Технологія отримання композитів типу «силікагель – кристалогідрат» для адсорбційних перетворювачів теплової енергії

Монотонне зростання тарифів на енергоносії та ініціативи світової спільноти зі зменшення викидів шкідливих речовин у навколишнє середовище вимагає заміни традиційного палива (нафта, газ, вугілля) поновлюваними джерелами енергії (енергією сонця, вітру, геотермальною, припливів-відпливів) і раціонального використання тепла в промисловості, транспорті та побуті (повторного використання тепла вихлопних газів, накопичувачів енергії та ін.). Одним зі шляхів економії палива та використання поновлювальних джерел є акумулювання тепла.

Акумулювання тепла відіграє важливу роль в реалізації таких енергозберігаючих заходів як: узгодження режимів вироблення і спожи-вання тепла; розширення можливості використання вторинних енергоре-сурсів, нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії. Подальший прогрес у адсорбційному перетворенні тепла (АПТ) буде можливим лише за умови використання інноваційних адсорбентів з додатковими властивостями. Композити «сіль в пористій матриці» (CВПМ) були визнані перспек-тивними матеріали для AПT завдяки їх підвищеної сорбційної здатності до поширених робочих рідин (води, метанолу та аміаку).

Метою роботи є створення та впровадження інноваційних, ресурсо-енергоефективних технологій, матеріалів та обладнання адсорбційного перетворення тепла для використання в енергетичній сфері, а саме, в опаленні, гарячому водопостачанні, акумулюванні теплової енергії, вентиляції кондиціонуванні повітря.

Пористі композитні матеріали отримували методом осадження рідких натрієвих силікатних стекол різними кислотами – сірчаною й оцтовою. Композитний матеріал «силікагель – Na₂SO₄» було отримано за допомогою реакції нейтралізації сірчаної кислоти H₂SO₄:

Na₂Si₃O₇ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + (SiO₂)₃ +H₂O

Для синтезу композитного матеріалу «силікагель – Na₂SO₄» використані 98% розчину сірчаної кислоти та 54% розчину рідкого натрієвого силікатного скла, необхідно брати в такому співвідношенні компонентів мас %: розчин рідкого натрієвого силікатного скла – 81,76 та сірчана кислота – 18,24. Реакція нейтралізації 98% розчину оцтової кислоти 54% розчином рідкого натрієвого силікатного скла описується наступною реакцією:

Na₂Si₃O₇ + 2СН₃СООН = 2CH₃COONa + (SiO₂)₃ +H₂O

При таких концентраціях вихідних речовин при синтезі композитного матеріалу «силікагель – CH₃COONa» використовувалося таке співвідно-шення компонентів мас %: розчин рідкого натрієвого силікатного скла – 78,54 та оцтова кислота – 21,46.

Оскільки технологію отримання композитних сорбентів «силікагель – кристалогідрат» розробляли з використанням сірчаної та оцтової кислот однакової концентрації їх у розчині, опис технології наведений на прикладі сірчаної кислоти. Для дослідів використовували рідке скло з силікатним модулем 3,2 та концентрацією SiO₂ 45 %.

На першій стадії у колбу місткістю 250 мл завантажували 7 г рідкого скла (2,39% SiO₂ − 100 мл), 93 мл H₂O та 0,07 г ПЧАС. Цю суміш нагрівали до 35ºС та інтенсивно перемішували при додаванні 1 г H₂SO₄ та 39 мл H₂O (2,4% розчин) протягом 30 хвилин. При цьому нейтралізується близько 80% лугу і значення рН знижалося приблизно до 9. По закінченні додавання кислоти спостерігалося суттєве помутніння розчину. Такий прозорий золь нагрівали до 95ºС протягом 15 хвилин, для збільшення розміру частинок. Луг, який виділявся внаслідок зменшення поверхні кремнезему, викликав збільшення рН приблизно до 10. На другій стадії до однієї крапельної воронки завантажували 7,25 г рідкого скла та 13 мл H₂O (13,22% SiO₂ – 100 мл), до другої – 1 г H₂SO₄ та 20 мл H₂O (4,65 % розчин) і одночасно при інтенсивному перемішуванні протягом 2 годин при температурі 95ºС по краплям додавали до основного розчину. Обрані пропорції дозволяли підтримувати рН рівним приблизно 10. На цій стадії утворений композитний сорбент осаджувався з розчину. Після цього протягом 20 хвилин по краплям додавали 4,65% розчин H₂SO₄ для зниження рН до 5 та проводили старіння суміші при 90ºС протягом 4 годин, що дозволяло зменшити злипання часток при фільтрації. По закінченні синтезу осад композитного сорбенту відфільтровували та висушували при температурі 60ºС до постійної маси.

Встановлено, що відмінність властивостей масивної солі кристалогідрату від такової у складі композитного сорбенту полягає у наноструктурованості солі у порах кремнійкисневої матриці. Показано, що сорбційні властивості синтезованих композитних сорбентів «силікагель-кристалогідрат» не є лінійною комбінацією властивостей силікагелю і масивної солі, а швидкість процесу сорбції води втричі вища. Процес гідратації переходить з кінетичного режиму, характерного для масивної солі в дифузійний режим, в якому лімітуючою стадією є транспорт води к солі по системі пор кремнійкисневої матриці.

Таким чином, в роботі розроблено технологічні принципи отримання нового класу сорбційних композитних матеріалів «силікагель – Na₂SO₄» та «силікагель – СН₃СООNa».