Спосіб зневоднювання йодиду натрію

Винахід відноситься до зневоднювання сипучих діелектричних матеріалів у вакуумі під впливом мікрохвильового поля, зокрема до зневоднювання порошкоподібного йодиду натрію, що призначений для вирощування монокристалів. Йодид натрію особливої чистоти застосовується як вихідна сировина для вирощування монокристалів. Функціональні характеристики монокристалів на основі йодидів лужних металів суттєво погіршуються в присутності домішок з вмістом кисню. Забруднення кристалів домішками з вмістом кисню можливе, по-перше коли вони потрапляють разом з вихідною сировиною, а по-друге - в процесі вирощування. Вихідна сировина - йодид натрію (гігроскопічна сполука) завжди містить залишки води. Для отримання кристалів належної якості потрібно проведення повного зневоднювання вихідної сировини. Основною вимогою, що пред'являється до способів зневоднювання гігроскопічних матеріалів, зокрема йодиду натрію, є запобігання гідролізу солей, при якому утворюються домішки з вмістом кисню. Відомий спосіб сушіння у мікрохвильовому полі сипучих діелектричних матеріалів, зокрема порошкоподібного йодиду натрію, згідно з яким сушіння здійснюють циклічно, при цьому на першому етапі кожного циклу одночасно с НВЧ-нагріванням вакуумують об'єм з матеріалом до передпробійного тиску, потім відключають НВЧ-нагрівання, продовжуючи вакуумування до квазістаціонарного тиску, по величині якого визначають вологість матеріалу, після чого, припинивши вакуумування, напускають сухе повітря до атмосферного тиску. А потім знову повторюють наступні цикли сушіння до досягнення необхідної вологості матеріалу [пат. України №56629, кл. F26B3/347]. Проведення НВЧ-нагрівання з одночасним вакуумуванням до передпробійного тиску кожного циклу відповідно до винаходу дозволяє проводити сушіння матеріалу при температурі, що не перевищує 50°С. Відомий також спосіб сушіння сипучих діелектричних матеріалів, наприклад солей лужногалоїдних металів, за яким об'єм з матеріалом вакуумують до граничного тиску (2´10-3мм рт.ст.), напускають сухе повітря з одночасною відкачкою до передпробійного тиску (~20мм рт.ст.), здійснюють НВЧ-нагрівання. В процесі сушіння контролюють сумарний тиск у камері, забезпечуючи при цьому безупинну відкачку, [пат. України № 64308, кл. F26B3/347]. Постійний контроль сумарного тиску в камері при безупинній її відкачці виключає можливість НВЧ-пробою, а також забезпечує своєчасне регулювання тиску сухого повітря чи потужності НВЧ-генератора для зменшення імовірності утворення гідролізних з'єднань. Тиск у камері підтримується на рівні 20-25мм рт.ст., сушіння солей лужногалоїдних металів проводиться при температурі, що дорівнює 60-80°С. Відомий також спосіб сушіння натрію йодистого, що включає НВЧ-нагрівання до температури 70-80°С при постійному тиску в системі, який дорівнює 25-30мм рт.ст. [пат. України №71834, кл. F26B7/10, F26B5/04, C01D3/12]. Суттєвим недоліком наведених способів є те, що процес зневоднення солі здійснюють при температурі, що сприяє перебігу процесу гідролізу і утворенню гідроксильних груп (їх склад до 10-2мас.%). Експерименти доводять, що вода з цієї домішкової фази може бути видалена при температурі більш 350°С. Як прототип нами обраний спосіб сушіння сипучих діелектричних матеріалів [по патенту України №№71834, кл. F26B7/10, F26B5/04, C01D3/12]. В основу даного винаходу поставлене завдання удосконалення способу зневоднювання йодиду натрію, котрий забезпечив би підвищення якості зневодненого матеріалу за рахунок запобігання процесу гідролізу солі, і відповідно був би менш енергоємним. Відомо, що при кристалізації з водних розчинів йодид натрію вилучається у вигляді кристалогідрату NaJ×2H2O, який при нагріванні більш 68°С (тиск атмосферний) розкладається з виділенням пару води та утворенням зневодненого йодиду натрію. Процес розкладу кристалогідрату проходить в одну стадію: NаJ×2Н2Отв®NaJтв+2Н2Ог. Утворення проміжних гідратів при зневодненні кристалогідрату йодиду натрію не виявлено. Проте перебіг процесу при нагріванні зазвичай супроводжується процесом гідролізу солі з утворенням домішок з вмістом кисню. Дослідження процесів термодесобції у вакуумі при нагріванні вихідної сировини йодиду натрію, яка придатна для вирощування монокристалів, показали, що в процесі нагрівання в діапазонах температур 180280 та 280-450°С спостерігається виділення пару води [Grinev B.V., Voloshko A. Yu., Smirnov N.N., Sofronov D.S., Shishkin O.V., Babenko Ε.Μ., Sodium iodide (NaJ-2H 2O) dehydration in vacuum.// Functional Materials. - 2004. -V.11 -№3- P.575-579; Sofronov D.S., Grinev B.V., Voloshko A. Yu., Gerasimov V.G., Kisil E.M., Smirnov N.N., Shishkin O.V. Dehydration of the alkali metal iodides in vacuum.// FunctionalMaterials. - 2005. -V.12 -№3 -P.559562], що повязано із присутністю домішкової фази з вмістом гідроксильних груп, кількість яких в йодиді натрію досягає до 10-2мас.%. Для оптимізації умов проведення зневоднювання з метою запобігання гідролізу солі проведені дослідження зневоднювання кристалогідрату в різних умовах. Кристалогідрат одержували при кристалізації йодиду натрію з підкисленого йодоводневою кислотою водного розчину. Як показали дослідження, зневоднювання кристалогідрату йодиду натрію при температурі вище за 35°С супроводжується процесами розкладу, що призводять до утворення фази з вмістом гідроксильних груп. Проте, зневоднювання йодиду натрію у вакуумі без нагрівання є дуже тривалим процесом (зневоднювання 100г. кристалогідрату потребує декілька діб), що робить такий спосіб зневоднювання не продуктивним. Варіюванням вмісту води від 6 до 19мас.% при кристалізації з водного розчину одержували суміш NaJ+NaJ×2H2O з різним вмістом кристалогідрату. Проведення досліджень із сумішшю показали, що в незалежності від вмісту води в вихідній суміші при проведені процесу зневоднення при температурі більш 35°С спостерігається утворення фази з вмістом гідроксильної групи. Таким чином, для запобігання перебігу процесів розкладу солі та утворення домішкової фази, температура процесу зневоднення не повинна перевищувати 35°С. Рішення поставленого завдання забезпечується тим, що в способі зневоднювання йодиду натрію, що включає обробку матеріалу мікрохвильовим полем у вакуумі при постійному тиску, що дорівнює 25-30мм рт.ст., температура, при якій відбувається обробка, дорівнює 25-35°С На відміну від прототипу спосіб зневоднення йодиду натрію за пропонованим винаходом за рахунок зазначеного режиму обробки, а саме НВЧ-нагрівання матеріалу до температури 25-35°С з одночасним безупинним вакуумуванням об'єму до тиску 25-30мм рт.ст., запобігає гідролізу йодиду натрію, забезпечуючи тим самим зменшення вмісту гідроксильних груп, а також зниження енерговитрат. Зниження температури менш 25°С значно вповільнює процес зневоднення і отже у цьому зв’язку є непродуктивним і енергоємним. Проведення зневоднення при температурах більш 35°С призводить до утворення гідроксид іонів (вміст до 10-2мас.%), що знижує якість продукту. Безупинне вакуумування об'єму з матеріалом, що нагрітий НВЧ-енергією до температури 25-35°С, саме до тиску 25-30мм рт.ст. забезпечує узгодження швидкості процесів випарування газоподібної води з йодиду натрію та швидкості процесів видалення газів та вологи з об'єм у. При цих експериментально виявлених технологічних параметрах обробки йодиду натрію практично подавлена реакція гідролізу солі і таким чином маємо безводний продукт, практично вільний від домішок гідроокису. Зниження температурного режиму обробки йодиду натрію сприяє зниженню енергоємності процесу. Спосіб реалізують таким чином. Об'єм з матеріалом (йодид натрію, що одержаний після кристалізації з підкисленого йодоводневою кислотою водного розчину) розміщують в НВЧ-резонаторі, приєднують до систем вакуумування та напуску сухого повітря чи інертного газу. Вакуумують об'єм до тиску 25-30мм рт.ст., після чого включають систему напуску сухого повітря чи інертного газу, і підтримують тиск на рівні 25-30мм рт.ст. Включають НВЧ-генератор та здійснюють НВЧ-нагрівання матеріалу до температури 25-35°С, одночасно безупинно продовжують вакуум ування об'єму, підтримуючи тиск 25-30мм рт.ст. за допомогою напуску в резонатор сухого повітря. Температуру матеріалу контролюють пірометром і підтримують на рівні 25-35°С, регулюючи потужність НВЧгенератора. Приклад. 9кг йодиду натрію, що одержаний після кристалізації з підкисленого йодоводневою кислотою водного розчину, з вологістю 6% (температура кімнатна) завантажують в ампулу діаметром 150мм і висотою 800мм. розташовують ампулу в камері резонатора, приєднують до системи вакуумування та системи напуску сухого повітря. Відкачують об'єм з матеріалом до тиску 25-30мм рт.ст. при кімнатній температурі. Включають систему напуску сухо го повітря (чи інертного газу), підтримуючи тиск на рівні 25-30мм рт.ст. Включають НВЧгенератор, потужністю 500Вт, зневоднюють йодид натрію в умовах мікрохвильового поля при температурі 2535°С на протязі 3 годин. Температура солі контролюється пірометром. Вміст гідроксильних гр уп у йодиді натрію після зневоднення складає менш 10-3мас.%.