Формы связи влаги с материалом при рассмотрении процессов сушки

№59-1,

Технические науки

Проведен обзор форм связи влаги с различными капиллярно-пористыми материалами и влия¬ние данного фактора на выбор способа и конструктивного оформления про¬цесса сушки. Рассмотрена классификация материалов как объ-ектов сушки, где определяющими параметрами являются внутренняя структура материала и его тепловые характеристики.

Похожие материалы

Одной из наиболее важных характеристик при рассмотрении процессов сушки является связь влаги с материалом. Лыков А.В. разделил все влажные материалы по своим коллоидно-физическим свойствам и способности изменять свои размеры при удалении влаги на три группы: коллоидные, капиллярно-пористые и коллоидные капиллярно-пористые.

Коллоидные тела – это тела, изменяющие свои размеры, но одновременно сохраняющие эластичность при удалении из них влаги. В них преобладает адсорбционная и осмотически связанная влага.

В капиллярно-пористых телах жидкость, в основном, связана капиллярными силами.

Коллоидные капиллярно-пористые тела занимают промежуточное положение между коллоидными и капиллярно-пористыми телами. Стенки капилляров у этих материалов эластичны и при поглощении влаги набухают, а при сушке дают усадку.

Дальнейшим развитием классификации влажных материалов Лыкова А.В. является классификация систем твердая фаза – распределяемое вещество, предложенная Рудобаштой С.П. Данная классификация составлена на основе анализа структурных и кинетических свойств материалов твердой фазы в процессах сушки, адсорбции, экстрагирования. Эта классификация отражает кинетические особенности массопереноса в отдельных группах материалов и позволяет выбрать математическое описание процесса.

В свою очередь, каждая группа материалов второго и третьего классов подразделена на подгруппы в зависимости от размера пор.

Каждую группу класса капиллярно-пористых материалов подразделяют на:

  • макрокапиллярно-пористые материалы;
  • микрокапиллярно-пористые материалы.

Каждая группа коллоидных капиллярно-пористых материалов делится на:

  • коллоидные макрокапиллярно-пористые материалы;
  • коллоидные микрокапиллярно-пористые материалы.

В теории сушки под макрокапиллярами понимают поры с радиусом больше 10-7м, а под микрокапиллярами – меньше 10-7м.

Основными факторами, определяющими термодинамику и кинетику сушки, являются форма и энергия связи влаги с материалом.

Согласно классификации академика Ребиндера П.А. все формы связи делятся на три группы: химическую, которая включает ионную и молекулярную связи; физико-химическую, включающую адсорбционную и осмотическую связи; физико-механическую.

Химическая связь является наиболее прочной. Она может быть нарушена при химическом воздействии или прокаливании. Результаты исследований опровергли утверждения о том, что химическая связь не может разрушаться. Эти исследования доказали, что при сушке может удаляться и химически связанная влага. Это особенно характерно для материалов, содержащих органические жидкости, которые способны образовывать с ними различные комплексные соединения, разрушающиеся при сушке. Химическая связь может быть ионной или молекулярной. Первая образуется в результате химических реакций, вторая при кристаллизации из раствора.

Физико-химически связывается адсорбционная, осмотическая и структурно-связанная влага. Первая образуется при адсорбции влаги, вторая при избирательной диффузии через полупроницаемую мембрану, третья при образовании геля.

Адсорбционно-связанная влага представляет собой образование на поверхности твердого тела мономолекулярного слоя адсорбированной влаги под действием молекулярного силового поля поверхностных молекул. Этот слой наиболее сильно связан с телом. Последующие полимолекулярные слои удерживаются менее прочно, и ее свойства постепенно приближаются к свойствам свободной жидкости.

Физико-механически связанная влага – это влага свободно удерживаемая в объеме пор тела, а также влага, находящаяся в микро- и макрокапиллярах, и влага смачивания. Эту влагу можно удалить механическим способом. Физико-механически связанная влага обусловлена силами поверхностного натяжения и капиллярным давлением.

Причиной осмотической связи является осмотическое давление, которое обуславливает избирательную диффузию воды из окружающей среды через полунепроницаемую оболочку.

Малецкой К.Д. и Доллинским А.А. была составлена классификация материалов, подлежащих распылительной сушке по структурно-кинетическому признаку.

Сажиным Б.С. была предложена классификация материалов как объектов сушки. В данной классификации определяющими параметрами рассмотрены внутренняя структура материала и его тепловые характеристики.

В данной классификации полимерные материалы разделены на четыре группы в зависимости от уменьшения критического радиуса пор:

  1. Непористые и макропористые материалы с диаметром пор свыше 100нм.
  2. Однородно- и неоднородно-пористые материалы с критическим диаметром пор до 6нм.
  3. Материалы с критическим диаметром пор от 6 до 2нм.
  4. Материалы с ультрамикропористой структурой. Размеры пор соизмеримы с размерами молекул удаляемой жидкости.

Казанским М.Ф. разработан метод термограмм сушки для определения видов связи влаги с материалом. Суть метода заключается в одновременном снятии на диаграммную ленту потенциометра кривой сушки и термограммы. Термограмма представляет собой кривую разности температур тонкого высушиваемого материала толщиной 1-2мм и постоянной температуры воздуха в термостате в зависимости от времени. На термограмме наблюдается ряд сингулярных точек, при проецировании которых на кривую сушки можно найти влагосодержание, соответствующее определенному виду связи влаги с материалом. Принципиальная схема установки и методика проведения эксперимента приведены в работе.

Для определения энергии связи влаги с натуральными (хлопковыми, шерстяными, шелковыми) и химическими (вискозными, полиамидными, фениловыми) волокнами и нитями проводились исследования термогравикалометрическим и адсорбционным методами. Изотермы сорбции, десорбции исследуемых материалов имеют S-образный характер.

S-образную форму имеют также изотермы сорбции воды целлюлозным волокном. Текстильные волокна на основе целлюлозы и ее производных сорбируют воду при существенном изменении их объема и линейных размеров.

По изотермам сорбции – десорбции можно рассчитать эффективный радиус пор и общий объем пор в материале, а также получить кривую распределения пор по радиусу, а по изотермам, представленным в координатах уравнения Дубинина М.М. – объем микропор.

В настоящее время для определения пористой структуры материалов известны следующие методы: метод статистической обработки микрофотографий, метод ртутной порометрии, фильтрационный метод Дерягина Б.В., метод электронной микроскопии, рентгеновский метод, метод капиллярной пропитки, метод радиоактивных индикаторов. Для исследования внутрипористой структуры материалов как объектов сушки наиболее рациональным считается адсорбционный метод, заключающийся в обработке изотерм сорбции – десорбции.

Исходя из вышесказанного необходимо отметить, что в настоящее время не создано всеобщей классификации влажных материалов. Более или менее применима классификация влажных материалов как объектов сушки, разработанная Сажиным Б.С., в которой в качестве определяющих характеристик рассмотрена внутренняя структура и тепловые характеристики материалов.

Для обобщения характеристик материалов как объектов сушки требуются дальнейшие исследования их теплофизических и технологических свойств.

Список литературы

  1. Почивалов К.В., Липин А.Г., Мизеровский Л.Н., Блиничев В.Н. Покровский А.А. Исследование процесса удаления органического растворителя из основы синтетической кожи в токе водяного пара. // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - 2001. - Т.44. - №1. - с. 138-140.
  2. Зуева Г.А., Блиничев В.Н., Падохин В.А., Покровский А.А. Математическая модель сушки синтетической кожи. // Теоретические основы химической технологии. - 2002. - Т.36. - №4. - с. 400-404.
  3. Зуева Г.А., Покровский А.А. Установка интенсивного действия для удаления органического растворителя из синтетической кожи.// Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. – 2004. – Т.47. – № 4. - с. 34-36.
  4. Покровский А.А., Пучков П.В., Легкова И.А. Использование расчета магнитных полей методом конечных элементов при создании конструкций комбинированных магнитожидкостных уплотнений. // Интернет-журнал «Науковедение» Том 8, № 5 [Электронный ресурс] - М.: Науковедение, 2016. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/41TVN516.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
  5. Покровский А.А. Интенсификация процесса удаления растворителя из капиллярно-пористого материала в производстве аналога натуральной кожи. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Иваново, 2001.
  6. Покровский А.А. Сушка водяным паром с механическим воздействием на материал // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) – 2016 г. – № 54; URL: http://novainfo.ru/article/8651.