пірогенних форм оксидів, технологічна схема якої приведена на рис. 3.4, використана нами, з врахуванням її відносної простоти. Дія установки описана в роботі [21] і полягає в спалюванні у воднево – кисневому полум’ї гомогенної суміші парів летких сполук металів чи металоїдів при температурах до 1500?С. Основними елементами установки є спалюючий пристрій 1 оригінальної конструкції, субліматор – випарник 2 і реактор 3. Дальше послідовно задіяні стадії коагуляції і охолодження, розділення суміші і очистка дисперсного продукту шляхом процесу десорбції утримуваних поверхнею оксидів HCl і Cl2.
Рис. 3.4. Принципова технологічна схема установки для одержання дисперсних оксидів полум’яним гідролізом летких сполук металів або металоїдів:
1 – спалюючий пристрій; 2 – субліматор; 3 – реактор-охолоджувач; 4 – коагулятор; 5 – циклон-відділювач; 6 – інжектор; 7 – десорбер з електрообігрівом; 8 – випарник; 9 – теплообмінники; 10 – витратоміри-ротаметри.
В роботі [22] пропонується інша схема установки синтезу дисперсних оксидів, в якій спалюючі пристрої водню, як джерела води і тепла, встановлені в кільцевий ряд почергово з патрубками введення з циклонів, що служать для відокремлення дисперсного продукту від газів.
Практично все обладнання, крім пальника, виготовлено із алюмінієвих сплавів, що досить корозійно стійкі за цих умов, а тому не забруднюють одержуваний Al2O3 сторонніми домішками. Перевагою є також те, що цей матеріал має добру теплопровідність, що є дуже важливо в такому термічно – напруженому процесі, оскільки дає змогу уникати місцевих перегрівів.
Виходячи з витрати на кожний моль одержуваного продукту двох молів хлориду алюмінію, та беручи до уваги максимальну продуктивність субліматора 5 кг/год, продуктивність установки по чистому Al2O3 складає 1,5 – 2 кг/год.
Порошкоподібний AlCl3 поступає в металевих барабанах і загружається в бункер – приймач з мішалкою. З допомогою шнека хлорид переміщується в обоймі з нержавіючої сталі, що постійно нагрівається вище температури сублімації AlCl3.
В обойму підведений кисень з балона або трубопроводу, витрата і тиск якого підтримуються постійними. Пари хлориду транспортуються через тороїдальне кільце з дрібними отворами в середину і поступають у воднево-повітряне полум’я пальника 2, пронизуючи його. Продукти, що не сублімуються, накопляються у відростку в кінці шнеку і періодично видаляються.
В полум’ї за рахунок процесу горіння водню утворюється вода, що відразу вступає в реакцію гідролізу хлориду. В загальному вигляді схему процесів можна представити так:
2H2 + O2 2H2O + ДH
3H2O + 2AlCl3 > 2Al2O3 + 6HCl
4AlCl3 + 3O2 > 2Al2O3 + 6Cl2
2HCl + ЅO2 > Cl2 + H2O
Формування частинок Al2O3 завершується в коагуляторі (поз. 4) після чого вони відділяються в групі циклонів від газоподібних продуктів реакції і збираються в збірниках. Шкідливі гази (HCl, Cl2...) в насадкових скруберах спочатку поглинаються водою, а потім 20%-ним розчином NaOH, після чого викидаються в атмосферу. Дисперсний оксид алюмінію проходить прокалювання в атмосфері, зволоженого парами дистильованої води, повітря для десорбції “кислих” газів, що утримуються на його поверхні. Використання транспортуючого кисню, по-перше запобігає передчасному гідролізу хлориду оскільки він осушений до точки роси (практично мінус 186єС), а по-друге, він бере участь безпосередньо в хімічному перетворенні за рахунок реакції окислення парів хлориду, яка відбувається паралельно з процесом високотемпературного гідролізу.
Враховуючи можливість подачі в пальниковий пристрій інших хлоридів, наприклад тетрахлорсилану, можна одержати наночастинки відповідного оксиду, на поверхню якого нанесений шар оксиду Al2O3.
З цією метою суміш парів тетрахлориду кремнію з повітрям гомогенізують на молекулярному рівні в головці пальникового пристрою, який по складу горючої суміші є практично незалежним від вторинних потоків з хлоридом алюмінію і іншими реагентами. На виході з пальника йде згоряння у відкритому полум’ї основного потоку водню, а в результаті гідролізу SiCl4 в лічені секунди утворюються зародки нової фази SiO2 у вигляді диму. Частинки зростатимуть до розмірів, що залежать від пересиченості полум’яного об’єму парами хлориду, що гідролізується, та температурою і часом перебування в зоні реакції, які визначаються співвідношенням компонентів реакційної суміші і величини їх подачі, що регулюється в потрібних межах. Одержаний продукт аналізували для визначення основних технічних характеристик.
3.2.1. Визначення чистоти готового продукту.
а) Вміст основної речовини Al2O3 проводили по різниці взятої наважки, доведеної до постійної маси, та ваги залишку після розчинення інших оксидів плавиковою, а потім азотною кислотами. Крім загального вмісту окисних домішок з одержаних розчинів можна диференційовано визначити окремі з них, як наприклад залізо, кремній і титан, використовуючи для порівняння стандартні розчини з відомим вмістом цих елементів.
б) Визначення вмісту вологи
Зважують на аналітичних вагах 1 г порошку з точністю до 0,0002 г в попередньо прожареному тиглі з накривкою. Відкритий тигель з наважкою ставимо у сушильну шафу при кімнатній температурі, потім нагріваємо до 105єС і витримуємо 3 год. Після охолодження тигель зважуємо повторно і розраховуємо вміст гігроскопічної вологи по формулі:
; (3.2)
де G – наважка оксиду, г;
G1 – вага тигля з наважкою до висушування, г;
G2 – вага тигля з оксидом після висушування, г.
в) Втрати маси при прожарюванні визначають після визначення вологи, поміщаючи цей самий тигель холодним в муфельну піч, нагрівають до 1000єС і витримують 3 год. Втрату маси після прожарювання визначаємо по формулі:
; (3.3)
де G2 – вага тигля після висушування по пункту б, г;
G3 – вага тигля після прожарювання, г;
G – початкова вага тигля з наважкою.
г) Визначення кислотності можна провести на рН – метрі, приготувавши 4%-суспензію оксиду в дистильованій воді. Для цього 4 г порошку зважують з