Спосіб визначення капілярної пористості дисперсних матеріалів

Изобретение относится к анализу материалов путем измерения их физических свойств, в частности к определению пoристости дисперсных материалов и может быть использовано при определении капиллярной пористости каменноугольного топлива, пористого керамического наполнителя и т.д. Известен способ определения пористости порошковых углеродистых материалов (Авт. св. СССР № 363896, кл. G 01 N 9/00, 1970, Бюл. № 4, 1973), включающий засыпку сухого материала с заданным весом в сухой пикнометр, взвешивание пикнометра со всем содержимым, заполнение пикнометра водным раствором неорганической соли аммония взвешивание после удаления воздуха и установления равновесия мениска жидкости и расчет пористости составляющих материал частиц по известному выражению. Как следует из технической сущности, способ позволяет определить пористость по известной плотности материала, то есть только в случае мономинерального состава, и не пригоден для определения пористости дисперсных частиц каменноугольного топлива, содержащего минеральные примеси. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения пористости капиллярно-пористых материалов (Авт. св. СССР, № 494665, кл. G 01 N 15/08, 1974, Бюл. Ns 8,1975). Способ включает пропитку жидкостью сухого материала с заданным весом, извлечение пропитанного материала из жидкости и выдержку его в среде насыщенного пара пропитывающей жидкости заданное время, после чего материал взвешивают и рассчитывают пористость составляющих материал частиц по формуле где П1 - пористость, см3/г; Р2 - масса материала после пропитки, г; P1 - масса исходного материала, г; d - плотность пропитывающей жидкости, г/см3. Способ позволяет удалить адсорбированную поверхностью частиц жидкость и частично исключить ее отрицательное влияние на результат определения капиллярной пористости капиллярно-пористых материалов, что позволяет повысить точность определения пористости указанных материалов. Нами была проверена эффективность известного способа на высокодисперсном материале, в качестве дисперсного материала использовали измельченный каменный уголь Кузбасского месторождения (шахта Инская) фракции с удельной поверхностью 4,1 м2/г, содержащий 15,4 маc. % минеральных примесей (кварц, каолинит, доломит, кальцит и др.). Пробу угля высушивали при 105°С до постоянного веса, взвешивали, насыщали навески дистиллированной водой, извлекали их из воды и выдержали над ней (в среде насыщенного пара) в течение 120, 150 и 180 минут с последующим взвешиванием навесок и расчетом открытой капиллярной пористости. Полученная открытая капиллярная пористость материала навесок составила 7,3; 5,6 и 4,1, см3/г соответственно. Относительная ошибка определения 28,3% (таблица, пример 7). Низкая точность известного способа для высокодисперсных материалов обуславливается наличием стыковочной жидкости между контактирующими частицами, которая не может быть удалена без частичного удаления капиллярной влаги. Пока время испарения недостаточно для испарения адсорбционной и стыковочной жидкости (120 мин) получается завышенная открытая капиллярная пористость материала - 7,3 см3/г, а при достаточном времени испарения (180 мин) открытая капиллярная пористость материала получается заниженной - 4,1 см3/г. Таким образом, известный способ не позволяет с высокой точностью определять капиллярную пористость высокодисперсных материалов. В основу изобретения поставлена задача разработать способ определения капиллярной пористости дисперсных материалов, основанный на их пропитке, в котором обработка материала раствором соли различной концентрации и дополнительное определение концентрации используемых растворов позволяют исключить отрицательное влияние адсорбированной поверхностью частиц жидкости на результат определения. Это повышает точность определения капиллярной пористости высокодисперсных материалов, которая характеризуется относительной ошибкой 2,6-4,1 %. Для решения поставленной задачи предложен способ определения капиллярной пористости дисперсных материалов, включающий его пропитку жидкостью, в котором, согласно изобретению, дисперсный материал пропитывают раствором неорганической соли, определяют концентрацию С1 и массу P1 раствора (1) после пропитки, добавляют к системе раствор (2) той же соли концентрации С2 и массой Р2, определяют концентрацию Ск полученного раствора и рассчитывают капиллярную пористость П дисперсного материала по выражению где П - капиллярную пористость, см3/г: Ск- концентрация полученного раствора, %; P1 - масса раствора (1), г: Р2- масса раствора (2), г; С1 - концентрация раствора (1), %;. С2- концентрация раствора(2), %; d - плотность растворителя, г/см ; МДм - масса дисперсного материала, г, при этом капиллярную пористость дисперсных материалов при наличии в них растворимых примесей рассчитывают по выражению где Р1 - масса раствора (1) (масса пропитывающего раствора), г; С0 - концентрация пропитывающего раствора, %. Насыщение материала раствором соли заданной концентрации с определением его концентрации и массы, добавление в пропиточный объем раствора соли заданного объема, но другой концентрации и определение концентрации полученного раствора позволяют исключить отрицательное влияние адсорбированной поверхностью частиц жидкости на результат определения и заменить весовой метод определения более точным концентрационным. Это приводит к достижению обеспечиваемого изобретением технического результата - повышение точности определения капиллярной пористости дисперсных частиц. Следует отметить, что использование формулы (II) позволяет исключить отрицательное влияние на точность определения растворимых в пропитывающий жидкости. Способ реализуется следующим образом, Дисперсный материал высушивают при 105°С до постоянного веса, взвешивают порцию и засыпают ее в цилиндрическую емкость с крышкой со штуцером. Заливают в емкость 5-15 %-ный раствор неорганической соли, закрывают герметично емкость и вакуумируют при разряжении 0,90,95 кГ/см2 20-40 мин. Затем вакуум отключают, снимают крышку, отбирают пробу раствора и определяют концентрацию раствора, например солемером типа ГМ-65М. Далее взвешивают пропиточную емкость с оставшейся частью раствора и добавляют предварительно взвешенный 15-30 %-ный раствор той же соли, и после 10-20 секундного перемешивания раствора отбирают пробу раствора и определяют его концентрацию. Затем рассчитывают капиллярную пористость дисперсного материала по предложенным выражениям (1) или (2). Пример 1. В качестве дисперсного материала использовали измельченный каменный уголь Кузбасского месторождения (шахты Инская) фракции с удельной поверхностью 4,1 м2/г, содержащий 15,4 мас.% минеральных примесей (кварц, каолинит, доломит, кальцит и др.). Для пропитки использовали раствор хлористого калия. Определение проводили следующим образом. Высушивали при 105°С до постоянного веса порошок каменного угля, взвешивали три порции массой Мдм=100 г и засыпали их в цилиндрические емкости с крышкой со штуцером. Заливали в емкости 10 %-ный раствор хлористого калия закрывали их герметично и вакуумировали при разряжении 0,9 кГ/см2 в течение 30 мин. Затем вакуум отключали, снимали крышки, отбирали пробы раствора (1) и определяли их концентрации солемером типа ГМ-65М: C1,1=9,8769 %; С1,2=9,8774%; С1,3=9,8765 %. Далее взвешивали цилиндрические емкости с оставшейся частью раствора (P1,1=90,60 г, P1,2=90,71 r и Р1,3=90,76 г) и добавляли в них по 100 г 20%-но.го раствора КСІ (Р2=100 г, С2=20%). Смешивание растворов проводили в течение 10, 15 и 20 с, после чего отбирали пробы растворов и определяли их концентрации солемером: Ск,1=15,3539; Ск.2=15,3578 и Ск.3=15,3516 %. Затем рассчитывали капиллярную пористость дисперсного угля для каждой навески. Открытая капиллярная пористость материала навесок составила Пі=1=5,20; Пі =2=5,41 и Пi=3=5,28 см3/г соответственно. Относительная ошибка рассчитывалась по выражению где `П - среднеарифметическое значение пористости; n - число определений (і - номер опыта). Далее пробы промывали дистиллированной водой. Аналогично предыдущему примеру конкретного выполнения была определена капиллярная пористость высокодисперсных материалов различной природы (каменный уголь, кордиеритовая керамика с удельной поверхностью 3,2 м2/г) с использованием разных неорганических солей (KCl, NaCI, NaNО3). Пример 2. После определения капиллярной пористости угля с использованием раствора NаNО3 слили из проб излишки растворов, высушили пробы до постоянного веса и определение повторили, но в качестве пропитывающего раствора брали по 100 г 10 %-ного раствора КСl на пробу. Так как на поверхности и в капиллярах частиц угля оставался раствор, то после высушивания пробы содержали растворимые в воде примеси NaNO3. Для первой пробы (весом 100 г, при концентрации раствора после пропитки 10.1340 %, после смешивания со 100 г 20 % ного раствора KCI получили концентрацию Ск=15,2133%. Расчет пористости для этой пробы по выражению (II): Для второй и третьей проб капиллярная пористость составила соответственно 5,44 и 5,16 г/см3. При этом относительная ошибка определения составила 4,0 % (таблица, пример 4). В таблице приведены результаты определений капиллярной пористости дисперсных материалов различной природы с использованием разных неорганических солей. Как следует из таблицы, предложенный способ позволяет с высокой точностью, характеризуемой относительной ошибкой на уровне 2,6-4,1 %, определить капиллярную пористость дисперсных материалов. В то же время, по известному способу относительная ошибка при определении капиллярной пористости дисперсных материалов составляет 24,9-28,3 %. Таким образом, использование заявляемого способа повышает точность определения капиллярной пористости дисперсных материалов в 6 - 8 раз. Для водоугольиых топливных смесей заявляемый способ позволяет обеспечить высокую степень сгорания и стабильность их свойств, т.е. снизить топливные затраты и загрязнение окружающей среды.