Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор литературы 8
1.1 Классификация фильтроматериалов, используемых для фильтрации газовоздушных и жидких сред 9
1.2 Виды фильтровальных бумаг. Требования . 13
1.3 Сырьевая база волокнистых полуфабрикатов, применяемых для производства бумагоподобных материалов фильтровального назначения 18
1.4 Связующие, используемые для производства бумагоподобных материалов фильтровального назначения . 24
1.5 Структурообразование бумагоподобного материала системы «стеклянное волокно – минеральное связующее» 29
1.6 Особенности технологии получения бумагоподобных материалов фильтровального назначения на основе стеклянных волокон 31
1.7 Выводы по анализу литературных источников . 45
2 Объекты и методики исследования 47
2.1 Методика исследования геометрических размеров и фракционного состава стеклянных волокон 48
2.2 Методики исследования свойств связующего на основе соединений алюминия.. 51
2.2.1 Определение прочности клеевого соединения . 51
2.2.2 Определение электро-кинетических свойств продуктов гидролиза соединений алюминия . 53
2.2.3 Определение специальных свойств связующего . 53
2.3 Методики исследования свойств бумагоподобных материалов фильтровального назначения . 54
3 Экспериментальная часть 57
3.1 Определение геометрических размеров и фракционного состава исходного стекловолокнистого сырья 57
3.1.1 Изучение взаимосвязи длины и диаметра исходного стекловолокнистого сырья 57
3.1.2 Дифференциальное распределение исходных волокон по длине и диаметру 63
3.1.3 Исследование влияния воздействия агрессивных сред на свойства стекловолокна 67
3.2 Исследование свойств минеральных связующих на основе соединений алюминия 70
3.2.1 Влияние рН среды на изменение качественных характеристик связующего 71
3.2.2 Влияние температуры сушки на изменение качественных характеристик связующего 75
3.3 Исследование влияния факторов массоподготовки на свойства бумагоподобных материалов фильтровального назначения 79
3.3.1 Исследование влияния режима связеобразования на свойства бумагоподобных материалов фильтровального назначения на основе стеклянного 79
волокна
3.3.2 Исследование влияния длины волокна на свойства бумагоподобных материалов фильтровального назначения 83
3.3.3 Исследование влияния факторов массоподготовки на длину стекловолокна.. 90
3.4 Исследование свойств бумагоподобных материалов фильтровального назначе
ния на основе стеклянных волокон 97
3.4.1 Исследование влияния расхода связующего и температуры сушки бумагопо-добных материалов фильтровального назначения на их потребительские свойства . 98
3.4.2 Определение оптимальной композиции по волокну бумагоподобных материалов фильтровального назначения 100
Рекомендации 103
Выводы 106
Список сокращений и условных обозначений 107
Список литературы 108
- Классификация фильтроматериалов, используемых для фильтрации газовоздушных и жидких сред
- Определение электро-кинетических свойств продуктов гидролиза соединений алюминия
- Исследование свойств минеральных связующих на основе соединений алюминия
- Определение оптимальной композиции по волокну бумагоподобных материалов фильтровального назначения
Введение к работе
Актуальность темы. По оценкам экспертов в 2013 году доля импорта на рынке фильтровальных материалов превысила 90%. При этом сегмент фильтровальной бумаги для производства воздушных фильтров занимает второе место в объеме импорта. По прогнозам до 2020 г. объем рынка фильтровальной бумаги для производства воздушных фильтров будет увеличиваться, поскольку ожидается активный рост спроса на фильтровальную бумагу в химической, оборонной и других отраслях промышленности. Одна из ключевых проблем для РФ – отсутствие производств фильтровальных бумаг высокого качества. В соответствии со «Стратегией развития химической и нефтехимической промышленности России» приоритетной задачей является выпуск конкурентоспособной продукции. Для ее решения необходимо создание новых производств высокотехнологичных материалов или разработка программы диверсификации существующих. К высокотехнологичным относятся бумагоподобные материалы фильтровального назначения системы «стеклянное волокно – минеральное связующее». Их конкурентными преимуществами являются высокая впитывающая способность и низкий коэффициент проскока при невысоком сопротивлении потоку воздуха. На сегодняшний день развитие производства высококачественных фильтровальных материалов на основе стеклянных волокон сдерживает отсутствие систематических исследований в этой области. В частности, данные по исследованиям наноразмерных стекловолокон отсутствуют. Это обосновывает необходимость проведения дополнительных исследований и разработки рекомендаций по совершенствованию технологии получения конкурентоспособных на международном рынке, высококачественных фильтровальных материалов на основе стеклянных волокон.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы – исследовать влияние основных параметров производства на характеристики качества бумагоподобных материалов фильтровального назначения с улучшенными потребительскими свойствами на основе стеклянных волокон и разработать рекомендации по совершенствованию технологии их получения.
Для реализации поставленной цели решили следующие задачи:
изучить геометрические размеры и определить фракционный состав исходного стекловолокнистого сырья;
исследовать влияние переменных факторов процесса связеобразования на свойства продуктов гидролиза соединений алюминия, используемых в качестве связующего;
- исследовать влияние переменных технологических факторов процесса
массоподготовки на потребительские свойства бумагоподобных материалов
фильтровального назначения на основе стеклянных волокон;
оценить влияние добавки нанотонких стеклянных волокон на прочностные и фильтрующие свойства бумагоподобных материалов;
разработать рекомендации по совершенствованию технологической схемы процессов массоподготовки и направленному регулированию параметров получения бумагоподобных материалов фильтровального назначения.
Научная новизна. Впервые дано научное обоснование технологии производства бумагоподобных материалов фильтровального назначения системы «стеклянное волокно – минеральное связующее» со сверхвысокой (ULPA) и высокой (HEPA) эффективностями очистки в соответствии с требованиями международных стандартов. На основе теории прочности композитов установлено значение критической длины стеклянных волокон номинальным диаметром от 0,1 до 0,4 мкм, при котором наблюдается резкое снижение прочностных характеристик, сопровождающееся выдергиванием волокон из структуры листа при разрушении материала. Установлены закономерности влияния основных параметров технологического потока производства бума-гоподобных материалов фильтровального назначения на основе стеклянных волокон на изменение их потребительских свойств. Выявлена возможность повышения эффективности фильтрации загрязняющих частиц субмикронного характера без снижения производительности фильтров при использовании в композиции материала наноразмерных стеклянных волокон в количестве не более 25 %.
Практическая ценность. Установлена необходимость входного контроля по длине и фракционному составу стекловолокнистого сырья. Разработанные рекомендации по регулированию технологических параметров мас-соподготовки и изготовления на БДМ, позволившие перейти от дорогостоящих органических на неорганические связующие при улучшении впитывающих свойств, апробированы в ходе опытно-промышленной выработки и внедрены в производство материала фильтровального назначения на основе стеклянных волокон (подтверждено Актом о промышленной выработке).
Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс при изучении дисциплины «Свойства композиционных материалов и их прогнозируемое регулирование» в рамках магистерской программы «Химическая технология переработки древесины» направления подготовки 240100.68 «Химическая технология».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международных и региональных научно-технических конференциях, г. Архангельск (2010–2013); международных симпозиумах, г. Стокгольм (2012) и г. Златибор (2010); международной летней школе программы «Фулбрайт» в области точных наук и технологий, г. Казань (2011); международных и всероссийских научно-практических конференциях, г. Санкт-Петербург (2010); всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия», г. Калуга (2010).
Личное участие. При непосредственном участии автора были поставлены и решены задачи теоретического, методического, экспериментального и прикладного характера. Автором были проведены исследования геометрических размеров и фракционного распределения стеклянных волокон, влияния технологических параметров на стадии массоподготовки на потребительские свойства бумагоподобных материалов фильтровального назначения из стеклянных волокон; разработаны рекомендации по совершенствованию технологии получения бумагоподобных материалов фильтровального назначения из стеклянных волокон. Автору принадлежат основные идеи, опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.
Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 16 научных работах, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает: введение; аналитический обзор литературы; объекты и методики исследования; экспериментальную часть, состоящую из четырех разделов; рекомендации; выводы; приложение. Содержание работы изложено на 123 с., включая 29 рисунков, 28 таблиц, 1 приложение, библиография – 132 наименования.
Классификация фильтроматериалов, используемых для фильтрации газовоздушных и жидких сред
В соответствии с отечественной номенклатурой под фильтрацией понимается самопроизвольное или преднамеренное прохождение жидкости или газа через пористую среду, которое может сопровождаться отделением взвешенных частиц, задерживаемых пористой средой [19]. Определения, классификации и требования к основным фильтрам как жидкостным, так и воздушным, применяемым в промышленности, представлены в национальной нормативно-технической документации, гармонизированной с зарубежными стандартами [19–40].
Следует отметить, что фильтровальные материалы с использованием минеральных волокон хорошо зарекомендовали себя для очистки жидких сред. В работах А.В. Канарского, Г.И. Чижова, В.К. Дубового [5, 7, 10–17] подробно изложены следующие вопросы:
1) влияние электрокинетического потенциала поверхности и удельной поверхности на свойства фильтровального картона;
2) влияние вида волокон и способа их обработки на свойства фильтровального картона;
3) повышение механической прочности фильтровального картона;
4) технология фильтровального картона для очистки медико-биологических жидкостей;
5) взаимосвязь структурных и функциональных свойств бумаги и картона;
6) влияние вида компонентов и способов их обработки на эксплуатационные свойства фильтровальных видов бумаги и картона;
7) влияние поверхностных свойств компонентов на фильтрующие свойства бумаги и картона;
8) совершенствование эксплуатационных свойств фильтровальных видов бумаги и картона при их изготовлении.
Ниже представлены классификация и анализ существующих в РФ жидкостных фильтров для очистки воды, стоков химических предприятий и биологических сред.
В соответствии с ГОСТ [19] под фильтром понимается аппарат для разделения жидких неоднородных систем фильтрования. Основной рабочий орган любого фильтра – фильтрующий элемент. Согласно положениям стандарта [20], фильтрующие элементы изготавливаются из фильтрующих материалов, предназначенных для непосредственно осуществления фильтрования жидкости. Следует отметить, что в качестве основных фильтроматериалов для жидкостей определены следующие: фильтровальная бумага, металлическая сетка, синтетические и натуральные ткани, пористая пластмасса, порошковый материал и другие. Несмотря на их разнообразие, классификацию осуществляют по следующим признакам [20]:
1) способность к регенерации (регенерируемый, нерегенерируемый);
2) пропускная способность (полнопоточный, неполнопоточный);
3) назначение (всасывающий, напорный, сливной);
4) форма фильтрующих отверстий (щелевой, сеточный, пористый).
Также выделяют встраиваемые, многоступенчатые, самоблокирующиеся, а также фильтры непрерывного и периодического действия.
В соответствии с отечественной номенклатурой [20] выделены следующие основные характеристики фильтров и фильтрующих элементов: абсолютная и номинальная тонкость фильтрации, коэффициент отфильтровывания, герметичность фильтрующего элемента, номинальный и максимальный и разрушающий перепад давлений на фильтрующем элементе (фильтре), номинальный и удельный расход жидкости через фильтрующий элемент (фильтр) и фильтрующий материал соответственно, гидравлическая характеристика фильтрующего элемента (фильтра), грязеемкость фильтрующего элемента, совместимость фильтрующего элемента с жидкостью, максимальная и номинальная аксиальная нагрузка, номинальное давление фильтра, номинальное разрежение фильтра, коэффициент фильтрования, коэффициент отсева, коэффициент пропуска, усталостная прочность фильтрующего элемента, прочность фильтрующего элемента при аксиальной нагрузке.
Следует отметить, что в последние годы отмечается тенденция к постоянному повышению требований к качеству фильтровальных материалов для очистки как жидких, так и газовоздушных сред. Наиболее остро эта проблема стоит для воздушных фильтров. Для наглядного представления динамики происходящих изменений ниже рассмотрим классификацию и основные методы оценки качества фильтровальных материалов для очистки газовоздушных сред за последние 15 лет.
Как сказано во введении, сегмент фильтровальных материалов для воздушных фильтров наименее освоен в РФ. На территории РФ сегодня существует большое ко личество предприятий, производящих воздушные фильтры из фильтровальных мате риалов, закупаемых за рубежом. Так, отечественный производитель и поставщик на рынок фильтров для систем вентиляции и кондиционирования – ООО «Промкомплект» использует фильтровальные материалы следующих известных зарубежных компаний: «Libeltex» (Бельгия), «Mikropor» (Турция), «HasconEngineer-ing» (Италия) и «AAFInternational» (США) [51]. Также широко распространены фильтровальные материалы марок Hollingsworth и Ahlstrom [52], Andrew Webron [53] и другие. Таким образом, в своей работе основное внимание уделили совершенство-анию технологии получения бумагоподобных материалов для фильтрации газовоздушных сред.
В соответствии с отечественной классификацией фильтров очистки воздуха[21] под воздушным фильтром понимается устройство, в котором с помощью фильтрующего материала или иным способом осуществляется отделение аэрозольных частиц от фильтруемого воздуха. При этом фильтрующий материал представляет собой материал, предназначенный для улавливания аэрозольных частиц из воздуха. Согласно положениям зарубежных и отечественных стандартов[21, 34–37] фильтры подразделяют на следующие группы, в каждой из которых выделяют классы в зависимости от значений их эффективности:
- группа Е - ЕРА фильтры (Efficient Particulate Air filter);
- группа Н - НЕРА фильтры (High Efficient Particulate Air filter);
- группа U - ULPA фильтры (UltraLowPenetrationAirfilter).
Общая классификация воздушных фильтров с учетом требований национальных и зарубежных стандартов подробно изложена в [21,37] и кратко приведена в таблицах 1.1, 1.2.
Определение электро-кинетических свойств продуктов гидролиза соединений алюминия
Анализ заряда частиц исследуемых продуктов гидролиза алюминия в водном растворе проводили на приборе MutekSZP-06. Методика определения дзета-потенциала основана на измерении потенциала протекания между двумя электродами, при этом чем сильнее взаимодействие между частицами, тем выше дзета-потенциал. Анализатор дзета-потенциала соответствует национальным и международным стандартам: DIN EN 61326:2002-03 [98], DINEN 61010-1:2002-08 [99], IEC 61010-1:2001 [100].
В качестве специальных свойств были исследованы структурные характеристики, сорбционная емкость, а также функциональный состав продуктов гидролиза соединений алюминия.
Исследования структуры, а именно формы и размера частиц продуктов гидролиза соединений алюминия проводили методом электронной микроскопии с помощью электронного микроскопа SIGMA VP на базе центра коллективного пользования САФУ «Арктика». В ходе испытаний использовали следующие параметры: детектор In Lens, увеличение: 1000X; 2000X; 10000X, ускоряющее напряжение электронной пушки 20 кВ. С целью пробоподготовки образцов использовалось золото-палладиевое напыление.
Для определения влагоемкости, как способности вещества поглощать максимально возможное количество воды на единицу своей массы,продукты гидролиза алюминия высушивали при температуре 105С до абсолютно сухого состояния и измельчали в фарфоровой ступке до однородной массы, а затем переносили в чашку Петре и взвешивали на аналитических весах. При помощи пипетки по каплям добавляли дистиллированную воду до момента насыщения и, соответственно, невозможности дальнейшего протекания процесса абсорбции воды образцом. По завершении эксперимента пробы снова взвешивали на аналитических весах. Влагоемкость рассчитывали как разницу образцов по массе (%) до и после испытания. Для достижения достоверности полученных результатов проводили два параллельных эксперимента на каждую пробу.
Методики исследования свойств бумагоподобных материалов фильтровального назначения
Исследование свойств бумагоподобных материалов фильтровального назначения проводили по регламентированным стандартами методикам определения пористости и шероховатости по Бендтсену [101], капиллярной впитываемости по методу Клемма [102], прочности на разрыв и удлинения при растяжении материала [103, 104], фильтрующей способности [105], сопротивления потоку воздуха [106], коэффициента проскока масляного тумана [107] и воздухопроницаемости [108] материала, также использовали современные нерегламентированные или вновь введенные в номенклатуру методики определения индекса формования, распределения по размерам флоккул и критической длины стеклянных волокон, эффективности фильтрации.
Для оценки структуры формования бумагоподобного материала фильтровального назначения на основе стеклянных волокон использовали прибор Модуль формования PTA-LineМодель Р63200. Общий индекс формования и распределение размеров флоккул стеклянных волокон по шести классам определяли на отливках материала массой 100 г/м2автоматически при помощи встроенного в прибор стробоскопа и камеры.
Определение критической длины стеклянных волокон, как интегрального критерия фундаментальных свойств волокнистых полуфабрикатов проводили по методикам, используемым для целлюлозных материалов [60]. Суть понятия «критическая длина» заключается в том, что если длина армирующего волокна превысит свое критическое значение (lкр), то в зоне разрушения материала будет наблюдаться не выдергивание, а разрушение отдельного волокна, и эффект упрочнения структуры возрастает [109].В ходе исследования критическую длину определяли по следующей формуле: где dв– диаметр волокна; Jp0- разрушающее напряжение материала, при испытании на растяжение при нулевом расстоянии между зажимами разрывной машины; в-межволоконные силы связи, определяемые по методу Иванова; рци р2 - плотность материала.
Как известно из [110], для определения эффективности фильтров ранее применялись положения таких стандартов, как [106], распространяющийся на фильтровальные бумагу и картон, предназначенные для очистки не только воздуха, но и масел, топлива и других жидкостей, при чем фактически по представленному в стандарте методу определяется аэродинамическое сопротивление [111], содержащий метод определения коэффициента проскока по масляному туману, при этом размер частиц 0,28-0,34 мкм и 0,6-0,8 мкм, а также [21], гармонизированный с европейскими стандартами [35, 36] - в части классификации фильтров.
Следует отметить, что в европейских стандартах лежал совершенно новый подход к оценке высокоэффективных фильтров из стекловолокна, представленный швейцарскими исследователями Р. Вепфером (R. Wepfer) и Й. Широм (J. Schier) на 8-м Международном симпозиуме по контролю микрозагрязнений в сентябре 1986 г. Их предложение основывалось на теории фильтрации воздуха фильтрами из стекловолокна и, благодаря своим научным и техническим достоинствам, вскоре завоевало международное внимание. Довольно быстро Германия приняла этот метод как официальный типовой метод контроля НЕРА и ULPA фильтров. Затем он лег в основу нового европейского стандарта European Standard EN 1822. Как европейский стандарт он был автоматически включен в систему стандартов 20 стран, входящих в Европейский Комитет по стандартизации CEN. Причем НЕРA и ULPA фильтры классов Н13 и лучше должны удовлетворять следующим критериям:
1) значениям интегральных эффективности или коэффициента проскока, т.е. средним значениям измерений по всей поверхности фильтра;
2) значениям локальных эффективности или коэффициента проскока, т.е. минимальной эффективности или максимального проскока, определяемых в конкретных точках фильтра; данные, не соответствующие этим значениям, рассматриваются как утечки.
В настоящее время на территории Российской Федерации действует серия стандартов ГОСТ Р ЕН 1822-2012, введенных в действие с 01 декабря 2013 года и используемый в данном исследовании – [37], содержащий методику определения эффективности фильтров на основе метода счета частиц с использованием контрольного аэрозоля с жидкими или твердыми частицами и счетчика частиц, а также устанавливающий классификацию фильтров по показателям эффективности. Исследование материала, в том числе определение точки MPPS проводили также в соответствии с [38].
Исследование свойств минеральных связующих на основе соединений алюминия
На следующем этапе диссертационной работы исследовали свойства продуктов гидролиза соединений алюминия, работающих как упрочняющий связеобразу-ющий компонент в структуре композита системы «стеклянное волокно– минеральное связующее» [116, 117, 118]. Для получения новых данных о свойствах связуюших и их вкладе в качество бумагоподобных материалов фильтровального назначения в работе использовали принципиально иной подход, основанный на концепции изучения свойств композиционных материалов. Концепция заключается в последовательном изучении входящих в состав компонентов и композиционного материала в целом [119]. Для этого разработали новые и адаптировали стандартные методики исследований и обработки результатов, приведенные в пункте 2.2 методической части.
Выбор соединений алюминия обусловлен актуальностью сохранения минеральной природы композита, отказом от органических связующих, более низкой себестоимостью по сравнению с другими соединениями поливалентных металлов и на основании ранее проведенных исследований [5].
В качестве объектов исследования использовали продукты гидролиза алюмината натрия и сульфата алюминия. Отметим, что исследовали также продукты гидролиза хлорида алюминия. Однако результаты последних исследований ниже не представили в связи с выявленными крайне низкими качественными характеристиками. Так, максимальная прочность клеевого соединения составила 0,008 МПа.
Предварительно были выявлены ключевые переменные факторы, оказывающие максимальное влияние на качественные характеристики выбранных продуктов гидролиза соединений алюминия в условиях реального производственного процесса: рН среды и температура сушки.
На данном этапе диссертационного исследования оценивали изменение свойств продуктов гидролиза указанных ранее соединений алюминия при регулировании рН среды как основного фактора, оказывающего влияние на процесс свя-зеобразования. Следует отметить, что ранее собственная прочность исследуемых соединений не изучалась и данные по этому вопросу отсутствовали.
Для оценки прочности связующего адаптировали стандартную методику определения прочности клеевых соединений при сдвиге. В ходе эксперимента рН варьировали в диапазоне 7–10, как оптимальном для получения максимальной прочности исследуемых веществ. Результаты проведенных исследований корреляции прочностных и электрокинетических свойств продуктов гидролиза сульфата алюминия и алюмината натрия от рН среды представили в таблицах 3.5–3.6. Невысокий уровень полученных значений прочности клеевых соединений объясняется отсутствием электростатического взаимодействия в исследуемой системе. Максимум прочности клеевых соединений исследуемых продуктов гидролиза достигается в области рН 10 для алюмината натрия и рН 8…9 для сульфата алюминия, что объясняется максимальной степенью их полимеризации при данных значениях рН. При дальнейшем повышении рН прочность клеевых соединений снижается, вероятно, за счет процесса деполимеризации продуктов гидролиза соединений алюминия. Полученные данные подтверждаются определением -потенциала (таблица 3.6), отрицательные значения которого можно объяснить сильной гидратацией продуктов гидролиза соединений алюминия.
Как показано в работе [82], в общем случае -потенциал определяет реакционную способность веществ. Так, чем выше значение этого параметра по модулю, тем больше реакционная способность вещества, т.е. его способность к связеобразо-ванию. Следует отметить, что измерения данного параметра проводили в суспензии на гидратированных осадках соединений алюминия, осажденных при выбранных значениях рН. Больший по модулю -потенциал при меньшей прочности продуктов гидролиза сульфата алюминия в сравнении с алюминатом натрия можно объяснить присутствием группы (SO4)2-. Для продуктов гидролиза алюмината натрия максимум наблюдали при рН 10, для сульфата алюминия – рН 9. Их связе-образование с волокном обеспечивается за счет дегидратации в процессе сушки путем образования водородных связей системы «стеклянное волокно – минеральное связующее». Также следует отметить, что для алюмината натрия при рН 7 -потенциал имеет положительное значение. В этом случае продукты гидролиза работают как наполнитель, а не как связующее.
Микроскопические исследования позволили наиболее наглядно продемонстрировать изменения структуры образующихся продуктов гидролиза соединений алюминия при направленном регулировании рН (рисунок 3.8), что согласуется с представленными выше результатами.
Для продуктов гидролиза сульфата алюминия следует отметить меньший размер зерен по сравнению с продуктами гидролиза алюмината натрия. Для последних рост зерен происходит в два этапа. На первом этапе наблюдается рост зерна рН 6…8 с последующим его созреванием в диапазоне рН 8…9. На втором этапе происходит дальнейшее увеличение зерна (рН 10). Отметим, что при рН 10 продукты гидролиза алюмината натрия переходят в раствор.
Наряду с физико-механическими одним из ключевых свойств для материалов фильтровального назначения является влагоемкость. Ранее оценка данного свойства продуктов гидролиза соединений алюминия не проводилась. На рисунке 3.9 представлены результаты определения влагоемкости продуктов гидролиза алюмината натрия и сульфата алюминия при варьировании рН от 7 до 10.
Максимум значений наблюдали при рН 9 в обоих случаях, что можно объяснить высокой степенью полимеризации цепей, как отмечалось в ряде исследований [10, 120], и согласуется с представленными выше результатами исследования прочностных и электро-кинетических свойств. Увеличение степени кристалличности и образование алюминатных форм при повышении рН до 10 приводит к резкому снижению влагоемкости продуктов гидролиза сульфата алюминия.
Определение оптимальной композиции по волокну бумагоподобных материалов фильтровального назначения
При моделировании композиции по волокну на завершающем этапе диссертационного исследования использовали стекловолокна марок НТВ-0,1 и МТВ-0,25 на основании данных, представленных в разделе
Массаобразцов составляла 100 г/м2. В ходе эксперимента параметры изготовления образцов приняли на основании полученных ранее результатов (п. 3.2, 3.4.1): для продуктов гидролиза алюмината натрия – рН 9, сульфата алюминия – рН 8 при расходе связующего 20 %, температура сушки образцов110 С.
Результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований, привели на рисунке 3.19 и в таблице 3.17.
На основании полученных данных установили, что увеличение содержания нанотонкого стеклянного волокна номинальным диаметром 0,1 мкм в композиции приводит к снижению прочностных характеристик материала вне зависимости от используемого связующего. Учитывая, что толщина материала при этом практически не меняется, зависимость изменения прочности материала обусловлена в первую очередь меньшей собственной прочностью волокон меньшего диаметра.
Таким образом, в данном сочетании волокна марки МТВ-0,25 выполняют функцию армирования материала в целом, что подтверждает предположение, высказанное в разделе 3.3.2. При этом волокна марки НТВ-0,1 способствуют уплотнению листа, что вызывает снижение его фильтрующей способности при увеличении сопротивления потоку воздуха и эффективности очистки от загрязняющих частиц (таблица 3.17).
Анализ полученных данных показал, что добавка в композицию нано-тонкого стеклянного волокна номинальным диаметром 0,1 мкм повышает эффективность очистки при снижении производительности рассматриваемых бумагоподобных материалов фильтровального назначения за счет образования более плотного листа с тонкой капиллярно-пористой структурой.
Для оценки экологической безопасности применения в технологии продуктов гидролиза соединений алюминия в качестве связующего проводили анализ содержания алюминия в сточной воде на производстве бумагоподобных материалов фильтровального назначения на основе стекловолокна. Пробы воды отбирали в ходе опытно-промышленной выработки. Согласно требованиям стандартов [130, 131] определили содержание алюминия в исследуемой воде: в свежей – (0,090 ± 0,027) мг/л; в подсе-точной – (0,334 ± 0,100) мг/л, что значительно ниже его предельно допустимой концентрации, указанной в нормативно-технической документации [132] и составляющей 0,5 мг/л.
По итогам данного раздела сделали следующие выводы:
1) определено, что фильтрующая способность материала снижается с увеличением расхода связующего вне зависимости от его вида вследствие уплотнения структуры за счет закупоривания пор избытком частиц связующего;
2) установлено, что использование в качестве связующего продуктов гидролиза алюмината натрия повышает прочностные характеристики, а сульфата алюминия – улучшает фильтрующие свойства материала. При этом для сохранения баланса потребительских свойств бумагоподобных материалов фильтровального назначения расход связующего следует поддерживать на уровне 20 %;
3) установлено, что добавка в композицию нанотонкого стеклянного волокна номинальным диаметром 0,1 мкм повышает эффективность очистки при снижении производительности рассматриваемых бумагоподобных материалов фильтровального назначения за счет образования более плотного листа с тонкой капиллярно-пористой структурой;
4) подтверждена экологическая безопасность для естественной биосистемы использования продуктов гидролиза алюминия в качестве связующего в производстве бумагоподобных материалов фильтровального назначения.
Усовершенствованную по результатам диссертационного исследования технологическую схему представили на рисунке 3.20. Ее особенностями являются прежде всего использование отдельных потоков стеклянных волокон различного номинального диаметра, а также рекомендуемая предварительная обработка химикатами (в частности – гидроксидом натрия) в гидроразбивателях при поддержании концентрации волокнистой суспензии около 0,5%для повышения эффективности процесса диспергирования и достижения наилучших качественных характеристик конечной продукции.
