующиеся ультрадисперсные частицы материала сорбента удерживаются на поверхности зёрен за счёт механической адгезии и электризации [24]. Стоит отметить, что запыление поверхности зёрен адсорбента может привести к значительному уменьшению его сорб-ционных свойств. Из табл. 2 видно, что исходные и термически осушенные зёрна

силикагеля имеют высокое сопротивление к истиранию, при этом их механическая прочность составляет более 99 %. Механическая прочность зёрен после воздействия акустическими волнами для мелкопористого силикагеля уменьшилась до 96.25%, что объясняется дегидратацией зерна.

Заключение

Проведено сравнение методов сушки зёрен мелкопористого силикагеля на изменение морфологии поверхности, структуры, удельной поверхности, суммарного объёма пор и механические свойства. Показано, что при используемом режиме акустоконвективной сушки происходит интенсивная экстракция влаги из образца, что сопровождается дегидратацией зерна — наблюдаются осколки зёрен, на поверхности зёрен обнаружены макродефекты в виде сколов, в структуре материала присутствуют магистральные трещины, происходит снижение удельной поверхности до 200 м2/г, уменьшение суммарного объёма пор до 0.26 м3/г либо отсутствие пор размером менее 100 нм, уменьшается механическая прочность силикагеля до 96.25%.

Список литературы

1. KosasihE.A., ZikriA., DzakyM. I. Water vapor desorption from silica gel in a combined drying and double-condenser compression refrigeration system // Heliyon. 2022. Vol. 8, no. 6. P. e09757

2. Devi M. P., BaidyaB., Khan A.M., KhalkoS., HemantaL. Effect of pre-drying fungicidal treatment on storage life of dried spray chrysanthemum // Management of Postharvest Diseases and Value Addition of Horticultural Crops. Today and Tomorrow's Printers and Publishers, 2022. P. 231-236.

3. Джамалдинов А. Ч., Нарижный А. Г., Крейндлина Н. И., Анисимов А. Г., Файнов А. А. Использование синтетических сред для разбавления спермы хряков, обезвоженных при помощи силикагеля // Животноводство. 2015. Т. 130, № 8. С. 107111.

4. КельцевН. В. Основы адсорбционной техники. М. : Химия, 1984.

5. YamamotoT., TaniokaG., OkuboM., KurokiT. Water vapor desorption and adsorbent regeneration for air conditioning unit using pulsed corona plasma // Journal of Electrostatics. 2007. Vol. 65, no. 4. P. 221-227.

6. RuxG., MahajanP. V., LinkeM., Pant A., Sangerlaub S., Caleb O. J., Geyer M. Humidity-regulating trays: Moisture absorption kinetics and applications for fresh produce packaging // Food and Bioprocess Technology. 2016. Vol. 9. P. 709-716.

7. Ibrahim A. S., Al-Samari A., Banu A., Islam M. M. The contribution of adsorbent materials (silica gel and sawdust) in removing water vapor; Iraq as a study case // Diyala Journal of Engineering Sciences. 2023. Vol. 16, no. 1. P. 103-114.

8. Красильников К. Г., Киселев В. Ф., Сысоев Е. А. К вопросу о природе поверхности дегидратированного силикагеля // Докл. АН СССР. 1957. Т. 116, № 6. С. 990993.

9. Громов В. В., Спицын В. И. Изучение сорбционных свойств силикагеля, облучённого нейтронами // Атомная энергия. 1963. Т. 14, № 5. C. 491-492.

10. Егоров М. М., Егорова Т. С., Красильников К. Г., Киселев В. Ф. Адсорбция паров воды, метилового спирта и азота на силикагелях различной степени гидратации // Журн. физ. химии. 1958. Т. 32, № 6. С. 2624-2635.

11. Солоницын Ю. П. Фотосорбция кислорода на силикагеле и кристаллическом кварце // Журн. физ. химии. 1958. Т. 32, № 6. С. 1241-1248.

12. Zhilin A.A., GolubevE. A. Experimental study of the amplitude-frequency characteristics in a two-channel system // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 1939. P. 020016.

13. Жилин А. А., Федоров А. В. Акусто-конвективная сушка кедрового ореха // Инж.-физ. журн. 2014. Т. 87, № 4. С. 879-886.

14. Ж^илинА. А., Федоров А. В. Исследование акустоконвективной сушки мяса // Инж.-физ. журн. 2016. Т. 89, № 2. С. 316-325.

15. Zhilin A. A. Dynamics of acoustic-convective drying of sunflower cake // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1893. P. 030138.

16. Жилин А. А. Изучение процессов пропитки и сушки пористых материалов // Вестн. Нижегород. ун-та им. Н.И.Лобачевского. 2011. № 4. Ч. 3. С. 777-778.

17. Федоров А. В., Жилин А. А., Коробейников Ю. Г. Исследование процессов пропитки и сушки зернистого силикагеля // Инж.-физ. журн. 2011. Т. 84, № 5. С. 897-906.

18. Zhilin A. A. Properties of water under intense acoustic loading // AIP Conference Proceedings. 2023. Vol. 2504. P. 030115.

19. Zhilin A. A., Fedorov A. V. Acoustic-convective drying of aerated cellular concrete // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 1939. P. 020014.

20. Zhilin A. A. Acoustic-convective drying of coniferous sawdust // AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2125. P. 030085.

21. Zhilin A. A. Dynamics of drying of fibrous material by the acoustic-convective method // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1404. P. 012104.

22. Полубояров В. А., Солоненко О. П., ЖданокА.А., Чесноков А. Е., Паули И. А. Сравнение эффективности мельниц «АГО-2» и «Активатор^Ь» при механической активации порошка титана // Журн. Сиб. федерал. ун-та. Сер. Техника и технологии. 2017. Т. 10, № 5. С. 646-656.

23. Klinkov S. V., Kosarev V. F., Chesnokov A. E., SmirnovA.V., ShikalovV. S. Influence of preliminary heat treatment and ball milling of aluminum powder on cold spray process // Solid State Phenomena. 2021. Vol. 313. P. 127-135.

24. Федорова Л. И., Полтинин П. Я., Карнацевич Л. В., Хажмурадов М. А., Лысцов С. О. К вопросу об изменении аэродинамических параметров угольных адсорберов типа АУ-1500 систем вентиляции АЭС // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Ядерно-физические исследования. 1999. Т. 33, № 1. С. 118-119.

Поступила в редакцию 11.12.2023. После переработки 05.04.2024.

Сведения об авторах

Чесноков Антон Евгеньевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия; e-mail: [email protected].

Скороход Ксения Андреевна, младший научный сотрудник, Институт теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия; e-mail: [email protected].

Жилин Александр Анатольевич, кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник, Институт теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия; e-mail: [email protected].

Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal. 2024. Vol. 9, iss. 2. P. 337-346.

DOI: 10.47475/2500-0101-2024-9-2-337-346

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

COMPARISON OF PHYSICAL CHARACTERISTICS OF HIGHLY POROUS MATERIALS DURING THEIR ACOUSTIC AND TRADITIONAL DRYING

А.Е. Chesnokov", К.А. Skorokhodb, A.A. Zhilinc

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, Novosibirsk, Russia "[email protected], [email protected], [email protected]

A comparison was made of drying fine-porous silica gel grains in an acoustic-convective dryer of the ITAM SB RAS with convective drying in an air atmosphere at normal pressure and with a residual pressure of the furnace working chamber p = 10-3 MPa. Changes in the morphology, structure, specific surface area, total pore volume and mechanical properties of the original, moistened and dried silica gel grains were recorded. It is shown that when the acoustic-convective drying mode used in the work occurs, intensive extraction of moisture from the sample occurs, which is accompanied by dehydration of the grain — fragments of grains are observed, macrodefects in the form of chips are found on the surface of the grains, main cracks are present in the structure of the material, the specific surface area decreases to 200 m2/g, a decrease in the total pore volume to 0.26 m3/g, or the absence of pores smaller than 100 nm, the mechanical strength of silica gel decreases to 96.25%.

Keywords: granular silica gel, acoustic-convective drying, structural and mechanical properties, planetary mill, moisture extraction.

References

1. KosasihE.A., ZikriA., DzakyM.I. Water vapor desorption from silica gel in a combined drying and double-condenser compression refrigeration system. Heliyon, 2022, vol. 8, no. 6, p. e09757

2. Devi M.P., BaidyaB., Khan A.M., KhalkoS., HemantaL. Effect of pre-drying fungicidal treatment on storage life of dried spray chrysanthemum. In book: Management of Postharvest Diseases and Value Addition of Horticultural Crops. Today and Tomorrow's Printers and Publishers, 2022. Pp. 231-236.

3. Dzhamaldinov A.Ch., Narizhny A.G., KreindlinaN.I., Anisimov A.G., Faynov A.A. Ispol'zovaniye sinteticheskikh sred dlya razbavleniya spermy khryakov, obezvozhennykh pri pomoshchi silikagelya [The use of synthetic media for diluting the sperm of boars dehydrated using silica gel]. Zhivotnovodstvo [Animal husbandry], 2015, vol. 130, no. 8, pp. 107-111. (In Russ.).

4. Keltsev N.V. Osnovy adsorbtsionnoy teknhiki [Fundamentals of adsorption technology]. Moscow, Chemistry, 1984. (In Russ.).

5. YamamotoT., TaniokaG., OkuboM., KurokiT. Water vapor desorption and adsorbent regeneration for air conditioning unit using pulsed corona plasma. Journal of Electrostatics, 2007, vol. 65, no. 4, pp. 221-227.

6. RuxG., Mahajan P.V., Linke M., Pant A., SängerlaubS., Caleb O.J., Geyer M. Humidity-regulating trays: Moisture absorption kinetics and applications for fresh produce packaging. Food and Bioprocess Technology, 2016, vol. 9, pp. 709-716.

The research was supported by the grant of the Russian Science Foundation and the Government of the Novosibirsk Region № 23-29-10118, https://rscf.ru/project/23-29-10118/.

7. Ibrahim A.S., Al-Samari A., BanuA., Islam M.M. The contribution of adsorbent materials (silica gel and sawdust) in removing water vapor; Iraq as a study case. Diyala Journal of Engineering Sciences, 2023, vol. 16, no. 1, pp. 103-114.

8. Krasilnikov K.G., KiselevV.F., SysoevE.A. K voprosu o prirode poverkhnosti degidratirovannogo silikagelya [On the issue of the nature of the surface of dehydrated silica gel]. Doklady AN SSSR [Reports of USSR the Academy of Sciences], 1957, vol. 116, no. 6, pp. 990-993. (In Russ.).

9. GromovV.V., SpitsynV.I. Izucheniye sorbtsionnykh svoystv silikagelya, obluchyonnogo neytronami [Study of the sorption properties of silica gel irradiated with neutrons]. Atomnaya energiya [Atomic Energy], 1963, vol. 14, no. 5, pp. 491-492. (In Russ.).

10. EgorovM.M., EgorovaT.S., KrasilnikovK.G., KiselevV.F. Adsorbtsiya parov vody, metilovogo spirta i azota na silikagelyakh razlichnoy stepeni gidratatsii [Adsorption of water vapor, methyl alcohol and nitrogen on silica gels of varying degrees of hydration]. Zhurnal fizicheskoy khimii [Journal of Physical Chemistry], 1958, vol. 32, no. 6, pp. 26242635. (In Russ.).

11. Solonitsyn Yu.P. Fotosorbtsiya kisloroda na silikagele i kristallicheskom kvartse [Photosorption of oxygen on silica gel and crystalline quartz]. Zhurnal fizicheskoy khimii [journal of Physical Chemistry], 1958, vol. 32, no. 6, pp. 1241-1248. (In Russ.).

12. Zhilin A.A., GolubevE.A. Experimental study of the amplitude-frequency characteristics in a two-channel system. AIP Conference Proceedings, 2018, vol. 1939, p. 020016.

13. Zhilin А.А., FedorovA.V. Acousto-convective drying of pine nuts. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2014, vol. 87, no. 4, p. 908-916.

14. Zhilin A.A., FedorovA.V. Acoustoconvection drying of meat. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2016, vol. 89, no. 2, p. 323-333.

15. Zhilin A.A. Dynamics of acoustic-convective drying of sunflower cake. AIP Conference Proceedings, 2017, vol. 1893, p. 030138.

16. Zhilin А.А. Izucheniye protsessov propitki i sushki poristykh materialov [Study of the processes of impregnation and drying of porous materials]. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta imeni N. I. Lobachevskogo [Bulletin of Lobachevskii Nizhniy Novgorod University], 2011, vol. 4, no. 3, p. 777-778. (In Russ.).

17. FedorovA.V., Zhilin A.A., Korobeinikov Yu.G. Investigation of the processes of impregnation and drying of granular silica gel. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2011, vol. 84, no. 5, p. 965-974.

18. Zhilin A.A. Properties of water under intense acoustic loading. AIP Conference Proceedings, 2023, vol. 2504, p. 030115.

19. Zhilin A.A., FedorovA.V. Acoustic-convective drying of aerated cellular concrete. AIP Conference Proceedings, 2018, vol. 1939, p. 020014.

20. Zhilin A.A. Acoustic-convective drying of coniferous sawdust. AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2125, p. 030085.

21. Zhilin A.A. Dynamics of drying of fibrous material by the acoustic-convective method. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1404, p. 012104.

22. Poluboyarov V.A., Solonenko O.P., ZhdanokA.A., Chesnokov A.E., Pauli I.A. Sravneniye effektivnosti mel'nits "AGO-2" i "Activator-2SL" pri mekhanicheskoy aktivatsii poroshka titana [Comparison of the efficiency of the mills "AGO-2" and "Activator-2SL" at the mechanical activation of titanium powder. Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Ser. Tekhnika i tekhnologii [Journal of Siberian Federal University. Ser. Engineering and Technologies], vol. 10, no. 5, p. 646-656. (In Russ.).

23. Klinkov S.V., Kosarev V.F., Chesnokov A.E., SmirnovA.V., ShikalovV.S.

Influence of preliminary heat treatment and ball milling of aluminum powder on cold spray process. Solid State Phenomena, 2021, vol. 313, p. 127-135.

346

A. E. MecHOKOB, K.A. CKopoxog, A. A. XH^HH

24. Fedorova L.I., Poltinin P.Ya., Karnatsevich L.V., Khazhmuradov M.A., Lystsov S.O. K voprosu ob izmenenii aerodinamicheskikh parametrov ugol'nykh adsorberov tipa AU-1500 sistem ventilyatsii AES [On the issue of changing the aerodynamic parameters of coal adsorbers of the AU-1500 type in nuclear power plant ventilation systems]. Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. Ser. Yaderno-fizicheskiye issledovaniya [Issues of atomic science and technology. Ser.: Nuclear physics research], 1999, vol. 33, no. 1, p. 118-119. (In Russ.).

Article received 11.12.2023.

Corrections received 05.04.2024.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.