Одним из примеров, где решение задачи обезвоживания кристаллогидратов имеет практическое значение, является производство медного купороса. Медный купороснаходит широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. Пятиводный кристаллогидрат сульфата меди CuSO4·5H2O (хальконтит), называемый медным (синим) купоросом, образует асимметричные ярко-синие кристаллы триклиноэдрической системы с плотностью 2,29 г/см3. При нагревании (110°) он переходит в трехводный (голубого цвета) и одноводный (белого цвета) сульфат меди. Выше 258 °С образуется безводный сульфат меди белого цвета, сильно гидроскопичный. При 819–860 °С CuSO4 разлагается по реакции:
CuSO4 = SO3 + CuO·CuSO4
а при 897–934 °С полностью диссоциирует на CuO и SO3. При обычной температуре кристаллы медного купороса на воздухе не выветриваются. Он служит исходным материалом для производства различных солей меди [2].
Термообработка кристаллогидратов используется для получения солей с меньшим содержанием влаги. Большая дополнительная нагрузка по воде (CuSO4•5H2O) иногда является нежелательной. Поэтому возникают вопросы, связанные с повышением содержания основного вещества. Удаление части воды представляет собой практически значимую задачу. Как правило применяются методы, связанные с использованием теплопередачи и других конвективных методов теплообмена.
Развитие естественных наук, опирающееся, на существенное расширение технических возможностей проведения исследований, которое наблюдается в последние десятилетия, а также тесное переплетение достижений химии, физики, биологии и других областей естествознания привели к тому, что во второй половине XX века появились такие новые области химии, как лазерная химия, плазмохимия, фотохимия, химия высоких давлений, механохимия. В последние 20 лет к ним присоединилась и микроволновая химия [1].
Микроволновая химия возникла на стыке физики и химии. Она включает химические превращения с участием твердых диэлектриков и жидкостей, связанные с использованием энергии микроволнового поля или, как было принято говорить ранее, сверхвысокочастотного поля, то есть СВЧ излучения. Было обнаружено, что микроволновое (MB) излучение способно в десятки и сотни раз ускорять многие химические реакции, вызывать быстрый объемный нагрев жидких и твердых образцов, эффективно (быстро и полностью) удалять влагу из твердых, в том числе и высокопористых материалов, модифицировать свойства различных сорбентов [1].
Специфика работы с солями повышенной чистоты требует исключения возможности контакта с любыми теплоносителями с целью предотвращения их загрязнения, пыления, отрицательного воздействия на обслуживающий персонал и многих других нежелательных процессов. Использование СВЧ энергии в этом смысле представляет большие перспективы:
– время сушки значительно сокращается;
– уменьшается расход энергии, т. к. магнетроны работают с высоким КПД
– отсутствует загрязнение материала
– высокая удельная производительность оборудования
– простое управление в автоматическом режиме
– улучшение санитарно-гигиенических условий труда
В исследованиях использовалась микроволновая бытовая печь, муфельная печь, керамические подложки, пирометр и три образца продукта.
- первый образец — кристаллы CuSO4•5H2O, размер кристаллов 0,15 мм,
- второй образец — товарный продукт CuSO4•5H2O, размер кристаллов 0,3–0,4 мм,
- третий образец — CuSO4•5H2O, размер кристаллов более 2 мм.
Такой характер образцов был подобран для того, чтобы изучить особенности обезвоживания в микроволновом поле.
Каждый образец подвергался обезвоживанию постадийно, при этом отслеживалось, как менялись масса и температура соли. Контроль температуры осуществляется с помощью пирометра.
Работа проводилась на интенсивности излучения 350–400 Вт в импульсном режиме. Режим обработки выдерживался идентичный для всех трёх образцов при их одинаковой массе. Время одного цикла пребывания продукта в СВЧ печи составляло 3 минуты. Для сравнения и для оценки достигаемых результатов все три образца прокаливались в обычной муфельной печи до постоянного веса при температуре 370 ºС.
Скорость сушки оценивалась по убыли массы. В результате эксперимента получена зависимость изменения убыли массы в циклах от крупности исходных образцов. Результаты представлены на рисунке.
Рис. 1. Кривая зависимости скорости обезвоживания медного купороса от размера кристаллов
Установлена зависимость скорости сушки от крупности, при этом максимальная скорость сушки наблюдается для более крупных кристаллов медного купороса.
При обработке кристаллов с размером более двух миллиметров в сечении наблюдались местные перегревы реакционного объема вплоть до раскалывания подложек. Оптимальной крупностью исходных кристаллов для обезвоживания в СВЧ поле следует признать размер кристаллов на уровне 0,3–0,4 мм. Этому размеру соответствует достаточно высокая скорость сушки и исключаются местные перегревы.
Литература:
- Бердоносов С. С., Бердоносова Д. Г., Знаменская И. В. Микроволновое излучение в химической практике // Хим. технология. 2000. № 3. С. 2–8.
- https://ru.wikipedia.org/wiki/ %D0 %A1 %D1 %83 %D0 %BB %D1 %8C %D1 %84 %D0 %B0 %D1 %82_ %D0 %BC %D0 %B5 %D0 %B4 %D0 %B8(II)
