Швидкорозчинна суспензія поліетиленоксиду

Реферат: UA 91068 U UA 91068 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель стосується області зниження гідродинамічного опору об'єктів при форсованих режимах їх руху у воді, збільшення пропускної здатності трубопроводів систем пожежогасіння, каналізації, аварійного відкачування води, а також до різноманітних технологічних процесів, які характеризуються використанням великої кількості водних розчинів високомолекулярного поліетиленоксиду (ПЕО), наприклад для покращення екологічної ситуації на великих тваринницьких комплексах за рахунок зменшення швидкості біохімічних реакцій розкладу гною. При введенні порошкоподібного високомолекулярного ПЕО у воду відбувається злипання його частинок. Це є причиною різкого зменшення швидкості його розчинення. Однорідні розчини, при повільному перемішуванні, можуть бути отримані через декілька десятків годин. У зв'язку з цим при практичному використанні виникає необхідність застосування спеціальних мішалок і ємностей великого об'єму для приготування і зберігання розчинів. Очевидно, що у ряді випадків, наприклад, на автономних об'єктах, реалізувати такий спосіб приготування полімерних розчинів практично неможливо. При високоефективному використанні ПЕО для зниження гідродинамічного опору об'єктів, що рухаються у воді, час розчинення полімеру, як правило, не повинен перевищувати 10-20 секунд. Такий же термін приготування полімерних розчинів і в інших технологічних процесах. Відомий склад водорозчинної полімерної суспензії, до якої входять: дисперсійне середовище (ДС) - гліцерин і дисперсна фаза - порошкоподібний ПЕО [1]. Швидкість розчинення цього складу у воді значно більша швидкості розчинення порошкоподібного ПЕО. Проте висока в'язкість гліцерину як дисперсійного середовища у якому знаходиться ПЕО, обумовлює низьку швидкість розчинення полімеру. У зв'язку з цим ступінь розчинення ПЕО за декілька десятків секунд розчинення залишається невисокою. У авторському свідоцтві [2] приведена суспензія, до складу якої входять ПЕО і оксиетильована суміш моно- і дипентаеритриту. Швидкість розчинення полімеру під час змішування цієї суспензії з водою більша, у порівнянні з суспензією, до складу якої входять гліцерин і порошок ПЕО [1], але залишається низькою. У патенті на винахід [3] приведена суспензія, до складу якої входять: порошок ПЕО, пропіленгліколь, неіоногенна ПАР (0÷5) % і загусник (алюмінієва пудра) (0,1÷5) %. Менша в'язкість цієї суспензії, в порівнянні з попередніми [1, 2], підвищує швидкість і, відповідно, ступінь розчинення ПЕО у воді. Проте в'язкість пропіленгліколю, як основної складової частини дисперсійного середовища, порівняно висока і, внаслідок цього, швидкість розчинення ПЕО залишається низькою. Найбільш близьким по технічній суті і ефекту, що досягається, є склад суспензії, який приведено в патенті [4]. Порошкоподібний ПЕО (розміри частинок 50÷250 мкм) змішується з водорозчинним рідким дисперсійним середовищем (що не розчиняє ПЕО) у присутності неіонної ПАР (0÷5) %, яка сумісна з ДС і сприяє видаленню шару, який з неї сформувався на поверхні полімерних частинок при їх змішуванні з водою. До складу таких суспензій також входить, у разі потреби (при малому вмісті полімеру), інертний загусник (наприклад алюмінієва пудра) в кількості (0,1÷5) % від маси композиції. При цьому найбільш висока швидкість розчинення досягається в тих випадках, коли як ДС використовують етиленгліколь, величина в'язкості якого менша за в'язкість пропіленгліколю і, тим більше, в'язкості гліцерину. Недоліком цього складу є те, що швидкість розчинення ПЕО і, отже, ступінь його розчинення за 10÷20 секунд все ж таки залишаються малими. Крім цього, суспензія має досить велику в'язкість. Це затрудняє її практичне використання в системах подачі і дозування при концентрації порошку полімеру (25÷30) %. При цьому особливо слід зазначити, що (70÷75) % маси таких суспензій складає дисперсійне середовище. Такий вміст ДС в суспензії, яка гідродинамічно неактивна, а використовується тільки для дозування ПЕО і підвищення швидкості його розчинення, призводить до невиправданих витрат на її транспортування. Особливо це важливо для автономних об'єктів, в яких відсутні вільні об'єми для розміщення суспензії. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення складу суспензії поліетиленоксиду, з метою підвищення ефективності використання ПЕО, за рахунок збільшення швидкості, а, отже, і ступеню його розчинення, на заданий момент часу (до 20 секунд) за рахунок зменшення в'язкості суспензії й маси дисперсійного середовища. Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що в суспензії, що містить активну речовину та ДС, згідно з корисною моделлю, як активну речовину використовують порошкоподібний поліетиленоксид, а як ДС використовують водні розчини гідроокисів лужних металів при наступному співвідношенні компонентів, ваг. %: 60 1 UA 91068 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ПЕО 5÷34 водний розчин гідроокису лужного металу (Li, або К, або Na) решта. Як водні розчини гідроокису лужного металу можуть бути використані розчини гідроокису літію (з концентрацією від 7 до 11 ваг. %), або розчини гідроокису натрію (з концентрацією (9÷28) %), або розчини гідроокису калію з концентрацією (12÷31) %. При цьому для приготування ДС запропонованих суспензій для об'єктів, які рухаються у воді, доцільно використовувати забортну воду. У наукових виданнях не виявлені дані про можливість використання водних розчинів гідроокису лужних металів у якості дисперсійних середовищ для приготування суспензій на основі ПЕО. Приклади конкретного виконання Приклад 1 4,6 г гідроокису літію розчиняли у 61,4 мл води. В приготовлений таким чином розчин (ДС), 6 при температурі 20 °C, вводили 34,0 г порошкоподібного ПЕО з молекулярною масою 6·10 . Отриману суміш перемішували протягом п'яти хвилин. Після цього суспензію розчиняли у воді. Результати випробувань показали, що ступінь розчинення ПЕО з такої суспензії дорівнює 27 %, величина ефекту зниження гідродинамічного опору в такому розчині - 39,5 %, умовна в'язкість (час витікання повного об'єму суспензії) - 45 секунд, маса безводних компонентів суспензії - 38,6 г, а маса розчиненого ПЕО - 9,2 г. Приклади 2-27 За методикою, яка використовувалась в прикладі 1, готували суспензії ПЕО. Вміст компонентів в таких суспензіях і результати випробувань приведені в таблиці. Приклад 28 (Прототип) 52,3 мл етиленгліколю змішували з 4,0 г неіонної ПАР (ОП - 10) і 4,0 г загусника (алюмінієвої пудри). Отриману суміш ретельно перемішували. У приготовлене таким чином дисперсійне 6 середовище при температурі 20 °C вводили 34,0 г ПЕО з молекулярною масою 6·10 і перемішували отриману суміш протягом 5 хвилин. Після цього суспензію розчиняли у воді. Ступінь розчинення такої суспензії складає 9 %, величина ефекту зниження гідродинамічного опору в однорідних розчинах - 19,8 %, умовна в'язкість - 416 секунд, маса безводних компонентів суспензії - 100,0 г, маса розчиненого ПЕО - 3,4 г. Приклади 29-35. (Прототипи) За методикою, яка була використана в прикладі 28, готували суспензії ПЕО. Вміст компонентів в суспензіях і результати їх випробувань приведені в таблиці. При випробуваннях дослідних зразків суспензій використовували ПЕО виробництва Новосибірського НДІ хімічних технологій (Росія), партія 2ОН-83 з розміром полімерних часток 6 50-400 мкм і молекулярною вагою М=6·10 . При цьому вміст ПЕО в запропонованих суспензіях не перевищував 34 % ваг. Подальше збільшення вмісту полімеру різко підвищувало в'язкість суспензій і, внаслідок цього, знижувало швидкість розчинення полімеру. Використання суспензій, які містять менше 5 % ПЕО, вважається недоцільним, оскільки невиправдано збільшуються витрати гідроокисів металів на приготування дисперсійного середовища, а сама суспензія буде займати значно більші об'єми. Під час випробувань як дисперсійні середовища були використані водні розчини гідроокисів лужних металів вказаних раніше концентрацій. Нижні межі концентрацій цих гідроокисів в ДС обумовлені тим, що подальше зниження їх вмісту приводить до розчинення частинок ПЕО, втраті плинності суспензії і неможливості її використання за призначенням. Максимальна концентрація гідроокису літію, яка дорівнює 11 %, обмежена розчинністю цього з'єднання у воді. Для гідроокисів натрію і калію використання концентрацій вище 28 % і 31 %, відповідно, вважається недоцільним у зв'язку зі зниженням ступеню розчинення ПЕО в результаті підвищення в'язкості і щільності дисперсійного середовища. Внаслідок цього диспергованість частинок ПЕО, при розчиненні суспензії у воді, погіршується. Для проведення випробувань приготовлену суспензію ПЕО вводили у воду, визначали ступінь розчинення полімеру на даний момент часу, яка характеризує швидкість його розчинення, величину ефекту зниження гідродинамічного опору в однорідних розчинах, а також в'язкість суспензії. Ступінь розчинення ПЕО визначали на установці, яка являє собою металевий циліндр з внутрішнім діаметром 76 мм і висотою 100 мм, в якому оберталася з кутовою швидкістю 2700 об/хв дискова мішалка діаметром 18 мм. У цій установці проводили розчинення 6,0 г суспензії ПЕО в 400 мл водипротягом 20 секунд. Після цього розчин піддавали п'ятихвилинному 2 UA 91068 U 5 10 15 центрифугуванню для виділення розчиненого ПЕО від ПЕО, який знаходиться у гелеподібному стані. Центрифугування здійснювали на центрифузі ОПн - 3 при швидкості обертання ротора 3000 об/хв. Потім з використанням капілярного віскозиметра ВПЖ - 2 вимірювали в'язкість розчину ПЕО з метою визначення концентрації полімеру, що розчинився. По раніше отриманій тарувальній кривій залежності в'язкості в однорідному розчині від концентрації ПЕО визначали кількість розчиненого полімеру у суспензії. (Під мірою розчинення мають на увазі відношення маси ПЕО, що розчинився за 20 секунд до загальної маси введеного в мішалку полімеру). Використовуючи отримані дані розраховували масу розчиненого ПЕО, масу безводних компонентів суспензії, а також вміст ПЕО в безводних компонентах суспензії. Гідродинамічну ефективність розчинів ПЕО (величину ефекту зниження гідродинамічного опору Δλ/λ, %) визначали після 300-кратного розбавлення концентрованих розчинів водою. Дослідження проводили на установці з похилою скляною трубкою довжиною 3,2 м і внутрішнім -3 4 діаметром 10,5·10 м при числі Рейнольдса, розрахованому по в'язкості води, рівному 1,5·10 . Перепад тиску визначали рідинним диференціальним манометром на вимірювальній ділянці трубки довжиною 1,0 м. Величину ефекту зниження гідродинамічного опору розраховували по формулі: 2  hp  p    100 % ,  / , )%  1   2  hв  в   де  в ,  р - час витікання рівних об'ємів води і розчину ПЕО через трубку, відповідно; 20 25 30 35 40 h в , h p - перепади тиску на ділянці трубки при витіканні води і розчину, відповідно. Помилка визначення величини  /  не перевищувала 1,0 %. В'язкість суспензії визначали з використанням віскозиметру ВЗ - 4 шляхом виміру часу витікання певної кількості суспензії через калібрований насадок. Усі дослідження були проведені при температурі 20 °C. Приготування суспензій проводили шляхом ретельного змішування дисперсійного 4 середовища з порошкоподібним ПЕО на лопатевій мішалці при числі Рейнольдса Re = 10 . Аналіз і порівняння параметрів запропонованих суспензій (приклади 1-27) і відомих складів (приклади 29-35) показують: а) ступінь розчинення ПЕО, при однаковому вмісті полімеру, в запропонованих суспензіях при змішуванні з водою збільшується в 2-3 рази, що забезпечує підвищення величини ефекту зниження гідродинамічного опору розчинів в 1,5-2 рази у порівнянні з відомими суспензіями; б) маса компонентів в запропонованих суспензіях ПЕО, які підлягають транспортуванню, зменшується в 2-3 рази за рахунок використання, наприклад, забортної води для об'єктів, що рухаються у воді, як основного по об'єму і масі компонента дисперсійного середовища; в) при одній і тій же масі безводних складових речовин суспензії, що транспортуються, кількість розчиненого ПЕО зростає в 4-15 разів; г) в'язкість 25 %-ної суспензії ПЕО відомого складу відповідає в'язкості 33 %-ої суспензії запропонованого складу, що дозволяє при одних і тих же технічних характеристиках системи подачі і дозування суспензій в генератор приготування розчинів підвищити вміст полімеру з 25 % до 33 % ваг. В результаті цього маса розчиненого ПЕО збільшується в 6-20 разів. 3 UA 91068 U Таблиця Склад та результати випробувань суспензій ПЕО Дисперсійне Маса середовище (ДС) Молеку- ПЕО, г Ступінь безвод№ Умовна Маса лярна (вміст розчиних МеОН, г прив'язрозчинеГідроокис маса ПЕО в компонен(його ДС, г нення клакість, ного Н О, лужного ПриміПЕО, суспензії, 2 ПЕО, тів концентду сек ПЕО, г мл металу тки млн %) % суспензії, рація в (МеОН) г ДС, %) гідроокис 1 6,0 34,0 (34) 61,4 4,6 (7) 66,0 27 45,2 38,6 9,2 літію 2 ÷ 25,0 (25) 69,8 ÷ 5,2 (7) 75,0 32 30,0 30,2 8,0 3 ÷ 43,0 (5) 758,0 ÷ 57,0 (7) 815,0 36 12,4 100,0 15,5 4 ÷ 34,0 (34) 60,1 ÷ 5,9 (9) 66,0 27 45,3 39,9 9,2 5 ÷ 84,6 (33) 156,6 ÷ 15,4 (9) 172,0 29 42,8 100,0 24,5 6 ÷ 5,0 (5) 86,5 ÷ 8,5 (9) 95,0 37 12,5 13,5 1,8 7 ÷ 82,3 (34) 141,8 ÷ 17,7 (11) 159,5 27 45.4 100,0 21,2 8 ÷ 30,0 (30) 62,3 ÷ 7,7 (11) 70,0 31 37,3 37,7 9,3 9 ÷ 5,0 (5) 84,5 ÷ 10,5 (11) 95,0 37 12,6 15,5 1,8 гідроокис 10 ÷ 34,0 (34) 60,1 5,9 (9) 66,0 24 45,3 39,9 8,2 натрію 11 ÷ 84,6 (33) 156,6 ÷ 15,4 (9) 172,0 25 42,8 100,0 21,2 12 ÷ 5,0 (5) 86,5 ÷ 8,5 (9) 95,0 37 12,5 13,5 1,8 13 ÷ 34,0 (34) 52,1 ÷ 13,9 (21) 66,0 25 45,5 47,9 8,5 14 ÷ 25,0 (25) 59,2 ÷ 15,8 (21) 75,0 28 30,1 40,7 7,0 15 ÷ 20,0 (5) 300,0 ÷ 80,0 (21) 380,0 37 12,7 100,0 7,4 16 ÷ 34,0 (34) 47,5 ÷ 18,5 (28) 66,0 25 45,6 52,5 8,5 17 ÷ 54,3 (25) 117,3 ÷ 45,7 (28) 163,0 28 12,8 100,0 15,2 18 ÷ 5,0 (5) 68,4 ÷ 26,6 (28) 95,0 37 12,5 31,8 1,8 гідроокис 19 ÷ 34,0 (34) 58,1 7,9 (12) 66,0 29 45,4 41,9 9,9 калію 20 ÷ 79,6 (32) 148,7 20,4 (12) 169,0 31 40,4 100,0 24,7 21 ÷ 5,0 (5) 83,6 ÷ 11,4 (12) 95,0 38 12,6 16,4 1,9 22 ÷ 67,3 (34) 98,0 ÷ 32,7 (25) 130,7 29 45,5 100,0 19,5 23 ÷ 33,0 (33) 50,2 ÷ 16,8 (25) 67,0 32 42,8 49,8 10,6 24 ÷ 5,0 (5) 71.3 ÷ 23,7 (25) 95,0 38 12,7 28,7 1,9 25 ÷ 34,0 (34) 45,5 ÷ 20,5 (31) 66,0 29 45,7 54,5 9,9 26 4,0 25,0 (25) 51,7 ÷ 23,3 (31) 75,0 33 32,0 48,3 8,3 27 1,0 14,5 (5) 190,5 ÷ 85,5 (31) 276,0 39 12,9 100,0 5,7 52,3 мл етиленгліколю + прото28 6,0 34,0 (34) 4,0 г ОП-10 + 4,0 г 66,0 9 416,0 3,1 тип алюмінієвого порошку 54,0 мл етиленгліколю + 29 ÷ 32,0 (32) 4,0 г ОП-10 + 4,0 г 68,0 10 215,0 ÷ 3,2 ÷ алюмінієвого порошку 60,3 мл етиленгліколю + 30 ÷ 25,0 (25) 4,0 г ОП-10 + 4,0 г 75,0 14 43,9 ÷ 3,5 ÷ алюмінієвого порошку 78,3 мл етиленгліколю + 31 ÷ 5,0 (5) 4,0 г ОП-10 + 4,0 г 95,0 19 17,9 ÷ 1,0 ÷ алюмінієвого порошку 54,8 мл етиленгліколю + 32 ÷ 34,0 (34) 66,0 9 393,0 ÷ 3,1 ÷ 5,0 г ОП-10 4 UA 91068 U Продовження таблиці 33 34 ÷ 35 5 ÷ ÷ 56,8 мл етиленгліколю + 5,0 г ОП-10 63,2 мл етиленгліколю 25,0 (25) + 5,0 г ОП-10 81,0 мл етиленгліколю 5,0 (5) + 5,0 г ОП-10 32,0 (32) 68,0 11 201,0 ÷ 3,5 ÷ 75,0 15 43,8 ÷ 3,8 ÷ 95,0 20 17,6 ÷ 1,0 ÷ Джерела інформації, які були використані при складанні заявки 1. Гурари М.Л., Иванюта Ю.Ф., Лущиков И.И., Неронова И.А. Исследование кинетики растворения полиоксиэтилена в воде. - ИФЖ, 1977. - Т. 32, № 3, - С. 499-501. 2. Авторское свидетельство СССР № 88675, кл. МКИ В63В 1/32, 1975. 3. Патент США № 3736288, кл. МКИ С08-51/34. Составы, уменьшающие гидродинамическое сопротивление. Опубл.29.05.73. 4. Патент США № 4325861 кл. МКИ С08К 5/01. Полимерная композиция быстрорастворимая в воде. Опубл. 20.04.82 (Прототип). 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Швидкорозчинна суспензія поліетиленоксиду, до складу якої входять порошкоподібний поліетиленоксид і дисперсійне середовище, яка відрізняється тим, що в ній як дисперсійне середовище використовуються водні розчини гідроокисів лужних металів (Li або K, або Na) при наступному співвідношенні компонентів (у ваг. %): поліетиленоксид 5-34 дисперсійне середовище (водний розчин гідроокису лужного металу) решта до 100. Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 5