Спосіб одержання активованої суспензії бентоніту

Реферат: Спосіб одержання активованої суспензії бентоніту шляхом змішування глинистої фракції бентоніту з водою, перемішування суспензії до одержання однорідної маси та її активації. Перед змішуванням бентоніту з водою послідовно проводять заходи, згідно з якими природну грудкову бентонітову глину із вмістом монтморилоніту не менше ніж 75 % висушують при температурі 100-110 °C до вологості 10-12 %. Після просушування проводять здрібнювання бентоніту до дрібнодисперсного стану з величиною частинок не більше 150 мкм і відокремлення крупнодисперсної фракції. В процесі перемішування суспензії проводять її диспергування протягом 2 годин при кімнатній температурі і атмосферному тиску шляхом перемішування до одержання однорідної суспензії. Після перемішування однорідної суспензії її активують шляхом диспергування за допомогою імпульсного електромагнітного поля протягом 1-15 хвилин в залежності від вимог до якості активованої суспензії бентоніту. UA 77398 U (12) UA 77398 U UA 77398 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до хімії, зокрема до диспергування глинистих агрегатів, а саме до способів одержання активованої суспензії бентоніту, яка може бути використана при виготовленні лікарських та парфумерних засобів, будівельних та гідроізоляційних матеріалів, вин тощо. Стерилізовані форми суспензії можуть застосовуватися для виготовлення лікарських та парфумерних засобів. Нестерильні водні суспензії бентонітових глин можуть використовуватися для отримання бурових розчинів при проведенні геологорозвідувальних робіт під час пошуків нафти та газу, при виробництві будівельних та гідроізоляційних матеріалів, залізорудних котунів, засобів побутової хімії, а також у виноробстві, сільському господарстві, склопереробній, текстильній промисловості та інше. Концентровані водні дисперсії бентоніту використовуються для санації територій забруднених шкідливими сполуками та радіонуклідами. Зокрема для дезактивації будівельних матеріалів, забруднених радіонуклідами, можливе використання природного бентоніту, активованого карбонатом натрію [1], [2]. У прояві корисних властивостей бентоніту велику роль відіграє розмір його частинок. Зазвичай, бентоніт у водних суспензіях перебуває, переважно, у вигляді глинистих агрегатів. Диспергування глинистих агрегатів до більш дрібних частинок може забезпечити більш високі експлуатаційні властивості таких дисперсій. Тому одержання препаратів дрібнодисперсної фракції бентоніту сприяє підвищенню активності продуктів на його основі [3]. Відомий спосіб готування суспензії бентоніту, що передбачає змішування бентоніту з водою, перемішування, стерилізацію й активацію суміші, при цьому бентоніт у суміші диспергують до дрібнодисперсного стану, причому перемішування, диспергування, стерилізацію й активацію суміші здійснюють шляхом циклічного пропущеним її через дезінтегруючий пристрій в умовах кавітації [4]. До недоліків відомого способу належить те, що активація бентонітової суспензії з використанням карбонату натрію згідно з зазначеним способом одержання гелю бентоніту призводить до утворення водних суспензій з надлишком вільних іонів натрію в дисперсійному середовищі, що значно погіршують реологічні, адсорбційні, фармакопейні властивості бентонітової суспензії. Використання методів діалізу або електродіалізу для доочищення бентонітової суспензії від вільних іонів натрію збільшує експлуатаційні витрати у кілька разів і робить цей метод економічно нерентабельним. Крім того, на теперішній час не існує промислових чи дослідних установок, що призначені для таких цілей. Цей спосіб також не є доцільним для отримання високов'язких суспензій, із вмістом мінеральної фази 25 % та більше. Відомий спосіб готування суспензії бентоніту, що передбачає змішування бентоніту з водою, перемішування, стерилізацію й активацію суміші, при цьому бентоніт у суміші диспергують до дрібнодисперсного стану [5]. До недоліків відомого способу належить те, що не забезпечуються високі реологічні, адсорбційні, фармакопейні властивості бентонітової суспензії. Відомий спосіб готування суспензії бентоніту, що передбачає здрібнювання твердої фракції суспензії в процесі її готування до однорідного дрібнодисперсного стану, змішування дрібнодисперсних частинок бентоніту з водою, перемішування, стерилізацію й активацію [6]. До недоліків відомого способу належить те, що не забезпечуються високі реологічні, адсорбційні, фармакопейні властивості бентонітової суспензії. Неможливість диспергування глинистих агрегатів до більш дрібних частинок не може забезпечити високі експлуатаційні властивості отриманих дисперсій (бентонітової суспензії). Тому неможливість одержання препаратів дрібнодисперсної фракції бентоніту не сприяє підвищенню активності продуктів на його основі. Найбільш близьким технічним рішенням як за суттю, так і за задачею, що вирішується, яке вибрано за найближчий аналог (прототип), є спосіб одержання активованої суспензії бентоніту, що передбачає змішування глинистої фракції бентоніту з водою, перемішування суспензії до одержання однорідної маси та її активацію [7]. До недоліків відомого способу одержання активованої суспензії бентоніту, який вибрано за найближчий аналог (прототип) належить те, що шляхом активації препаратів дрібнодисперсної фракції бентоніту лише за допомогою її диспергування протягом 2 годин при кімнатній температурі і атмосферному тиску шляхом перемішування до одержання однорідної суспензії, не забезпечуються високі реологічні, адсорбційні, фармакопейні властивості бентонітової суспензії, а також її експлуатаційні характеристики. В основу корисної моделі поставлено задачу шляхом введення в технологічний процес етапів диспергування бентонітової суспензії, перемішування до одержання однорідної суспензії та активації шляхом диспергування за допомогою імпульсного електромагнітного поля забезпечити покращення реологічних та експлуатаційних характеристик бентонітової суспензії. 1 UA 77398 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Суть технічного рішення в способі одержання активованої суспензії бентоніту, що передбачає змішування глинистої фракції бентоніту з водою, перемішування суспензії до одержання однорідної маси та її активацію, полягає в тому, що перед змішуванням бентоніту з водою послідовно проводять заходи, згідно з якими природну грудкову бентонітову глину із вмістом монтморилоніту не менше ніж 75 % висушують при температурі 100-110 °C до вологості 10-12 %, після просушування проводять здрібнювання бентоніту до дрібнодисперсного стану з величиною частинок не більше 150 мкм і відокремлення крупнодисперсної фракції, в процесі перемішування суспензії проводять її диспергування протягом 2 годин при кімнатній температурі і атмосферному тиску шляхом перемішування до одержання однорідної суспензії, після перемішування однорідної суспензії її активують шляхом диспергування за допомогою імпульсного електромагнітного поля протягом 1-15 хвилин в залежності від вимог до якості активованої суспензії бентоніту. Суть корисної моделі полягає і в тому, що під час приготування бентонітової суспензії підтримують співвідношення твердої та рідкої фаз 1:1,25. Суть корисної моделі полягає також і в тому, що в процесі диспергування бентонітової суспензії під дією імпульсного електромагнітного поля мікроагрегати бентонітової глини диспергуються до наночастинок. Рішення технічної задачі в способі одержання активованої суспензії бентоніту, який заявляється, дійсно можливе тому, що: - шляхом диспергування суспензії бентоніту протягом 2 годин при кімнатній температурі і атмосферному тиску шляхом перемішування до одержання однорідної суспензії; - шляхом перемішування глинистої фракції бентоніту з водою до одержання однорідної суспензії забезпечують отримання бентонітової суспензії з однаковими фізико-хімічними властивостями у всьому об'ємі; - шляхом активації суспензії бентоніту (що включає в себе заходи щодо її диспергування за допомогою імпульсного електромагнітного поля протягом 1-15 хвилин в залежності від вимог до якості активованої суспензії бентоніту) забезпечують отримання бентонітової суспензій, із необхідними, наперед заданими, властивостями; - шляхом підтримання співвідношення твердої та рідкої фаз 1:1,25 (а саме, глинистої фракції бентоніту з водою) забезпечують необхідна структурна стабільність бентонітової суспензії; - шляхом диспергування бентонітової суспензії під дією імпульсного електромагнітного поля таким чином, що мікроагрегати бентонітової глини диспергуються до наночастинок, забезпечують отримання суспензії із необхідними / наперед заданими реологічними властивостями; - шляхом подрібнення сухого бентоніту до розміру частинок не більш ніж 150 мкм, забезпечують більш високі експлуатаційні властивості дисперсій бентоніту з водою (одержання препаратів дрібнодисперсної фракції бентоніту сприяє підвищенню активності продуктів на його основі). Таким чином спосіб одержання активованої суспензії бентоніту, який заявляється, відповідає критерію корисної моделі "новизна". Спосіб одержання активованої суспензії бентоніту, який заявляється, пояснюється за допомогою ілюстрацій, де на фіг. 1 показано блок-схему послідовного виконання технологічних операцій, що складають у сукупності суть зазначеного способу, на фіг. 2-3 показано етапи послідовного виконання технологічних операцій для одержання активованої суспензії бентоніту з використанням відповідного обладнання, на фіг. 4 показано схему установки, за допомогою якої генерується пульсуюче електромагнітне поле із заданою частотою. Спосіб одержання активованої суспензії бентоніту, який заявляється, здійснюється таким чином (із застосуванням відповідного обладнання - див. схеми на фіг. 2-4) згідно з послідовністю технологічних операцій, показаних на фіг. 1. Природну грудкову бентонітову глину 1 із вмістом монтморилоніту не менше ніж 75 % висушують (наприклад, у сушильних шафах - поз. 2) при температурі 100-110 °C до вологості 10-12 % (див. схему на фіг. 2). Зразки сухого бентоніту подрібнюють, наприклад, або на каменевиділяльних валках, або в шаровому млині 3 до розміру частинок не більше ніж 150 мкм (див. схему на фіг. 2). Подрібнені частинки бентоніту просіюють на ситах 4 і відбирають дрібнодисперсну фракцію з розмірами частинок не більше 100 мкм (див. схему на фіг. 2). Для отримання бентонітової суспензії розраховану кількість сухого глинопорошку бентоніту вносять у резервуар 5 з мішалкою (див. схему на фіг. 3) і диспергують у необхідній кількості водного конденсату при кімнатній температурі (позиція "t°") та атмосферному тиску (позиція "Р") протягом 2 годин (позиція "Т") до одержання однорідної маси. Під час приготування 2 UA 77398 U 5 10 15 20 25 бентонітової суспензії підтримують співвідношення твердої та рідкої фаз 1:1,25 (відповідно, дрібнодисперсної фракції бентоніту (позиція "Б") і води ("позиція "В")) - (див. схему на фіг. 3). Глинисті частинки, зважені у водному середовищі, взаємодіють одна з одною Ванн дер ваальсовськими молекулярними силами зчеплення на найбільш ліофобних ділянках поверхні, які практично не гідратовані і, відповідно, не захищені сольватними оболонками. В процесі утворення коагуляційних структур найважливіше значення мають ліофільні центри, кількість яких в глинах значно вище, ніж ліофобних. Ліофільні центри переважно розташовуються по периферії глинистих кристалітів і забезпечуються в основному сілонольними і алюмінольними центрами, а також, частково, обмінними катіонами, локалізованими на периферії кристалітів [8]. Після цього набухла глиниста суспензія 6 бентоніту для активації подається у резервуар 7, що розташований у активній частині установки 8, за допомогою якої генерується пульсуюче електромагнітне поле із заданою частотою. Навколо зазначеного резервуару 7 розміщено індукційні котушки 9, які шляхом коаксіального роз'єму 10 з'єднано з мікропроцесорним блоком 11 (див. схему на фіг. 3). Після його ввімкнення на котушки 9 подаються імпульси (позиція "ІМ") електричного струму, в результаті чого у робочій зоні установки 8 генерується пульсуюче електромагнітне поле (позиція "МП") із заданою частотою (див. схему на фіг. 4). В залежності від вимог до якості активованої суспензії бентоніту електромагнітна обробка може тривати протягом 1-15 хвилин (позиція "Т1") [9]. В процесі диспергування бентонітової суспензії 6 під дією імпульсного електромагнітного поля (позиція "МП") мікроагрегати 12 бентонітової глини 1 диспергуються до наночастинок (див. схему на фіг. 4) [8]. В результаті активації бентонітової суспензії імпульсним електромагнітним полем відбувається значне збільшення її в'язкості, що пов'язано з частковою диспергацією агрегатів глини до більш дрібних частинок і, відповідно, збільшенням кількості міжфазних контактів. Така обробка глинистої суспензії дає можливість одержати достатньо структуровані коагуляційні структури [8], [9]. Вплив імпульсного електромагнітного поля на реологічні властивості бентонітової суспензії наведено в таблиці. Таблиця Зразок Бентоніт Бентоніт + ЕМП (1 хв.) Бентоніт + ЕМП (5 хв.) Бентоніт + ЕМП (10 хв.) Бентоніт + ЕМП (15 хв.) вихідна незруйнована суспензія , Па , Па·с 8 8 8 77 8 66 8 129 8 257 суспензія у критичній області , Па 20-17,6 21,8-18,5 28-24,5 31-27,5 39,4-34,6 , Па·с 2,3-0,7 1,4-0,7 1,7-0,9 1,9-1 2,4-1,3 частково зруйнована суспензія , Па 18 18 18 18 18 , Па·с 0,5 1 2 3 4 * - напруга зсуву, Па;  - в'язкість, Па·с, ЕМП - електромагнітне поле. 30 35 40 45 Імпульсна електромагнітна обробка суспензії бентоніту дає можливість: - збільшити в'язкості суспензії у 10-15 разів; - виключити внесення будь-яких хімічних реактивів, які погіршують якість вихідного бентоніту; - зменшити час, необхідний для одержання готової суспензії, у порівнянні із відомими методами; - досить легко автоматизувати процес активації; - використання процесу у промислових умовах. Експериментально встановлено, що вплив імпульсного електромагнітного поля на бентонітові суспензії супроводжується збільшенням структурної в'язкості, яка залежить від тривалості електромагнітної обробки [8], [9]. Наприклад, опромінення бентонітової суспензії імпульсним електромагнітним полем протягом 10 хв. збільшує структурну в'язкість з 8 до 129 Па·с. Ця залежність найбільш суттєва для незруйнованої суспензії, але також справедлива і для часткового зруйнованої. При напрузі зсуву 45 Па в'язкість суспензії асимптотично наближається до величини 0,1 Па·с, при цьому електромагнітна обробка не спричиняє скільки-небудь відчутного впливу. 3 UA 77398 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Реологічні властивості глинистих суспензій досліджувалися за допомогою ротаційного віскозиметра "Reotest-2" (Німеччина) (як варіант застосування приладу). Визначалася залежність структурної в'язкості від прикладеного навантаження. Значне збільшення в'язкості вихідної бентонітової суспензії при впливі на неї імпульсних електромагнітних коливань протягом декількох хвилин пов'язано з частковою диспергацією агрегатів глини до більш дрібних частинок і, відповідно, збільшенням числа міжфазних контактів. При експериментальних дослідженнях не спостерігалося руйнування суспензії при тривалому впливі імпульсного електромагнітного поля і, відповідно, зменшення їх в'язкості [8]. Структурна в'язкість активованих бентонітових суспензій є досить чутливою до механічних навантажень. Стійкість коагуляційної структури до механічних впливів після впливу на них імпульсного електромагнітного поля стає значно меншою. Це явище, ймовірно, пов'язано з тим, що при диспергації бентоніту під впливом імпульсного електромагнітного поля одночасно зі збільшенням числа структурних елементів коагуляційної системи збільшується товщина міжфазного гідратного шару, що, природно, виражається в зменшенні структурної в'язкості. Експериментально показано, що змінне (імпульсне) електромагнітне поле може змусити мікрочастинки до процесів самоорганізації та утворення просторових структур. Зовнішнє накладене імпульсне електромагнітне поле деформує подвійний електричний шар і послаблює колоїдну стабільність, що веде до безформної агрегації малих частинок. Варіюючи напруженість такого поля, можна змінювати тип структури аж до повної дезорієнтації мікрочастинок. На користь вищесказаного свідчить утворення нестабільних за часом коагуляційних структур з підвищеною структурної в'язкістю, характер і час релаксації яких залежить від умов активації [9]. Таким чином, при здійсненні способу одержання активованої суспензії бентоніту, що заявляється, на виході (після виконання всього циклу технологічних операцій, що покладено в основу способу одержання активованої суспензії бентоніту) отримують активовану суспензію з високими реологічними властивостями (яку в подальшому можна використовувати для: дезактивації поверхонь будівельних матеріалів, забруднених радіонуклідами; при створенні гідроізоляційних бар'єрів при будівництві каналів, озер, штучних водойм, що забезпечує надійну ізоляції забруднених вод від надходження їх у навколишнє природне середовище; при виготовленні будівельних матеріалів, до складу яких входить бентоніт). Підвищення ефективності застосування способу одержання активованої суспензії бентоніту, що заявляється, у порівнянні з прототипом, досягається за рахунок введення до технологічного процесу етапів диспергування бентонітової суспензії шляхом перемішування до одержання однорідної суспензії та активації шляхом диспергування за допомогою імпульсного електромагнітного поля, що забезпечує покращення реологічних та експлуатаційних характеристик бентонітової суспензії. Джерела інформації: 1. Овчаренко Ф.Д., Кириченко Н.Г., Островская А.Б., Довгий М.Г. Черкасское месторождение бентонитовых и палыгорскитовых глин. - К.: Наукова думка, 1996.-124 с. 2. Тарасевич Ю.И. Адсорбция на глинистих минералах / Ю.И. Тарасевич, Ф.Д. Овчаренко. К.: Наукова думка, 1975.-354 с. 3. Физико-химическая механика дисперсных минералов. Под ред. д.х.н. ак. СССР Н.Н. Круглицкого. - К.: Наукова думка, 1974.-243 с. 4. Патент України на винахід № 80829 "Спосіб готування суспензії бентоніту" від 12.11.2007 року, (№ а200500438), (бюл. № 18/2007) МПК (2006.1) С12G 1/12, С12Н 1/02 - аналог. 5. Авторське свідоцтво СРСР № 218790 "Устройство для приготовления суспензии бентонита", опубл. БИ № 18, 30.05.1968 - аналог. 6. Авторське свідоцтво СРСР № 852938 "Установка для приготовления суспензии бентонита", опубл. БИ № 29, 07.08.1981 - аналог. 7. Авторське свідоцтво СРСР № 1664833 "Способ получения водной суспензии бентонита" від 23.07.1991 року, опубл. БИ № 27, 1991 р. - прототип. 8. Кадошников В.М., Забулонов Ю.Л., Литвиненко Ю.В., Макаров А.И., Савицкий Д.П. Водные дисперсии глинистых минералов, активированные переменным электромагнитным полем / Минералогический журнал, Том 32, № 4, 2010. 9. Литвиненко Ю.В. Вплив імпульсного змінного електромагнітного поля на властивості природних сорбентів Міжнародна науково-технічна та науково-методична конференція, присвячена 80-річчю від дня заснування Київського національного університету технологій та дизайну "Інтеграція освіти і науки - Майбутнє України", 4-8 жовтня 2010 p., Київ, "Вісник Київського національного університету технологій та дизайну", Збірник наукових праць. 60 4 UA 77398 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 1. Спосіб одержання активованої суспензії бентоніту, що передбачає змішування глинистої фракції бентоніту з водою, перемішування суспензії до одержання однорідної маси та її активацію, який відрізняється тим, що перед змішуванням бентоніту з водою послідовно проводять заходи, згідно з якими природну грудкову бентонітову глину із вмістом монтморилоніту не менше ніж 75 % висушують при температурі 100-110 °C до вологості 1012 %, після просушування проводять здрібнювання бентоніту до дрібнодисперсного стану з величиною частинок не більше 150 мкм і відокремлення крупнодисперсної фракції, в процесі перемішування суспензії проводять її диспергування протягом 2 годин при кімнатній температурі і атмосферному тиску шляхом перемішування до одержання однорідної суспензії, після перемішування однорідної суспензії її активують шляхом диспергування за допомогою імпульсного електромагнітного поля протягом 1-15 хвилин в залежності від вимог до якості активованої суспензії бентоніту. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що під час приготування бентонітової суспензії підтримують співвідношення твердої та рідкої фаз 1:1,25. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що в процесі диспергування бентонітової суспензії під дією імпульсного електромагнітного поля мікроагрегати бентонітової глини диспергуються до наночастинок. 5 UA 77398 U 6 UA 77398 U 7 UA 77398 U Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8