Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время явление адсорбции широко используется в различных процессах и технологиях, среди которых очистка и разделение газов и жидкостей, преобразование и аккумулирование тепловой энергии, поддержание фиксированной относительной влажности, ва-куумно-адсорбционная сушка и многие другие. Разнообразный круг адсорбционных приложений определяет широкий диапазон требований к свойствам адсорбентов. Резервы усовершенствования этих приложений в значительной степени связаны с лучшим согласованием свойств адсорбента с требованиями конкретного процесса. Традиционная стратегия поиска адсорбента для данного приложения состоит в анализе адсорбционных свойств уже существующих материалов, их испытании и выборе среди них наиболее подходящего. Этот подход требует больших временных и трудовых затрат, но при этом не гарантирует оптимальное решение поставленной задачи, поскольку выбор осуществляется из ограниченного набора адсорбентов, нередко разработанных для других приложений.
Вместе с тем, современный уровень развития материаловедения позволяет ставить вопрос о принципиально иной стратегии. Она заключается в целенаправленном конструировании материала с заданными адсорбционными свойствами, которые наилучшим образом удовлетворяют требованиям конкретного процесса. Развитие методологии конструирования адсорбентов, специализированных для конкретных адсорбционных приложений, является актуальной задачей, поскольку ее решение позволит значительно повысить эффективность этих процессов.
Данная работа посвящена новому классу сорбентов - Композитным материалам «Соль в Пористой Матрице» (КСПМ), которые в настоящее время рассматривают как перспективные для разнообразных адсорбционных приложений (осушка газов и жидкостей, адсорбционное преобразование тепла,
поддержание относительной влажности, активная тепловая защита и др.).
Целью диссертационной работы является разработка физико-химических основ конструирования композитных сорбентов «соль в порах матрицы» с заданными свойствами, специализированных для конкретных практических приложений.
Направления исследования. Исследования проводили в следующих основных направлениях: а) определение термодинамических требований к адсорбентам, оптимальным для ряда приложений; б) исследование закономерностей формирования химического и фазового состава КСПМ и их влияния на сорбционные свойства композитов; в) разработка методов регулирования сорбционных свойств КСПМ; и г) целенаправленный синтез КСПМ, свойства которых удовлетворяют требованиям к оптимальному адсорбенту (ОА) для некоторых приложений.
Методы исследований. В данной работе основная часть результатов получена путем экспериментального исследования свойств синтезированных сорбентов, а также адсорбционных процессов с использованием современных физико-химических методов: ТГ, ДТА, потенциометрического титрования, дифференцирующего растворения, низкотемпературной адсорбции азота, РФА in situ, калориметрии Кальве и ДСК, барометрического метода измерения изостер сорбции.
Достоверность полученных результатов и обоснованность сделанных выводов подтверждается комплексным использованием набора современных методик, воспроизводимостью экспериментального материала, широким представлением результатов на научных конференциях, семинарах, их опубликованием в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах.
На защиту выносятся следующие положения: качественные и количественные требования к свойствам адсорбентов, оптимальных для следующих процессов: адсорбционное преобразование тепла, поддержание относительной влажности, вакуумно-адсорбционная сушка, удаление метанола из газовых смесей, получение воды из атмосферного воздуха, а также для увеличения конверсии реагентов синтеза
метанола;
методы целенаправленного синтеза КСПМ с заданными свойствами путем варьирования ряда факторов (химической природы соли или двойных солевых систем, содержания соли, природы и пористой структуры матрицы и условий синтеза композитов);
корреляции между адсорбцией катионов соли на поверхности матрицы и фазовым составом, а также типом сорбционного равновесия КСПМ с парами воды и метанола;
взаимосвязь между образованием твердых растворов солей в КСПМ на основе двойных солевых систем и изменением сорбционного равновесия таких КСПМ с парами воды, метанола и аммиака;
банк данных по сорбционному равновесию (характеристические кривые сорбции, стандартные энтальпии и энтропии сорбции) КСПМ на основе хлоридов, бромидов и сульфатов щелочных, щелочноземельных металлов в порах мезо- и макропористых матриц с парами воды и метанола.
Научная новизна работы:
в качественном и количественном виде сформулированы термодинамические требования к свойствам О А для ряда процессов: адсорбционное преобразование тепла, поддержание относительной влажности, вакуумно-адсорбционная сушка, удаление метанола из газовых смесей, получение воды из атмосферного воздуха, а также для увеличения конверсии реагентов синтеза метанола;
установлены закономерности формирования фазового состава и сорбционного равновесия КСПМ с парами воды и метанола и влияние на них химической природы соли, ее содержания и условий синтеза (концентрации и рН пропиточного раствора, температуры сушки);
синтезированы КСПМ на основе двойных солевых систем, и выявлены закономерности формирования их фазового состава и сорбционного равновесия с парами воды, метанола и аммиака;
разработаны методы регулирования сорбционных свойств КСПМ, создан банк данных по сорбционному равновесию КСПМ с парами воды и метанола;
осуществлен целенаправленный синтез композитных сорбентов метанола (LiCl/Si02) и аммиака ((ВаСЬ + ВаВг2)/вермикулит), специализированных для адсорбционных циклов кондиционирования воздуха и получения льда, работающих от источников тепла с низким температурным потенциалом;
синтезирован и испытан буфер влаги ARTIC на основе сульфата натрия в порах силикагеля для поддержания относительной влажности в интервале 50 - 60% в витринах для экспозиции музейных ценностей.
Практическая полезность. Разработанные методы регулирования сорбционных свойств КСПМ и созданный банк данных по свойствам КСПМ могут быть использованы для синтеза, или подбора сорбентов для различных адсорбционных процессов и технологий. На основе проведенного исследования получено 10 патентов.
Реализация результатов. Разработана методика синтеза композитного буфера влаги ARTIC для поддержания относительной влажности в интервале 50 - 60 % для хранения и экспозиции музейных и библиотечных ценностей, емкость которого в 2.5 раза превышает емкость коммерческого буфера Art-Sorb. Проведены испытания ARTIC в Музее истории и культуры народов Сибири и Дальнего Востока Института археологии и этнографии СО РАН и в Государственной публичной научно-технической библиотеке СО РАН в экспозиционных витринах и контейнерах для хранения книг, которые продемонстрировали высокую эффективность ARTIC. Разработаны методические указания по регенерации буфера относительной влажности ARTIC.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на 37 международных и всероссийских конференциях, среди которых: 1st Int. Energy Envir. Symp, 1996, Трабзон, Турция; 12і и 13і Int. Congr. Chem. Proc. Eng. CHISA 1996 и 2000, Прага, Чехия; Minsk Int. Seminar Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators, Power Sources, 2000 и 2011, Минск, Бе-
лоруссия; XXXVI Сибирский теплофизический семинар, 2002, Новосибирск, Россия; IV Int. Symp. "Coal Structure 2002", 2002, Гливице, Польша; 7th Int. Sorption Heat Pump Conf, 2002, Шанхай, Китай; V и VI Росс. Конф. "Научные основы приготовления и технологии катализаторов", 2004, Омск и 2008, Туапсе, Россия; IV, V и VI Int. Conf. On Heat Powered Cycles, 2006, Нью-Касл, Великобритания, 2009, Берлин, Германия и 2012, Алкмаар, Нидерланды; II Int. Conf. on Nanomaterials. Nano-2007, Новосибирск, Россия; 2n и З1 Int. Symp. Advanced Micro-and Mesoporous materials, 2007, Варна, Болгария и 2009, Альбена, Болгария; Ist и 2nd Int. Symp. on Innovative Materials for Processes in Energy Systems, IMPRES, 2007, Киото, Япония и 2010, Сингапур; VI Международная научно-практическая конференция «Сохранение, консервация, реставрация, экспертиза музейных памятников», 2008, Киев, Украина; VII и ИХ Int. Conf. on Sustainable Energy Techn., 2008, Сеул, Южная Корея и 2010, Шанхай, Китай и др.
Публикации. Материалы диссертации представлены в 87 публикациях, среди которых 1 монография, 7 глав в монографиях, 32 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах (из которых 2 обзора), 37 тезисов конференций и 10 патентов.
Личное участие автора. На всех этапах автор принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке и выборе методик исследования, проведении большинства экспериментов, анализе и обобщении полученных результатов. Часть результатов получена асп. НГУ Грековой А. Д. под научным руководством автора. На отдельных этапах в работе принимали участие сотрудники Лаборатории энергоаккумулирующих процессов и материалов Ж.В. Веселовская, И.С. Глазнев, А.В. Губарь, СИ. Прокопьев, И.А. Симонова, М.М. Токарев, сотрудники ИК СО РАН Л.С. Довлитова, Т.А. Кри-
гер, |Э.А. ЛевицкийІ, В.В. Малахов, Э.М. Мороз, В.Н. Пармон, Л.М. Плясова,
А. А. Хасин, Г.К. Чермашенцева, [В.Е. Шаронов), а также сотрудники других организаций В.А. Алексеев, Б.В. Елепов (ГПНТБ СО РАН), И.В. Сальникова (МИЭНСДВ СО РАН), А. Френи, Д. Рестучча (ITAE/CNR, Мессина, Италия),
Ю. Мровец-Бялонь, А. Яржебский (Inst. Chem. Eng., PAS, Гливице, Польша) и другие.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, основных выводов и изложена на 347 стр., содержит 143 рисунка, 28 таблиц и библиографию из 495 наименований.
Похожие диссертации на Композитные материалы "соль в пористой матрице" : дизайн адсорбентов с заданными свойствами
