Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2459204

(19)

RU

(11)

2459204

(13)

C1

(51) МПК G01N33/46 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2012 - действует Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011111897/15, 30.03.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

30.03.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 30.03.2011

(45) Опубликовано: 20.08.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: ГРОМОВ О.Б. и др. Химическая технология, 2005, 5, с.41-43. SU 119007 A1, 01.01.1959. SU 1255175 A1, 07.09.1986. RU 2283175 C2, 10.09.2006. RU 2283176 C2, 10.09.2006.

Адрес для переписки:

115409, Москва, Каширское ш., 33, ОАО "ВНИИХТ", информационно-патентный отдел

(72) Автор(ы):

Громов Олег Борисович (RU),

Дьяченко Александр Николаевич (RU),

Зернаев Пётр Васильевич (RU),

Михеев Пётр Иванович (RU),

Прокудин Владимир Константинович (RU),

Петренко Елизавета Олеговна (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Открытое акционерное общество "Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии" (RU)

(54) СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ СОРБЕНТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к неорганической химии и, в частности, к технологиям диагностирования материалов химической и атомной промышленности. Степень отработки и определение остаточного ресурса химического сорбента - мерсеризованной древесины - осуществляют путем контроля изменения его цвета от белого и оттенков коричневого до черного по мере насыщения поглотителя кислыми соединениями в зависимости от содержания поглощаемого компонента в сорбенте, равного от 0 до 45% (мас.) при степени отработки сорбента от 0 до 100%, при этом древесное волокно является цветовым индикатором. Достигается простота и эффективность контроля состояния сорбента, по визуальному виду которого можно определить критерий его отработки и степень насыщения адсорбатом. 3 з.п. ф-лы, 1 пр., 3 табл., 4 ил.

Изобретение относится к неорганической химии и, в частности, к технологиям диагностирования материалов химической и атомной промышленности.

Твердые химические вещества часто используют в качестве сорбентов для улавливания газообразных соединений. Сорбентами могут быть соли (фториды, карбонаты, сульфаты металлов и др.), оксиды (алюминия, кремния, кальция, магния и др.), гидроксиды (кальция, магния, железа и др.), имеющие, как правило, в массе белый цвет, а также органические вещества (иониты, уголь, древесина и др.) [Баскин З.Л. Промышленный экологический контроль. Хроматографические методы анализа фтора и его соединений. - М.: Энергоатомиздат, 2008, с.31-34].

Как правило, при поглощении газов сорбентами визуально система не претерпевает каких-либо изменений [Галкин Н.П. и др. Улавливание и переработка фторсодержащих газов. - М.: Атомиздат, 1975, с.83-86, 142-148]. Например, в процессе поглощения газообразных веществ кислого характера, например HF, UF 6 и др., на сорбентах на основе фторидов щелочных или щелочно-земельных металлов цвет конечных веществ (NaHF 2 , LiHF 2 , Na 2 UF 8 , BaUF 8 и др.) неизменен, т.е. остается белым. По виду полученного вещества невозможно определить степень его насыщения поглощаемым компонентом. Эти характеристики можно вычислить двумя путями: 1) химический анализ материала на содержание поглощенного компонента и 2) содержание поглощаемого компонента в газе за слоем сорбента свыше заданного проскокового значения. И в том, и другом случае требуется достаточно продолжительное время для оценки степени насыщения сорбента и принятия решения об его регенерации или замене. Аналогичная картина наблюдается при очистке воздуха, например, от сернистого или углекислого газа с применением гидроксидов или оксидов. По внешнему виду нельзя определить степень отработки сорбента, т.к. цвет исходного и насыщаемого сорбента одинаковый.

Однако известно, что при взаимодействии химических соединений во многих случаях меняется цвет системы при переходе от исходных реагентов к продуктам реакций. Так, например, раствор перманганата калия, имеющий фиолетовый цвет, при восстановлении до манганата калия приобретает зеленую окраску. Или при действии плавиковой кислоты на растворы солей уранила, имеющих лимонно-желтую окраску, образуется темно-зеленый тетрафторид урана. Подобные примеры можно приводить практически бесконечно.

Известно также, что при титриметрическом определении того или иного иона, находящегося в растворе, для фиксации точки эквивалентности в титруемый раствор добавляют две-три капли индикатора, как правило, представляющего собою органическое соединение, которое меняет свой цвет при изменении pH раствора [Гиллебранд В.Ф. и др. Практическое руководство по неорганическому анализу. Пер. с англ. Под ред. Ю.Ю.Лурье. - М.: ГНТИХЛ, 1957, с.183, 196]. Например, при определении кислотности в аликвоту добавляют индикатор - бесцветный фенолфталеин. В процессе титрования раствором щелочи в точке эквивалентности изменяется цвет раствора на малиновый, что означает полную нейтрализацию в исходном растворе ионов водорода, т.е. практическое их исчезновение и появление в растворе избыточных ионов гидроксила. В случае обратного процесса, т.е. определения щелочности раствора с использованием фенолфталеина, цвет титранта изменяется от малинового до бесцветного.

Таким образом, изменение цвета системы в вышеописанных примерах используют в качестве критерия диагностирования окончания того или иного процесса или, иными словами, изменение цветности системы сигнализирует об исчерпании одного из исходных соединений, что является, в свою очередь, критерием окончания процесса.

Сорбенты, получаемые обработкой древесины растворами щелочи по способам [SU 710601; SU 1255175; RU 2283175; RU 2283176, МПК B01J 20/24], содержат в своем составе NaOH. После выдержки древесины в растворе щелочи и высушивания материал имеет цвет от светло-бежевого до светло-коричневого в зависимости от породы исходной древесины с белым налетом адсорбированной сухой щелочи.

На рис.1 и 2 показана мерсеризованная древесина.

На рис.1:

На рис.2:

Содержание NaOH 36-40% (мас.).

Содержание NaOH 46-48% (мас.).

Содержание H 2 O 10-12% (мас.).

Содержание H 2 O 9-11% (мас.).

Технический результат настоящего изобретения заключается в нахождении простого и эффективного способа контроля состояния сорбента, по визуальному виду которого можно определить критерий его отработки и степень насыщения адсорбатом.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что степень отработки и определение остаточного ресурса химического сорбента - мерсеризованной древесины - осуществляют путем контроля изменения его цвета от белого и оттенков коричневого до черного по мере насыщения поглотителя кислыми соединениями в зависимости от содержания поглощаемого компонента в сорбенте, равного от 0 до 45% (мас.) при степени отработки сорбента от 0 до 100%, при этом древесное волокно является цветовым индикатором.

При содержании поглощаемого соединения до 30 мас.% цвет сорбента изменяется от оттенков коричневого до равномерного серого при степени отработки 80-85%.

При содержании поглощаемого соединения в пределах 30-39% (мас.) материал состоит из приблизительно равного количества серых и черных частиц, а степень его отработки равна 85-95%.

При содержании поглощаемого соединения более 40% (мас.) цвет сорбента становится преимущественно черным при степени отработки, приближающейся к 100%.

Критерием отработки сорбента является содержание поглощаемого компонента, равное 31-35% (мас.), а материал состоит преимущественно из серых частиц с черными вкраплениями.

Процесс поглощения кислых газов на подобных сорбентах заключается в следующем. Газообразное соединение, например HP, взаимодействует первоначально с адсорбированной на поверхности сорбента щелочью

HF+NaOH=NaF+H 2 O

По исчерпании адсорбированной щелочи HF начинает реагировать с химически связанной с целлюлозой (основа древесного волокна) щелочью

R cell OH·NaOH+HF=R cell OH·+NaF+H 2 O

Вследствие рыхлости образованного слоя фторида натрия и наличия воды HF, наконец, начинает взаимодействовать с целлюлозой, являющейся многоатомным спиртом со слабощелочным характером

R cell OH+HF=R cell F·+H 2 O

Как показано нашими исследованиями, в процессе поглощения HF цвет материала существенно меняется только на последней стадии работы сорбента от исходного, т.е. белого и светло-коричневого, до серого и черного в зависимости от степени насыщения его продуктами реакций нейтрализации (табл.1). Древесное волокно является цветовым индикатором отработки сорбента.

На рис.3 и 4 показан древесный материал, содержащий различное количество фтора.

Рис.3 - Образец ХП-МД, содержащий 12,5% (маc.) фтора:

Рис.4 - Отработавший поглотитель:

Темные частицы (лобовой слой) содержат 38-42% (маc.) фтора.

Светлые частицы (выходной слой) содержат от 0 до 1,8% (маc.) фтора.

Таблица 1

Физико-химическое состояние отработавшей древесины

Номер образца

Слой

Изменение массы, % (маc.)

Содержание, % (маc.)

Внешний вид (цвет)

NaOH

F

Исх.

все

0

30,6

0

Кремовый

1

лобовой

0

27,9

Серый

средний

+26,7

22,8

3,0

Исходный с серыми вкраплениями

выходной

27,7

0,1

Исходный

2

лобовой

0

33,2

Серо-черный

средний

+46,0

0

30,7

Серый с черными вкраплениями

выходной

15,0

6,2

Исходный с отдельными серыми частицами

3

лобовой

0

42,8

Черная, влажная масса, запах формалина

средний

+110,0

0

46,6

То же

выходной

0

36,3

Серо-черная масса (~50%×50%), запах формалина

Таким образом, по изменению цвета древесины, подвергающейся воздействию кислых соединений, можно определить степень отработки или степень остаточного ресурса сорбента. В данном случае древесина является индикатором, по изменению цвета которого определяют степень насыщения сорбента адсорбатом.

В результате проведенных нами исследований по насыщению химических сорбентов, на (в) древесную основу которых нанесен (введен) твердый гидроксид натрия, фторидом водорода в динамических условиях были получены следующие данные.

После мерсеризации древесины 25%-ным раствором NaOH в ней содержится 30-48% (мас.) щелочи (в зависимости от времени процесса и вида древесины), как адсорбированной на поверхности, так и химически связанной с древесным волокном. Максимально возможное поглощенное содержание фтора оказалось равным 57% (мас.). Физическое состояние - волглая (влажная) масса черного цвета. В этом полностью отработанном состоянии сорбент, точнее то, во что он превратился, является вторичным источником вредных химических веществ, в частности, ощущался резкий запах формальдегида, что было также подтверждено качественным химическим анализом. Формальдегид начинает выделяться из массы поглотителя при содержании фтора, равного 45-47% (мас.). Таким образом, если принять, что полная степень отработки поглотителя достигается при достижении содержания фтора в нем величины 45% (мас.), т.е. начало выделения вторичных ВХВ, то степень отработки можно определить по данным, представленным в табл.2.

Таблица 2

Определение степени отработки

пп

Содержание фтора, % (мас.)

Содержание NaOH, % (мас.)

Цвет

Степень отработки, %

1

0

40-45

Светло-коричневый

0

2

25-30

3-5

Серый

80-90

3

31-35

0

Серые и черные частицы

90-95

4

>40

0

Преимущественно черный

100

Таким образом, исходя из данных табл.2 отработанным химическим сорбентом на основе мерсеризованной древесины следует считать материал, состоящий приблизительно из равного количества серых и черных частиц и содержащего не более 35% (мас.) фтора. Такое содержание фтора является предельным и сорбент в этом случае требует немедленной замены, так как дальнейшая его эксплуатация чревата вторичным загрязнением очищенного от летучих галогенидов газа вредными химическими веществами, в частности формальдегидом.

Пример

Газовую смесь, содержащую до 9 об.% HF в воздухе, пропустили через четыре последовательных слоя сорбента толщиной каждого 20 см, размещенных в вертикальной колонне. После колонны присутствие HF в выходном воздухе не обнаруживали в период всего опыта. Поглотитель отрабатывает ресурс послойно. Степень отработки последовательных слоев представлена в табл.3.

Таблица 3

Степень отработки сорбента в динамических условиях

слоя

Цвет слоя

Содержание фтора, % (мас.)

Степень отработки, %

Исходный

Светло-коричневый

0

-

1 слой

Черный

42,4

~100

2 слой

Серый с черными частицами

31,7

86

3 слой

Серый

23,1

55

4 слой

Светло-коричневый

1,5

~10

Как следует из данных табл.3, замене подлежат, безусловно, 1-й слой и, вероятно, 2-й слой в связи с практически полным выработанным ресурсом.

Поэтому критериями отработки сорбента являются содержание фтора на уровне 30-32% (мас.) и изменение цвета до серого с черными вкраплениями.

Формула изобретения

1. Способ диагностирования состояния сорбента на основе мерсеризованной древесины в процессе насыщения его кислыми газообразными соединениями, отличающийся тем, что контролируют изменение цвета сорбента от белого и оттенков коричневого до черного в зависимости от содержания поглощаемого компонента в сорбенте, равного от 0 до 45 мас.%, при степени отработки сорбента от 0 до 100%, при этом древесное волокно является цветовым индикатором, изменяющим цвет при переходе щелочной среды системы в кислую.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при содержании поглощаемого соединения до 30 мас.% цвет сорбента переходит от оттенков коричневого до равномерного серого при степени отработки 80-85%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при содержании поглощаемого соединения в пределах 30-39 мас.% материал состоит из приблизительно равного количества серых и черных частиц, а степень его отработки равна 85-95%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при содержании поглощаемого соединения более 40 мас.% цвет сорбента преимущественно черный при степени отработки, приближающейся к 100%.

РИСУНКИ