Исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем

Показано, что влияние гидродинамической обработки на реологическое поведение гелевых структурированных систем позволило предложить рациональный метод обработки и установить ее продолжительность для получения кинетически устойчивых эффективных пастообразных адсорбентов....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автор:	Грабова, Т.Л.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2009
Назва видання:	Промышленная теплотехника
Теми:	Тепло- и массообменные аппараты
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60910
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем / Т.Л. Грабова // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 4. — С. 43-50. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-60910
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-609102014-04-21T03:01:45Z Исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем Грабова, Т.Л. Тепло- и массообменные аппараты Показано, что влияние гидродинамической обработки на реологическое поведение гелевых структурированных систем позволило предложить рациональный метод обработки и установить ее продолжительность для получения кинетически устойчивых эффективных пастообразных адсорбентов. Показано, що вплив гідродинамічної обробки на реологічну поведінку гелевих структурованих систем дозволяє запропонувати раціональний метод обробки й установити її тривалість для одержання кінетично стійких ефективних пастоподібних адсорбентів. A complex of studies of the influence of hydrodynamic processing on the rheological behavior of gel-structured systems is curried out. The results obtained enables us to propose a rational method of processing for the production of kinetically stable paste-like adsorbents. 2009 Article Исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем / Т.Л. Грабова // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 4. — С. 43-50. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60910 532.695:541.182.644 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Тепло- и массообменные аппараты Тепло- и массообменные аппараты
spellingShingle	Тепло- и массообменные аппараты Тепло- и массообменные аппараты Грабова, Т.Л. Исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем Промышленная теплотехника
description	Показано, что влияние гидродинамической обработки на реологическое поведение гелевых структурированных систем позволило предложить рациональный метод обработки и установить ее продолжительность для получения кинетически устойчивых эффективных пастообразных адсорбентов.
format	Article
author	Грабова, Т.Л.
author_facet	Грабова, Т.Л.
author_sort	Грабова, Т.Л.
title	Исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем
title_short	Исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем
title_full	Исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем
title_fullStr	Исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем
title_full_unstemmed	Исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем
title_sort	исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Тепло- и массообменные аппараты
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60910
citation_txt	Исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем / Т.Л. Грабова // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 4. — С. 43-50. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT grabovatl issledovanievliâniâgidrodinamičeskojobrabotkinastrukturnomehaničeskiesvojstvananostrukturirovannyhsistem
first_indexed	2025-07-05T11:57:41Z
last_indexed	2025-07-05T11:57:41Z
_version_	1836808050017566720
fulltext	Для развития как теоретических и экспери= ментальных направлений моделирования порис= тых наноструктурированных сорбентов, так и для практических приложений (для разработки и создания технологий и оборудования для получе= ния эффективных сорбционных материалов с за= данными свойствами) представляет интерес изу= чение новых гелеобразных форм пористых материалов с высокой удельной поверхностью и специфическими адсорбционными свойствами [1]. Анализ литературных данных показал, что ра= боты в этом направлении в основном посвящены изучению коллоидно=химического механизма гелеобразования, формированию пористой структуры и синтезу органо=неорганических, в частности кремнийорганических пористых ад= сорбентов [1,2]. Однако ограниченное число работ [3,4] посвящено исследованию влияния физичес= ких эффектов и воздействий на физико=химичес= кие и структурно=сорбционные свойства пастооб= разных форм такого класса сорбентов. В представленной работе в качестве модель= ной среды взята система “гидрогель метилкрем= ниевой кислоты (ГГМКК) – вода очищенная”. ГГМКК – конденсационная твердообразная структура, являясь микрогетерогенной с прост= ранственным каркасом, обладает пористостью и проницаемостью. Коллоидным элементом такой структуры является глобула (7…15 нм) [4, 5]. Исходный ГГМКК имеет частицы размером до 5 мм и слабые пространственные структуры в виде агрегатированных частиц (ассоциаты) раз= мером от 1 до 20 мм, кроме того, каждая частица является структурированной (связнодисперс= ной) коллоидной дисперсной системой. Матри= ца (каркас частицы) состоит из пространствен= ной сетки “сшитых” макромолекул, в ячейках (порах) которой находится иммобилизованная во= да. Исходные параметры ГГМКК: начальная влаж= ность Wн = 89…91%, плотность ρ = 1,029 кг/м3. Проведена серия экспериментов гидродина= мической обработки суспензионной системы ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 43 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Показано, що вплив гідродинамічної обробки на реологічну поведінку геле- вих структурованих систем дозволяє запропонувати раціональний метод об- робки й установити її тривалість для одержання кінетично стійких ефектив- них пастоподібних адсорбентів. Показано, что влияние гидродина- мической обработки на реологическое поведение гелевых структурированных систем позволило предложить рацио- нальный метод обработки и установить ее продолжительность для получения кинетически устойчивых эффективных пастообразных адсорбентов. A complex of studies of the influence of hydrodynamic processing on the rheologi- cal behavior of gel-structured systems is curried out. The results obtained enables us to propose a rational method of pro- cessing for the production of kinetically stable paste-like adsorbents. УДК 532.695:541.182.644 ГРАБОВА Т.Л. Институт технической теплофизики НАН Украины ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СИСТЕМ К, k – реологические константы; n – индекс течения, реологическая константа; t – время; W – влажность; – скорость сдвига; δ – погрешность; μ – динамический коэффициент вязкости; ρ – плотность; τ – напряжение сдвига; ГГМКК – гидрогель метилкремниевой кислоты. Индексы нижние: н – начальное значение параметра; о – предельное значение параметра; эф – эффективное значение. γ “ГГМКК=вода” в гомогенизаторе=диспергаторе АР=3000 роторно=пульсационного типа [6], рабо= та которого базируется на реализации комплекса физических проявлений принципа дискретно= импульсного ввода энергии и ее трансформации в жидких гетерогенных средах [7]. В процессе технологической обработки мно= гофазные системы могут изменять механизм те= чения, приобретая свойства основных структур – тиксотропных, дилатантных, псевдопластичных. И как показали экспериментальные исследова= ния на каждом цикле обработки в режиме рецир= куляции изменяется текучесть исследуемых сис= тем. Знание реологических характеристик и пара= метров, влияющих на структурно=механические свойства системы “ГГМКК=вода”, важно для ре= шения гидродинамических задач, конструирова= ния рабочих органов оборудования, для определе= ния режимов получения и для прогнозирования стабильности системы. Реологические показатели системы “ГГМКК= вода” с соотношением компонентов 7:3 до и после гидродинамической обработки исследовались на ротационных вискозиметрах типа “RHEOTEST” в режиме непрерывной деформации по методу Сирле [8]. Реологические исследования проводили при ступенчатом увеличении скорости сдвига в ди= апазоне 7…1073 с–1, при =1073 с–1 система на= ходилась под нагрузкой 720 с, затем производили ступенчатое снижение скорости сдвига. Время измерения при каждом значении , так называе= мое время экспозиции, составляет 1 мин. Резуль= таты экспериментальных исследований пред= ставлены в виде зависимостей напряжения сдвига от скорости сдвига (τ = f( )) и эффектив= ной вязкости от скорости сдвига (μэф = f(τ)) для температуры 20 оС. Выбор такого температурно= го режима обусловлен стандартными условиями обработки исследуемых систем. На рис. 1 представлены реологические кривые исходной системы (кривая 1) и системы, прошед= шей гидродинамическую обработку (кривая 2). Анализ реологических кривых (рис. 1) показы= вает, что при наложении сдвигового напряжения происходит неравномерное в исследуемом диа= пазоне уменьшение μэф. При низких и средних значениях (7…200 с–1) происходит резкое уменьшение μэф на 24 Па·с для исходной системы (кривая 1) и на 27 Па·с для системы (кривая 2), прошедшей гидродинамическую обработку в го= могенизаторе=диспергаторе АР=3000, где разви= ваются скорости сдвига до 15000 с–1. Последую= γ γ γ γ γ γ 44 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Рис. 1. Реологические кривые системы “ГГМКК+вода”: а – зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига; б – эффективной вязкости от скорости сдвига. Обозначения: 1 – исходная система; 2 – после обработки в гомогенизаторе+диспергаторе АР+3000. , – нагружение, , – снятие нагрузки. ба щее увеличение скорости сдвига до 1073 с–1 приводит к незначительным (на 0,8 Па·с) умень= шениям μэф. Такой характер реологического по= ведения структурированных дисперсных систем объясняется тем, что первоначально происходит разрушение слабых пространственных структур (агрегатированных частиц) и макрочастиц, далее происходит разрушение более мелких структур= ных элементов. В диапазоне высоких частицы системы ориентируются в направлении течения и становятся более обтекаемыми. Как видно из рис. 1, исследуемые системы характеризуются четко выраженными неньютоновскими свой= ствами и относятся к сложным пластичным сис= темам, по свойствам приближенным к псевдо= пластичным системам. Известно, что если в системе присутствует высо= кодисперсная (коллоидная) фракция в достаточно малой концентрации, система становится тиксо= тропной [9]. В исследуемой нами системе дисперс= ная фаза находится в большой концентрации. Так, при =7 с–1 исследуемые системы имеют практически одинаковое значение μэф. Это поз= воляет предположить, что исходная система об= ладает тиксотропными свойствами, т.е. после снятия нагрузки происходит восстановление структурных связей в системе. Тиксотропия дисперсной системы проявляет= ся в гистерезисе кривых течения , получае= мых в режиме непрерывной деформации сначала при увеличении (при этом уменьшается μэф), а затем при уменьшении . Гистерезисные явле= ния обычно связывают с запаздыванием процес= са восстановления. Как видно на рис. 1, кривые течения исследуемых систем различны в режиме “нагружение=разгрузки” и образуют незамкну= тые петли гистерезиса. Существует мнение, что петли гистерезиса по= являются из=за ограниченного времени, недоста= точного для достижения равновесного течения. Другой причиной может быть необратимое раз= рушение структуры. В работе [10] предполагает= ся, что эффекты гистерезиса при течении струк= турированных систем возникают в результате того, что размеры агрегатов при увеличении выше, а при уменьшении ниже равновесных, так что кривая течения должна проходить между этими кривыми. В условиях равновесного течения при каждой существует критический (наибольший) размер агрегата. Агрегаты, размер которых выше крити= ческих, разрываются под действием гидродина= мических сил, а более мелкие объединяются при столкновении за счет поверхностных сил. Сред= ний размер агрегата уменьшается с увеличением и с ростом сил сцепления в агрегате. Исследования показали, что μэф исходной сис= темы (кривая 1) при уменьшении возрастает практически в 2 раза по сравнению с исходным значением. Незамкнутый характер петли гисте= резиса свидетельствует о том, что для восстанов= ления разрушенных связей структуры необходим период времени после снятия нагрузки, когда система должна находиться в состоянии покоя. Для исходной системы это время составляет по= рядка 120 мин. Что касается системы после гид= родинамической обработки (кривая 2), то при уменьшении происходит резкое снижение μэф. Это свидетельствует о необратимом разрушении структурных связей и текстурных перестройках в связнодисперсной системе. На рис. 2 приведены зависимости изменения вязкости от времени деформации при =1073 с–1. Для исходной системы (кривая 1) наблюдаются более значительные “всплески” значений вяз= кости, чем для системы, прошедшей гидродина= мическую обработку (кривая 2). Это свидетель= ствует о том, что последняя имеет характер течения, близкий к равновесному. Также следует заметить, что при продолжительном наложении сдвигового напряжения μэф величина “всплес= ков” уменьшается. Исследования показали, что реологическое по= ведение систем зависит от способа гидродинами= ческой обработки. Для сравнения взяты образцы системы, прошедшие гидродинамическую обра= ботку в различных аппаратах, один из которых яв= ляется экспериментальным аппаратом АР=3000, а другой – измельчающий аппарат, состоящий из технологической емкости, в которой установле= ны вращающиеся ножи. Так, система, прошедшая гидродинамическую обработку в гомогенизато= ре=диспергаторе АР=3000 (кривая 1, рис. 3), име= ет в 2 раза ниже значение эффективной вязкости, чем система, обработанная в измельчающем ап= парате (кривая 2). Дальнейшее постепенное на= γ γ γ γ γ γ γ γ γ ( )τ γ γ γ γ ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 45 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ложение сдвиговых напряжений, а затем их сня= тие приводят к необратимым деформациям, т.е. к релаксации системы. Причем такие процессы де= формации значительно сказываются на системе, описанной кривой 2: значение μэф уменьшается по сравнению с исходным практически в 3 раза. Экспериментально установлено, что на струк= турно=механические свойства исследуемых систем влияет влажность. Как видно на рис. 3, с увеличени= ем W необходимо прикладывать меньшее напряже= ние для деформации структуры. Характер реологи= ческих кривых для систем с влажностью W = 94% (кривая 1) и W = 90% (кривая 2) идентичен. Однако постепенное увеличение и последующее сниже= ние существенно сказываются на системе с мень= шим значением влажности, в которой происходят значительные структурно=текстурные перестройки. Как правило, реальные материалы могут соче= тать структурно=механические свойства разных мо= делей. Для описания реологического поведения псевдопластичных и вязко=пластичных систем обычно используют модели Гершеля–Балкли, Кэс= сона, Бингама, Оствальда=де=Виля [11]. Полученные экспериментальные данные для системы “ГГМКК= вода” с соотношением компонентов 7:3 при увели= чении скорости сдвига в диапазоне 7…1080 с–1 ап= проксимировались следующими уравнениями: – Гершеля–Балкли , (1) где τ0 – предельное динамическое напряжение сдвига, Па; k и n – реологические константы, – скорость деформации одноосного сдвига, 1/с; – Оствальда=де=Виля , (2) где k – коэффициент консистенции, характери= зующий μэф при единице градиента скорости, Па·с; n – индекс течения, характеризующий темп разрушения структуры; – Кэссона , (3) где τ0 – предельное динамическое напряжение сдвига, Па; К – “кэссоновская” вязкость, – скорость деформации одноосного сдвига, 1/с. γ 1/ 2 1/ 2 1/ 2 0 ( )Kτ = τ + γ nkτ = γ γ 0 nkτ = τ + γ γ 46 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Рис. 2. Зависимость изменения вязкости системы “ГГМКК+вода” от времени при =1073 c–1. Обозначения: 1 – равновесная кривая для исходной системы; 2 – равновесная кривая системы после обработки в гомогенизаторе+диспергаторе АР+3000. , – экспериментальные данные. γ Для определения параметров реологического уравнения (1) пользовались следующими мето= дами: 1. Для определения предельного напряжения сдвига τ0 кривые течения представляли в лога= рифмических координатах в виде . 2. Для определения реологических констант строили зависимости . Полученные аппроксимирующие зависимос= ти для исходной системы и системы, прошедшей гидродинамическую обработку в ап= парате АР=3000, представлены на рис. 5. ( )fτ = γ 0 lg( ) (lg( ))fτ − τ = γ lg( ) (lg( ))fτ = γ ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 47 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Рис. 3. Реологические кривые системы “ГГМКК+вода”: а – зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига; б – эффективной вязкости от скорости сдвига. Обозначения: 1 – система после обработки в аппарате АР+3000; 2 – после обработки в измельчающем аппарате. , – нагружение, , – снятие нагрузки. ба Рис. 4. Реологические кривые системы “ГГМКК+вода” после обработки в аппарате АР+3000: а – кривые течения; б – кривые вязкости. Обозначения: 1 – влажность W = 94%; 2 – влажность W = 90%. , – нагружение, , – снятие нагрузки. ба На основании полученных зависимостей опре= делили μэф по формуле . (4) Значения предельного напряжения сдвига τ0, начальной вязкости μ0, параметры аппроксими= рующих зависимостей и относительная погреш= ность аппроксимации δ представлены в табл. 1. Как видно из табл. 1, экспериментальные данные эф τ μ = γ 48 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Рис. 5. Аппроксимирующие кривые течения системы “ГГМКК+вода” с соотношением компонентов 7:3. Обозначения: а – 1 – для исходной системы по (1) и (2); 2, 3 – для системы после обработки в гомогенизаторе+диспергаторе АР+3000 по (3) и (4) соответственно; б – в “кэссоновских” координатах: 1 – для исходной системы; 2 – для системы после обработки в аппарате АР+3000. , – экспериментальные данные. а б для исходной системы хорошо описываются уравнениями рассматриваемых моделей. Что ка= сается системы, прошедшей гидродинамичес= кую обработку в гомогенизаторе=диспергаторе АР=3000, то наиболее приближено к эксперимен= тальным данным уравнение Кэссона: в диапазо= не низких скоростей сдвига относительная по= грешность составила 8%, а в области средних и высоких – 5%. Выводы 1. Исследуемые гетерогенные системы отно= сятся к смешанным структурам. Однако для опи= сания их реологического поведения целесообраз= но использовать микрореологическую модель Кэссона. Так как основные модели течения структури= рованных дисперсных систем разработаны для равновесных условий течения, то возможно для более точного описания реологического поведе= ния системы “ГГМКК=вода” в параметрах урав= нения течения следует учитывать объемную долю дисперсной фазы, силы сцепления и средний равновесный размер агрегата. 2. Изучение реологического поведения геле= образных наноструктур показали, что деформа= ционные свойства таких пористых структур в значительной степени зависят от способа и вре= мени гидродинамической обработки. Продолжи= тельное наложение деформации приводит к из= менению реологических свойств систем, что свя= зано как с релаксационными явлениями, так и со структурными перестройками, перераспределе= нием порового пространства. 3. Экспериментально установлено, что для получения пастообразных структур “ГГМКК=во= да” с соотношением компонентов 7:3, устойчи= вых к расслоению и высокими сорбционными показателями, наиболее эффективным является метод направленного дискретно=импульсного энергетического воздействия продолжитель= ностью 0,02 мин на 1 кг обрабатываемой сис= темы. 4. Комплекс проведенных исследований позволил предложить оптимальную конструк= цию гомогенизатора=диспергатора для получе= ния эффективных пастообразных сорбентов. ЛИТЕРАТУРА 1. Sol$gel approaches to materials for pollution control, water purification and soil remediation. – Pusha=Voditsa, october, 2007. 2. Слинякова И.Б., Денисова Т.И. Кремнийор= ганические адсорбенты: Получение, свойства, применение. – К.: Наук. думка, 1988. – 192 с. 3. Грабов Л.Н., Мерщий В.И., Грабова Т.Л. и др. Влияние параметров процесса гидродина= мической обработки наноструктурированных систем на свойства сорбентов // Промышленная теплотехника. – 2007. – Т. 9, № 6. – С. 28–32. ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 49 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Та б л . 1 . 4. N.I.Yashina, Е.P.Plygan, V.G.Semenov, А.M.Martynenko, О.V.Glushchenko Manufacturing sol=gel technology of the mesoporouse hydrogel methylsilicic acid. Medicine aspects // Sol=gel approaches to materials for pollution control, water purification and soil remediation. – Pusha=Voditsa, october 2007 (устный доклад). 5. Патент України №7472. Гідрогелі метилк= ремнієвої кислоти “Ентеросгель=супер”, як адсорбент середньо=молекулярних метаболитів та спосіб їх одержання / Шевченко Ю.М. та інші. 6. Патент України №20698. Реактронний гомогенізатор / Грабов Л.М., Мерщій В.І., Жи= леєв В.Т. 7. Долінський А.А. Принцип ДІВЕ та його ви= користання у технологічних процесах. – К.: На= ук. думка, 2001. – 346 с. 8. Белкин И.М. Ротационные приборы. Из= мерение вязкости и физико=механических харак= теристик материалов. – М.: Машиностроение, 1967. – 272 с. 9. О реологии тиксотропно=структурирован= ных дисперсных систем./ Поверхностные явле= ния в дисперсных системах. Физико=химическая механика. Избранные труды. П.А.Ребиндер. – М.: Наука, 1979. – С.104–111. 10. Жуховицкий С.Ю. Реологическое поведе= ние глинистых суспензий // Коллоидный жур= нал. – 1966. – Т. 67 – С. 645. 11. Матвиенко В.И., Кирсанов Е.А., Реми$ зов С.В. Высокопарафинистая нефть как дисперсная система. Влияние механичес= кой предыстории образца на коэффициен= ты уравнения Кэссона // Вестник Московс= кого университета, Сер. 2. Химия. – 2001. – Т. 42, № 5. – С. 363–368. Получено 17.04.2009 г. 50 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Исследование влияния гидродинамической обработки на структурно-механические свойства наноструктурированных систем

Репозитарії

Схожі ресурси