главная > справочник > химическая энциклопедия:

Осаждение

Осаждение, выделение в виде твердого осадка из газа (пара), раствора или расплава одного или нескольких компонентов. Для этого создают условия, когда система из исходного устойчивого состояния переходит в неустойчивое и в ней происходит образование твердой фазы. Осаждение из пара (десублимация) достигается понижением температуры (напр., при охлаждении паров иода возникают кристаллы иода) или химических превращений паров, к которому приводят нагревание, воздействие радиации и т.д. Так, при перегревании паров белого фосфора образуется осадок красного фосфора; при нагревании паров летучих -дикетонатов металлов в присутствии О₂ осаждаются пленки твердых оксидов металлов.

Осаждения твердой фазы из растворов можно добиться различными способами: понижением температуры насыщенного раствора, удалением растворителя выпариванием (часто в вакууме), изменением кислотности среды, состава растворителя, например добавлением к полярному растворителю (воде) менее полярного (ацетон или этанол). Последний процесс часто называют высаливанием. Широко применяют для осаждения различные химические реагенты-осадители, взаимодействующие с выделяемыми элементами с образованием малорастворимых соединений, которые выпадают в осадок. Например, при добавлении раствора ВаСl₂ к раствору, содержащему серу в виде SO^2-₄, образуется осадок BaSO₄. Для выделения осадков из расплавов последние обычно охлаждают.

Работа образования зародышей кристаллов в гомогенной системе довольно велика, и формирование твердой фазы облегчается на готовой поверхности твердых частиц. Поэтому для ускорения осаждения в пересыщенные пар и раствор или в переохлажденный расплав часто вводят затравку - высокодисперсные твердые частицы осаждаемого или другого вещества. Особенно эффективно использование затравок в вязких растворах. Образование осадка может сопровождаться соосаждением - частичным захватом к.-л. компонента раствора.

После осаждения из водных растворов образующемуся высокодисперсному осадку перед отделением часто дают возможность "созреть", т.е. выдерживают осадок в том же (маточном) растворе, иногда при нагревании. При этом в результате так называемого оствальдова созревания, обусловленного различием в растворимости мелких и крупных частиц, агрегации и других процессов, происходит укрупнение частиц осадка, удаляются соосажденные примеси, улучшается фильтруемость. Свойства образующихся осадков удается изменять в широких пределах благодаря введению в раствор различных добавок (ПАВ и др.), изменению температуры или скорости перемешивания и др. факторам. Так, варьированием условий осаждения BaSO₄ из водных растворов удается увеличить удельную поверхность осадка от ~0,1 до ~ 10 м²/г и более, изменить морфологию частиц осадка, модифицировать поверхностные свойства последнего. Образовавшийся осадок, как правило, оседает на дно сосуда под действием силы тяжести. Если осадок мелкодисперсный, для облегчения его отделения от маточного раствора применяют центрифугирование.

Для разделения жидкой и твердой фаз применяют различные способы, в частности фильтрование - пропускание раствора с осадком через пористый материал (фильтровальную бумагу. стеклянный фильтр) иногда под действием вакуума. декантацию-слив жидкой фазы. Выделение твердой фазы из запыленных газов наз. пылеулавливанием.

Широкое применение находит электроосаждение - в результате электролиза при пропускании через раствор (расплав) электрического тока. Путем электроосаждения выделяют из растворов мн. металлы, в частности Ag, Cu, Ni. Др. тип электрохимического осаждения, иногда называемый цементацией, - выделение менее активного металла на поверхности более активного без пропускания тока (напр., Сu из растворов ее солей осаждается на поверхности железа).

Различные виды осаждения находят широкое применение в химии при обнаружении химических элементов по характерному осадку и при количественном определении веществ, для удаления мешающих определению компонентов и для выделения примесей со-осаждением, при очистке солей перекристаллизацией, для получения пленок, а также в хим. промышленности для разделения фаз.

В последнем случае под осаждением понимают механическое отделение взвешенных частиц от жидкости в суспензии под действием силы тяжести. Эти процессы называют также седиментацией. оседанием, отстаиванием, сгущением (если осаждение проводят с целью получения плотного осадка) или осветлением (если получают чистые жидкости). При сгущении и осветлении часто дополнительно применяют фильтрование.

Необходимым условием осаждения является существование разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды, т.е. седиментационная неустойчивость (для грубодисперсных систем). Для высокодисперсных систем разработан критерий седиментации, который определяется главным образом энтропией, а также температурой и др. факторами. Установлено, что энтропия выше при протекании осаждения в потоке, а не в неподвижной жидкости. Если критерий седиментации меньше критической величины, осаждение не происходит и устанавливается седиментационное равновесие, при котором дисперсные частицы распределяются по высоте слоя по определенному закону. При осаждении концентрированных суспензий крупные частицы при падении увлекают за собой более мелкие, что ведет к укрупнению частиц осадка (ортокинетическая коагуляция).

Скорость осаждения зависит от физ. свойств дисперсной и дисперсионной фаз, концентрации дисперсной фазы, температуры. Скорость Осаждение отдельной сферической частицы описывается уравнением Стокса: , где d-диаметр частицы, -разность плотностей твердой ( ) и жидкой ( ) фаз, - динамическая вязкость жидкой фазы, - ускорение свободного падения. Уравнение Стокса применимо лишь к строго ламинарному режиму движения частицы, когда число Рейнольдса Re < 1,6, и не учитывает ортокинетическую коагуляцию, поверхностные явления, влияние изменения концентрации твердой фазы, роль стенок сосуда и др. факторы.

Осаждение монодисперсных систем характеризуют гидравлической крупностью частиц, численно равной экспериментально установленной скорости их оседания. В случае полидисперсных систем пользуются среднеквадратичным радиусом частиц или их средним гидравлическим размером, которые также определяют опытным путем.

При осаждении под действием силы тяжести в камере различают три зоны с различными скоростями осаждения: в зоне свободного падения частиц она постоянна, затем в переходной зоне уменьшается и, наконец, в зоне уплотнения резко падает до нуля.

В случае полидисперсных суспензий при невысоких концентрациях осадки образуются в виде слоев-в нижнем слое самые крупные, а затем более мелкие частицы. Это явление используют в процессах отмучивания, т. е. классификации (разделения) твердых дисперсных частиц по их плотности или размеру, для чего осадок несколько раз перемешивают с дисперсионной средой и отстаивают в течение различных промежутков времени.

Вид образующегося осадка определяется физическими характеристиками дисперсной системы и условиями осаждения. В случае грубодисперсных систем осадок получается плотным. Рыхлые гелеобразные осадки образуются при осаждении полидисперсных суспензий тонко измельченных лиофильных веществ. "Консолидация" осадков в ряде случаев связана с прекращением броуновского движения частиц дисперсной фазы, что сопровождается образованием пространственной структуры осадка с участием дисперсионной среды и изменением энтропии. При этом большую роль играет форма частиц. Иногда для ускорения Осаждение в суспензию добавляют флокулянты - специальные вещества (обычно высокомолекулярные), вызывающие образование хлопьевидных частиц-флокул.

В промышленности осаждение осуществляют с помощью отстойников (иногда наз. также сгустителями или осветлителями), которые бывают периодического и непрерывного действия. Продолжительность т пребывания суспензии в отстойнике должна быть равна или больше времени осаждения частицы. Если используется отстойник с площадью поперечного сечения F и рабочей высотой h, то рабочий объем отстойника W= Fh, a = h/v: часовая производительность Следовательно, для увеличения производительности отстойника надо увеличить поверхность, на которую оседает осадок, для чего и применяют наклонные перегородки (полки). При этом на Осаждение высокодисперсных суспензий может также влиять броуновское движение частиц, в одних случаях ухудшая эффективность разделения, в других - способствуя захвату частиц обеими поверхностями полок.

В ряде случаев необходимо производить Осаждение двухфазных и многофазных систем. Для оценки эффективности этого процесса можно пользоваться следующим правилом. В случае осаждения частиц, равномерно распределенных по высоте слоя и не участвующих в броуновском движении и коагуляции, массовая доля дисперсных фаз в осадке не может быть больше произведения среднемассовой скорости седиментации частиц дисперсной фазы на отношение (для периодически действующих отстойников) или на отношение горизонтальной проекции суммарной поверхности осаждения к объему отстойника (для непрерывно действующих отстойников). Процессы осаждения различаются в зависимости от конструкции отстойника и характера обрабатываемой жидкости.

По направлению движения потока суспензии отстойники делятся на радиальные, горизонтальные, вертикальные и наклонные, или тонкослойные. В радиальных отстойниках суспензия подается в центр аппарата и движется к периферии. В горизонтальных - она загружается с одного конца аппарата и передвигается вдоль него. В вертикальных - суспензия подается снизу и поднимается вверх, причем скорость восходящего потока должна быть меньше скорости оседания твердых частиц (иногда для ускорения осаждение исходную смесь подают под слой сгущающегося осадка). В наклонных - осаждение осуществляется в пакетах пластин (или труб), наклоненных под углом 45-60°.

Процессы осаждения осложняются при турбулентном потоке разделяемой суспензии, который часто наблюдается в вертикальных отстойниках, а также в горизонтальных при Re > 500. В этом случае траектории движения частиц искривляются, жидкость перемешивается, что способствует переносу твердых частиц и их транспортированию во взвешенном состоянии на значительные расстояния.

Эффективность отстаивания суспензий существенно повышается при ламинарном режиме течения, который обеспечивается соответствующей скоростью подачи жидкости, так и применением перегородок (горизонтальных, наклонных или вертикальных).

На рис. 1 изображен радиальный отстойник-смолоуловитель, применяемый на коксохимических заводах для очистки сточных вод, содержащих смолы и масла. Всплывающая на поверхность жидкости легкая фаза (масла) перетекает в сборник 3, откуда откачивается насосом. Плавающие доски 2 служат ограничителями, предотвращающими перетекание легкой фазы из одной части отстойника в другую. Скребки 6 перемещают осадок к отводу 7.

Рис. 1. Отстойник-смолоуловитель: 1 подводящий лоток; 2-плавающая доска: 3-сборник легкой фазы. 4 лоток для отвода очищенной воды; 5, 7 отводы соотв. легких и тяжелых фаз; 6 - скребки; 8 - подача пара; 9 - отвод конденсата; 10 - электромотор; 11-вал скребкового механизма.

На рис. 2 приведена схема наклонного многополочного сгустителя для осветления высококонцентрированных сточных вод обогатит. фабрик цветной металлургии и сгущения продуктов обогащения. Сточные воды, содержащие взвешенных веществ 20-60 г/л, поступают через центр. трубу в зону Осаждение и затем в зону тонкослойного осаждения. Жидкая фаза после отстаивания переливается в периферийный лоток 5, а осадок скребковым механизмом 8 подается к центру отстойника, откуда отводится через трубопровод 6 для дальнейшей обработки.

Рис. 2. Многополочный сгуститель: 1-бортик; 2-вал скребкового механизма; 3 - трубопровод для подачи сточной воды; 4 - многополочный блок; 5-лоток для отвода осветленной воды; 6 - трубопровод для отвода сгущенного концентрата; 7-рассекатель потока воды; 8 скребковый механизм; 9-коническое днище; 10-подкос для поддержки многополочного блока.

На рис. 3 приведена схема горизонтального отстойника для выделения оседающих и всплывающих примесей из производственных сточных вод заводов синтетического каучука. Он представляет собой прямоугольный железобетонный проточный резервуар. Сточные воды через камеру 1 распределяются по четырем секциям. Механизм для сгребания осадка представляет собой транспортер 4 со скребками, работающий по типу эскалатора. В конце отстойной части расположен лоток для приема осветленной воды. Добавляемый для очистки воды "активный" ил с бактериями (уничтожающими орг. примеси) задерживается в спец. отстойниках-иловых колодцах 2. По сравнению с круглыми, прямоугольные горизонтальные отстойники занимают меньшую площадь и быстрее удаляют осадок.

Рис. 3. Горизонтальный отстойник: 1 распределительная камера; 2 иловые колодцы; 3 электропривод; 4 скребковые транспортеры; 5 отводящие трубопроводы.

В химической промышленности отстойники применяют для отделения значительной части жидкой фазы суспензий перед фильтрацией, для промывки осадков методом декантации, улавливания из сточных вод ценных или вредных продуктов, для разделения по крупности зерен твердой фазы суспензий при мокром помоле и замкнутом цикле, для отделения примесей или крупных зерен при отмучивании дисперсных систем.

Лит.: Кутепов A.M., Соколов Н.В., "Теоретические основы химической технологии", 1981, т. 15, № 1, с. 135 37; Очистка производственных сточных вод, М., 1985; Соколов Н. В.. "Хим. промышленность", 1987. № 4. с. 39-40 (231 -232). В. И. Соколов, С. С. Бердоносов.