Спосіб одержання нітрату графіту, що терморозширюється

Спосіб одержання нітрату графіту, що терморозширюється, який включає обробку природного лускатого графіту димлячою азотною кислотою в умовах безперервного видалення газуватих продуктів з реакційної маси з подальшим сушінням обробленого димлячою кислотою графіту до постійної ваги при температурі навколишнього середовища, який відрізняється тим, що висушений окислений графіт додатково оброблюють цукром у КІЛЬКОСТІ 10 вагових частин на 100 вагових частин окисленого графіту графіту, що терморозширюється, [2], який містить обробку порошку природного графіту протягом 515хв димучою азотною кислотою у КІЛЬКОСТІ 20-70 вагових частин на 100 вагових частин вихідного графіту в умовах перемішування реакційної маси й безперервного вилучення з неї оксидів азоту, що утворюються у ході процесу Відомий спосіб [2] дозволяє одержувати нітрат графіту, що терморозширюється, з коефіцієнтом спучення у діапазоні 50-120см3/г при нагріванні в режимі теплового удару при 600-700°С На відміну від відомого способу [1], спосіб [2] характеризується істотно більш високою економічністю та технологічністю Вказані переваги способу [2] досягаються за рахунок зниження тривалості стадії обробки графіту димучою азотною кислотою з 4год до5-15хв (у 16-48 разів) й зниження витрат димучої азотної кислоти з 400 до 20-70 вагових частин на 100 вагових частин вихідного графіту, тобто у 5,7-20,0 разів Це істотно спрощує технологічну схему процесу за рахунок виключення з неї стадій вилучення кінцевого продукту з реакційної маси й утилізації відпрацьованої концентрованої азотної кислоти Однак, одержуваний за відомим способом [2] нітрат графіту містить на поверхні частинок велику КІЛЬКІСТЬ відпрацьованої концентрованої азотної кислоти 3 цієї причини продукт має високу корозійну активність й його може бути використано тільки для одержання спученого графіту При спученні цього продукту у газову фазу виділяється значна КІЛЬКІСТЬ ВИСОКОТОКСИЧНИХ ОКСИДІВ азоту, що (О со 49369 також звужує коло галузей його практичного використання Крім того, одержувані за відомим винаходом [2] продукти можуть бути ефективно спучені тільки у температурному діапазоні 600-700°С й тільки у режимі ударного нагрівання У лінійному режимі нагрівання такі продукти практично не здатні спучуватися Значення коефіцієнту спучення у вказаному температурному діапазоні для ударного 3 режиму становлять 50-120см /г Підвищення коефіцієнту спучення продуктів за рахунок підйому температури більш ніж 700°С не досягається Найбільш близьким до пропонованого винаходу за технічною сутністю та результатом, що досягається, є спосіб одержання нітрату графіту, який терморозширюється, [3], обраний нами у якості прототипу Спосіб-прототип [3] містить обробку порошку природного графіту протягом 5-15хв димучою азотною кислотою у КІЛЬКОСТІ 20-70 вагових частин на 100 вагових частин вихідного графіту в умовах перемішування реакційної маси й безперервного видалення з неї оксидів азоту, які утворюються у ході процесу, з подальшою сушкою одержаного продукту до постійної ваги при температурі навколишнього середовища Спосібпрототип [3] дозволяє одержувати продукти з коефіцієнтом спучення при 900°С в ударному режимі нагрівання у діапазоні від 110 до 350см3/г й з коефіцієнтом спучення при 900°С в лінійному режимі нагрівання у діапазоні від 15 до 50см3/г Основним недоліком способу-прототипу [3] є неможливість одержання продуктів з коефіцієнтами спучення в ударному та лінійному режимах нагрівання при 900°С, що виходять за верхні межі вказаних діапазонів Однак для більш ефективного використання графітів, що терморозширюються, необхідно мати більш високі значення вказаних параметрів [4-6] В основу пропонованого винаходу покладено задачу одержання нітрату графіту, що терморозширюється, зі значеннями коефіцієнта спучення при 900°С які, як в ударному, так і в лінійному режимі нагрівання перевищують значення вказаного параметру не менш ніж у 1,3 рази у порівнянні з продуктами, одержуваними за відомим способомпрототипом [3] Рішення поставленої задачі у пропонованому способі досягається за рахунок того, що, на відміну від відомого способу-прототипу [3], який містить обробку порошку природного лускатого графіту протягом 5-15хв димучою азотною кислотою у КІЛЬКОСТІ 20-70 вагових частин на 100 вагових частин вихідного графіту в умовах перемішування реакційної маси й безперервного вилучення з неї оксидів азоту, які утворюються по ходу процесу, й подальшу сушку окисленого азотною кислотою графіту до постійної ваги при температурі навколишнього середовища, висушений продукт додатково оброблюють цукром у КІЛЬКОСТІ 10 вагових частин на 100 вагових частин окисленого графіту Істотною ВІДМІНОЮ пропонованого способу від прототипу є додаткова обробка окисленого графіту цукром Реалізація пропонованого способу дозволяє одержувати нітрат графіту, що терморозширюється, який характеризується значеннями коефіцієнту спучення при 900°С в ударному режимі нагрівання 00 3 Кс =145-455см /г, що у 1,3 рази вище значення цього параметру для продуктів, одержаних за способом -прототипом [3], що забезпечує досягнення технічного ефекту за вказаним параметром Досягнення технічного ефекту пропонованого винаходу також забезпечується й за значенням коефіцієнта спучення при 900°С у лінійному режимі нагрівання значення вказаного параметра становлять 50-165 смЗ/г, що у 3,3 рази вище, чим для продуктів, одержаних за способом-прототипом [3] Таким чином, технічні ефекти, що досягаються при реалізації пропонованого винаходу, повністю вирішують задачі, покладені у його основу Експериментальним шляхом встановлено, що витрати цукру, який використовують для обробки окисленого графіту, становлять 10 вагових частин на 100 вагових частин окисленого графіту При таких витратах цукру досягається одночасне підвищення значень коефіцієнту спучення продукту при 900°С в ударному та лінійному режимах нагрівання не менш ніж в 1,3 рази, що забезпечує досягнення технічного ефекту пропонованого винаходу за вказаними параметрами Підвищення витрат цукру є недоцільним, оскільки не веде до підвищення значень коефіцієнту спучення нітрату графіту при 900°С в ударному та лінійному режимах нагрівання у порівняні з одержаними значеннями Використання цукру у КІЛЬКОСТІ менш, ніж 10 вагових частин на 100 вагових частин окисленого графіту є неприпустимим, оскільки підвищення коефіцієнту спучення при 900°С в ударному режимі нагрівання становить менш, ніж в 1,3 рази, що не забезпечує досягнення технічного ефекту пропонованого винаходу за вказаним параметром Підвищення значення коефіцієнту спучення нітрату графіту при 900 °С у лінійному режимі нагрівання в 1,3 рази забезпечується вже при витратах цукру 2 вагові частини на 100 вагових частин окисленого графіту, однак при цьому підвищення значення коефіцієнту спучення нітрату графіту при 900°С в ударному режимі нагрівання становить тільки в 1,04 рази Ефекти, одержані при реалізації пропонованого винаходу, можна пояснити наступним чином У результаті обробки окисленого графіту цукром утворюється компаунд, у якому кожна частка сполуки штеркалювання графіту вкрита шаром з часток цукру При нагріванні такого компаунду відбувається займання й подальше повне згорання часток цукру, у результаті чого відбувається виділення додаткової КІЛЬКОСТІ тепла При цьому нагрівання кожної частки окисленого графіту здійснюється як за рахунок тепла, що підводиться від зовнішнього нагрівача, так і за рахунок додаткового тепла, яке виділяється безпосередньо біля частинки окисленого графіту за рахунок згорання оболонки з цукру Наслідком такого режиму підводу тепла є підвищення швидкості нагрівання часток окисленого графіту, що, в свою чергу, веде до істотного збільшення коефіцієнта спучення продукту Для реалізації пропонованого способу використовували природний лускатий графіт марки ГТ-1 за Держстандартом СРСР 4596-75 виробництва Зваль'євського графітового комбінату (Україна), 49369 димучу азотну кислоту марки А за Держстандартом СРСР 701-89 з густиною 1,5г/см3, цукор-пюок за ДСТУ 2316-93, який додатково на протязі 1хв здрібнювали з використанням електричного млина для кофе Обробку графіту димучою азотною кислотою за пропонованим способом та способомпрототипом здійснювали у відкритому скляному циліндричному реакторі МІСТКІСТЮ 300СМ3, ЯКИЙ обладнано Т-подібною мішалкою з нержавіючої сталі, що обертається зі швидкістю 100±10хв 1 Для перемішування реакційної маси використовували універсальний лабораторний змішувач MPW 309 Завантаження вихідного графіту у всіх випадках було постійним й становило 25г Реактор встановлювали у витяжну шафу й обробку графіту азотною кислотою проводили при працюючій системі вентиляції Синтезовані зразки нітрату графіту переносили у скляні чашки Петрі з внутрішнім діаметром 105мм, розподіляли їх рівномірним шаром й залишали у контакті з повітрям при температурі 20-25°С на 17 діб Хід сушки контролювали шляхом періодичного зважування зразків Додаткову обробку одержаного сухого окисленого графіту цукром здійснювали у тій же установці, у якій проводили обробку графіту димучою азотною кислотою Завантаження сухого окисленого графіту в усіх випадках було постійним і становило 25г У реактор засипали наважки окисленого графіту і цукру й перемішували протягом Юхв Коефіцієнт спучення (Кс) продуктів, що одержано за пропонованим способом та за способомпрототипом [3], у режимі теплового удару при 900°С (К с 9 0 0 у д ) визначали наступним чином У розігріту до температури 900°С муфельну піч (СНОЛ 1,6 2,5 1/9-13) встановлювали кювету з нержавіючої сталі МІСТКІСТЮ 150см 3 Наважку продукту масою т=(0,2-0,3)г вносили у розігріту кювету, встановлену у печі, й тримали там до повного спучення протягом 60с У результаті нагрівання у режимі теплового удару відбувалося спучення продукту Кювету з одержаним спученим графітом виймали з печі, обережно переносили її вміст у скляний вимірювальний циліндр й вимірювали об'єм (V,CM 3 ), зайнятий спученим графітом Значення коефіцієнту спучення визначали з співвідношення K c 9 O O y f l =v/(ma) (де a - частина окисленого графіту у його суміші з цукром) як середнє арифметичне з трьох паралельних вимірювань Допустима розбіжність між паралельними визначеннями параметру К с 9 0 0 у д становила 5% Визначення коефіцієнту спучення одержаних продуктів при 900 °С у лінійному режимі нагрівання (К с 9 0 0 л і н ) проводили аналогічним шляхом, але наважку вносили у холодну кювету й потім витримували и у муфельній печі при 900°С протягом 2хв Винахід далі ілюструється прикладами Приклад 1 прототипом [3]) (порівняльний, за способом У реактор завантажують 25г природного графіту й оброблюють його протягом Юхв димучою азотною кислотою, узятою в КІЛЬКОСТІ 5Г (20 вагових частин на 100 вагових частин вихідного графіту) Одержаний нітрат графіту сушать протягом 17 діб на повітрі при температурі навколишнього середовища (20-30°С) Одержують нітрат графіту, що терморозширюється, (окислений графіт) з коефіцієнтом спучення при 900°С в ударному режимі нагрівання 110см 3 /г й з коефіцієнтом спучення при 900°С у лінійному режимі нагрівання 15см 3 /г Приклади 2-6 (порівняльні, за способомпрототипом [3]) Графіт оброблюють як в прикладі 1, але при цьому варіюють КІЛЬКІСТЬ димучої азотної кислоти, яку вводять у реактор Характеристики одержаних при цьому нітратів графіту, що терморозширюються, наведено в т а б л 1 Таблиця 1 Характеристики нітратів графіту, що терморозширюються, одержаних за способом-прототипом [3] (витрати димучої азотної кислоти, [НІЧОз], наведено у вагових частинах на 100 вагових частин вихідного графіту) № прикладу [HNO 3 ] 1 2 3 4 5 6 20 36 42 54 60 70 Ко у и и у д , см^/г, КС9ООЛІН, см 3 /г, ударний реЛІНІЙНИЙ режим жим нагрінагрівання вання 110 190 240 285 310 350 15 28 36 42 46 50 Наведені в табл 1 дані показують, що одержувані за способом-прототипом [3] продукти мають значення коефіцієнту спучення при 900°С в ударному режимі нагрівання у діапазоні від 110 до 350см 3 /г й значення коефіцієнту спучення при 900°С в лінійному режимі нагрівання у діапазоні від 15 до 50см 3 /г Приклад 7 До 25г одержаного у прикладі 5 окисленого графіту додають 2,5г цукру (10 вагових частин цукру на 100 вагових частин окисленого графіту) й усереднюють одержану суміш шляхом перемішування протягом Ю х в Характеристики одержаного продукту наведено в т а б л 2 Приклади 8-9 Нітрат графіту, що терморозширюється, одержують як у прикладі 7, але при цьому варіюють КІЛЬКІСТЬ цукру, що використовують для обробки окисленого графіту Характеристики одержаних продуктів наведено в т а б л 2 49369 Порівняння хараісгеристик нітратів графіту, що терморозширюються, одержаних за способом-прототипом [3] (приклад 5) й за пропонованим способом (приклади 7-9) Обґрунтування витрат цукру, що заявляються Таблиця 2 уд Кс , см /г, ударний К с 9 О О л і н см 3 /г, ЛІНІЙНИЙ 6 6 режим нагрівання' режим нагрівання' ІВ 5 О 310 46 ІГ 7 1О 403 152 ІД 8 402 152 25 9 322 60 |а Вагові частини на 100 вагових частин окисленого графіту, (б Значення коефіцієнту спучення визначено у розрахунку на вагу сухого окисленого графіту, що знаходиться у 1 г його суміші з цукром, За способом-прототипом [3], (г Витрати цукру, що заявляються, (д Витрати цукру поза верхньою межею, що заявляється, (е Витрати цукру поза нижньою межею, що заявляється № прикладу Витрати цукру (а Дані, наведені в табл 2, показують, що додаткова обробка висушеного окисленого графіту цукром у КІЛЬКОСТІ, що заявляється, (порівняння даних прикладів 5 та 7) веде до одночасного підвищення коефіцієнту спучення нітрату графіту, що терморозширюється, при 900°С у лінійному та ударному режимах нагрівання не менш ніж у 1,3 рази, що забезпечує досягнення технічного ефекту пропонованого винаходу за вказаними параметрами Дані для зразка нітрату графіту, що терморозширюється, одержаного у прикладі 8 (при витраті цукру поза верхньою межею), ілюструють недоцільність використання цукру у КІЛЬКОСТІ більш 10 вагових частин на 100 вагових частин сухого окисленого графіту Дані для зразка, одержаного у прикладі 9 ілюструють неприпустимість використання цукру у КІЛЬКОСТІ менш 10 вагових частин на 100 вагових частин окисленого графіту Приклад 10 До 25г одержаного у прикладі 1 продукту додають 2,5г цукру (10 вагових частин цукру на 100 вагових частин окисленого графіту) й усереднюють одержану суміш шляхом перемішування протягом Юхв Характеристики одержаного нітрату графіту, що терморозширюється, наведено у табл 2 Приклад 11 До 25г одержаного у прикладі 2 продукту додають 2,5г цукру (10 вагових частин цукру на 100 вагових частин окисленого графіту) й усереднюють одержану суміш шляхом перемішування протягом Юхв Характеристики одержаного нітрату графіту, що терморозширюється, наведено у табл 2 Приклад 12 До 25г одержаного у прикладі 3 продукту додають 2,5г цукру (10 вагових частин цукру на 100 вагових частин окисленого графіту) й усереднюють одержану суміш шляхом перемішування протягом Юхв Характеристики одержаного нітрату графіту, що терморозширюється, наведено у табл 2 Приклад 13 До 25г одержаного у прикладі 4 продукту додають 2,5г цукру (10 вагових частин цукру на 100 вагових частин окисленого графіту) й усереднюють одержану суміш шляхом перемішування протягом Юхв Характеристики одержаного нітрату графіту, що терморозширюється, наведено у табл 2 Приклад 14 До 25г одержаного у прикладі 6 продукту додають 2,5г цукру (10 вагових частин цукру на 100 вагових частин окисленого графіту) й усереднюють одержану суміш шляхом перемішування протягом Юхв Характеристики одержаного нітрату графіту, що терморозширюється, наведено у табл 2 Таблиця З Характеристики терморасширяющихся нитратов графита, полученных по и по заявляемому способу К с у и и у д , см^/г, ударний К в У и и , см^/г, ЛІНІЙНИЙ рережим нагрівання жим нагрівання' 6 10 10 145 50 11 10 247 93 12 10 312 119 13 10 403 139 14 10 455 165 |а Вагові частини на 100 вагових частин окисленого графіту, (6 Значення коефіцієнту спучення визначено у розрахунку на вагу сухого окисленого графіту, що знаходиться у 1 г його суміші з цукром, № прикладу Витрати цукру |а 49369 Порівняння даних, наведених в табл 1-3, показує, що додаткова обробка окисленого графіту цукром у КІЛЬКОСТІ 10 вагових частин на 100 вагових частин окисленого графіту, дозволяє одержувати нітрат графіту, що терморозширюється, з коефіцієнтом спучення при 900°С в ударному рел жимі нагрівання у діапазоні 145-455 см /г й з коефіцієнтом спучення при 900°С у лінійному режимі нагрівання у діапазоні 50-165см /г Джерела інформації 1 А с 1657474 СССР МКИ5 С 01 В 31/04 Способ получения термически расширенного графита /Г И Тительман, Д М Бочкис, Э В Горожанкин и др -1991 2 Пат 31278 А Україна, МПК6 С 01 В 21/36, С 06 В 47/04, С 01 В/31/04 Спосіб утилізації тетроксиду діазоту - окислювача ракетного палива, з одержанням терморозширюваного нітрату графіту 10 /О П Ярошенко, М В Савоськін, Л М Капкан 2000 3 Заявка 2001075194 Україна, МПК7 С 01 В/31/04 Спосіб одержання нітрату графіту, що терморозширюється /О П Ярошенко, М В Савоськін, В І Шологон, Р Д Мисик, Г О Вайман -2001 (прототип) 4 Ярошенко А П , Попов А Ф , Шапранов В В Технологические аспекты синтеза солей графита //Ж прикл химии, 1994, Т 67, №2 С 204-211 5 Toyoda M , Inagaki M Heavy oil sorption using exfoliated graphite New application of exfoliated graphite to protect heavy oil pollution // Carbon, 2000, V 38, №2 P 199-210 6 Reynolds R A , Gremke R A Influence of expansion volume of intercalated graphite on tensile properties of flexible graphite //Carbon, 2001, V 39, №3 P 479-481 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71