Динамика поглощения воды в зерне и слое сорбентов CaCl2/силикагель и CaCl2/оксид алюминия Глазнев Иван Сергеевич
Диссертация - 15у.е., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников
Автореферат - 6 у.е., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья
Глазнев Иван Сергеевич. Динамика поглощения воды в зерне и слое сорбентов CaCl2/силикагель и CaCl2/оксид алюминия : дис. ... канд. хим. наук : 02.00.04 Новосибирск, 2006 143 с. РГБ ОД, 61:07-2/233
Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Список принятых в тексте обозначений 7
ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР .' 9
1.1. Кинетика сорбции в пористой среде 9
Массо- и теплоперенос в пористой среде 10
Механизмы диффузии в пористой среде 14
Математическое моделирование кинетики сорбции 19
(а) Изотермическая сорбция в линейных системах 20
(б) Неизотермическая сорбция 26
1.2. Особенности селективных сорбентов воды (ССВ) 27
Свойства массивной системы «CaClj - Н2О» 29
Свойства системы «CaCh/силикагель - Н2О» 33
Свойства системы «СаСЬ/оксид алюминия-ЩО» 36
Влияние соли на массоперенос в порах силикагеля и оксида алюминия 38
Заключение 43
ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 44
2.1. Материалы и реактивы 44
Приготовление зерен «СаСІ2 в мезопористой матрице» 45
Приготовление слоев «CaCl'2 в мезопористой матрице» 46
2.2. Экспериментальные методики 47
Измерение характеристик пористой структуры 48
Измерение кинетики сорбции зернами 48
Моделирование кинетических кривых 51
Измерение распределения воды в слое в процессе сорбции методом 'НЯМР-томографии 52
Измерение температуры слоя в процессе сорбции 56
Измерение распределения воды в слое в процессе сорбции методом у-просвечивания 57
Измерение изотерм сорбции 60
ГЛАВА III. КИНЕТИКА ПОГЛОЩЕНИЯ ВОДЫ В ЗЕРНЕ 61
3.1. Сорбент «СаСЬ/силикагель» 61
Влияние размера зерна 61
Влияние температуры 69
Влияние содержания CaCh 74
Сорбент «СаСЬ/оксид алюминия» 81
Силикагель Fuji Davison RD 90
ГЛАВА IV. ДИНАМИКА СОРБЦИИ ВОДЫ В СЛОЕ 97
4.1. Сорбент «СаСЬ/силкагель» 97
4.1.1. Влияние размера мезопор исходных частиц сорбента 100
Влияние содержания связующего 102
Влияние размера зерен слоя 106
4.2. Сорбент «СаСЬ/оксид алюминия» 108
Влияние содержания связующего 111
Влияние размера зерен слоя 117
Влияние содержания CaCh 119
Влияние давления паров воды 125
4.3. Оптимальная структура пор слоя 128
ВЫВОДЫ 132
Благодарности 133
ЛИТЕРАТУРА 134
Введение к работе
Работа посвящена изучению кинетики сорбции воды композитными сорбентами на основе СаСЬ, помещенного в поры силикагеля и оксида алюминия. Эти материалы являются представителями нового семейства композитных сорбентов типа «активная соль в пористой матрице» (так называемые Селективные Сорбенты Воды - ССВ), разработанных в ИК СО РАН. Их получают, модифицируя обычные адсорбенты (силикагель, оксид алюминия, пористые угли и др.) гигроскопичной солью. Исследование ССВ, показало, что они имеют ряд преимуществ по сравнению с исходными ^модифицированными материалами: высокую сорбционную емкость (0.6-1.5 г НгО/г сорбента), низкую температуру регенерации (100-150С) и возможность варьировать свойства в широких пределах. Эти преимущества сделали их перспективными материалами для ряда приложений, таких как осушка газов, аккумулирование низкопотенциалыюго тепла, тепловая защита и др. Несмотря на то, что некоторые из них уже используются в промышленных аппаратах осушки воздуха («хлорид кальция в оксиде алюминия») [1, 2] и лабораторных прототипах адсорбционных тепловых насосов («хлорид кальция в силикагеле») [3, 4], кинетику сорбции паров воды этими материалами ранее детально не изучали.
Многие статьи посвящены изучению кинетики сорбции воды в пористых адсорбентах, в том числе и потому, что эта информация необходима для конструирования и оптимизации реальных адсорбционных устройств. Основным объектом исследования в большинстве работ были широко используемые промышленные осушители, такие как цеолиты и силикагели. Для них показано, что кинетика поглощения, как правило, определяется тепло- массопереносом в сорбенте, а не собственно взаимодействием воды с поверхностью [5].
Для улучшения тепло-массопереноса в реальных устройствах сорбент, как правило, используют либо в виде отдельно лежащих зерен или гранулированной засыпки в теплообменнике либо в виде консолидированного слоя со связующим, непосредственно контактирующим с теплопоглощающей поверхностью. В первом случае облегчен транспорт паров воды между гранулами, и кинетика поглощения определяется тепломассопереносом в зерне. Во втором случае наличие связующего и увеличение плотности слоя способствует интенсификации теплопереноса, но ухудшает массоперенос паров воды, от которого в результате может существенно зависеть кинетика сорбции воды.
В связи с этим актуальной является задача оптимизации тепло-массопереноса в
сорбенте. Для этого необходимо исследовать механизм транспорта и влияние пористой структуры адсорбента, температуры, давления и других факторов на скорость поглощения воды, чтобы на основе полученных фундаментальных знаний синтезировать сорбент, оптимальный для заданного приложения.
Целью данной работы являлось исследование динамики сорбции воды в единичном зерне и слое композитных сорбентов «СаСЬ/силикагель КСК» и «СаСЬ/у-А120з».
Диссертационная работа состоит из четырех глав.
В литературном обзоре (Глава I) рассмотрены публикации, касающиеся кинетики поглощения паров воды твердыми пористыми адсорбентами. В отдельном разделе обсуждаются свойства композитных сорбентов «хлорид кальция в пористой матрице» и их особенности, которые могут влиять на кинетику поглощения воды.
В Главе II описаны материалы и методики, которые были использованы для приготовления зерен и слоев композитных сорбентов «СаСЬ / силикагель» и «СаСЬ /оксид алюминия». Подробно представлены экспериментальные методы, с помощью которых изучали динамику поглощения воды в приготовленных сорбентах.
В Главе III изложены результаты исследования кинетики сорбции воды в единичном зерне композитных сорбентов «СаСЬ /силикагель КСК» и «СаСЬ / оксид алюминия», а также в микропористом силикагеле Fuji Davison RD, который сейчас используют в адсорбционных устройствах производства холода и тепла. Рассмотрено, каким образом содержание хлорида кальция, давление паров воды, размер и температура зерен сорбента влияют на кинетику изотермической и неизотермической сорбции. Проведено математическое моделирование кинетических кривых и получен коэффициент диффузии воды в порах с солью.
В Главе IV изложены результаты исследования динамики сорбции воды в слое композитных сорбентов «СаСЬ /силикагель КСК» и «СаСЬ /оксид алюминия» методами ЯМР-томографии и гамма-просвечивания. Рассмотрено, каким образом содержание соли и связующей добавки, размер зерен слоя и его температура влияют на динамику влагоперенса в слое в изотермическом случае. На основе полученных результатов обсуждается возможность синтеза слоя композитного сорбента, структура и состав которого максимально удовлетворяют динамическим требованиям такого важного приложения, как адсорбционные тепловые насосы и холодильники.
Работа выполнена в Институте катализа СО РАН в рамках планов НИР Института, проектов РФФИ (фанты 02-03-32304, 02-03-32770, 03-02-39017, 04-02-81028, 05-02-16953 и 05-03-34762) при частичной финансовой поддержке Международного
благотворительного фонда им. К.И. Замараева и Молодежной программы фонда Глобальная Энергия (грант МГ-2005/04/3).
Основные результаты представлены на Всероссийских и Международных конференциях, среди которых XXVI и XXVII Сибирский теплофизический семинар, Новосибирск 2002, 2004; Int. Conf. on Sorption Heat Pumps, Sept. 23-27, 2002, Shanghai, China; III Int. Conf. on Heat Powered Cycles, October 10-13, 2004, Larnaca, Cyprus; Int. Seminar "Research Advances in Rational Design of Catalysts and Sorbents", December 13-15, 2005, Lyon, France.
Материалы диссертации представлены в двенадцати публикациях, среди которых шесть статей в рецензируемых журналах и шесть тезисов конференций.