УЛЬТРАСУХОЙ КАРБОНАТ КАЛЬЦИЯ Российский патент 2009 года по МПК F26B3/347 C08K3/26 C01F11/18 

Изобретение относится к ультрасухому карбонату кальция. Карбонат кальция получают путем взаимодействия водной суспензии гидроксида кальция с СО₂ или с газом, содержащим диоксид углерода, или путем интенсивного перемалывания природного карбоната кальция. Продукт дегидратируют и сушат известным способом.

Карбонат кальция используют, например, для получения бумаги, красок, герметиков, адгезивов, полимеров, печатных красок, резин и др. Его используют как функциональный наполнитель с пигментными свойствами.

Диапазон применения карбоната кальция постоянно расширяется благодаря его полезным потребительским свойствам. Тем временем способ получения карбоната кальция модифицируется так, чтобы можно было получать карбонат кальция разного качества в соответствии с предполагаемым применением. Так, например, частицы могут иметь разную структуру. Аналогично можно влиять на содержание остаточной влаги в конечном продукте, варьируя условия сушки.

Как правило, в начале всех процессов дегидратации проводят фильтрацию или центрифугирование, затем сушат с помощью, например, ленточных сушилок, сушилок с псевдоожиженным слоем, сушилкой с установкой для измельчения и др. Недостаток указанных способов заключается в том, что вначале карбонат кальция высушивается удовлетворительно, но при охлаждении снова адсорбирует влагу из окружающей среды. В зависимости от размера частиц или, в большей степени, от удельной площади поверхности влагосодержание может составлять до 3% по массе.

Задачей данного изобретения является полное высушивание и, таким образом, подготовка полученного традиционным способом карбоната кальция к применению путем последующей обработки СВЧ-излучением.

Неожиданно было обнаружено, что осажденный карбонат кальция обладает особыми физико-химическими свойствами, отличными от свойств природного карбоната кальция. Действительно, сравнение уровней влагосодержания показывает, что общее количество воды в осажденном карбонате (ОКК) больше (см. чертеж), чем в природном карбонате (ПКК); при этом количество капиллярной и поверхностно-адсорбированной воды в указанных продуктах примерно одинаково, но осажденный карбонат содержит еще и связанную, или окклюдированную, воду, содержащуюся в межкристаллитных полостях. Такая связанная вода, выделяющаяся в дальнейшем, и представляет основную проблему при производстве, например, герметиков. В ходе работ над настоящим изобретением было обнаружено, что осажденный карбонат кальция, который гораздо труднее поддается сушке ввиду наличия связанной воды, нежели природный карбонат (мел), может быть высушен до остаточного содержания воды менее 0,1%.

Согласно изобретению осажденный карбонат кальция, который был высушен, например, с помощью ленточной сушилки, с остаточным влагосодержанием от 0,1 до 3%, в особых случаях до 80%, далее сушат, используя СВЧ-излучение.

СВЧ-излучение представляет собой электромагнитные волны разных частот. Как правило, используются частоты 915 МГц и 2,45 ГГц. При обработке СВЧ-излучением тепло продуцируется в результате непосредственного превращения электромагнитной энергии в кинетическую энергию молекул, т.е. в самом влажном продукте.

Превращение электромагнитной энергии в тепловую определяется электромагнитными свойствами нагреваемых веществ. Можно ли нагреть или высушить вещество СВЧ-излучением, и если можно, то до какой степени, зависит от его молекулярной структуры. Полярные молекулы, т.е. молекулы с разной локализацией зарядов, например молекулы воды, можно эффективно нагревать с помощью СВЧ-излучения. Высокочастотное переменное поле СВЧ-излучения заставляет вращаться полярные молекулы, при этом электромагнитная энергия превращается в тепловую. Поскольку изменяется тепловая энергия каждой молекулы, а СВЧ-излучение в зависимости от вещества может проникать вглубь, нагревание происходит по всему объему. Это существенное преимущество по сравнению с традиционными способами нагревания или сушки, при которых тепло проникает в вещество только через поверхность.

Энергию СВЧ-излучения, превращающуюся при полном поглощении, рассчитывают следующим образом:

глубину проникновения рассчитывают следующим образом:

где ƒ - частота в Гц,

ε₀ - абсолютная диэлектрическая константа (ДК)=8,85×10^-12 As/Vm,

E - напряженность электрического переменного поля в В/м,

ε= ε₀ ^*(ε_r ^'-jε_r ^"), комплексная ДК,

tanδ= ε_r ^"/ε^' _r,

δ - угол диэлектрических потерь в градусах,

λ₀ - длина волны в см, λ₀=С/ƒ.

Температурный профиль микроволнового нагревания является обратным по отношению к профилю традиционного нагревания. При микроволновом нагревании данный обратный профиль имеет преимущество, поскольку внутри вещества создается высокое давление, которое выталкивает воду к поверхности. Вода испаряется с поверхности, поэтому поверхность постоянно находится во влажном состоянии до тех пор, пока вода практически полностью не выпарится из внутреннего объема вещества. Только после этого поверхность также начинает высыхать.

Вода, вследствие ее полярности, абсорбирует большую, если не основную, часть энергии, поэтому превращение энергии в уже сухих участках происходит в меньшей степени и СВЧ-излучение может глубже проникать в вещество. Следовательно, можно сильно уменьшить остаточное влагосодержание в веществе и получить ультрасухие продукты.

Было обнаружено, что СВЧ-излучением можно дополнительно высушить частицы карбоната кальция с остаточным влагосодержанием от 0,1 до 3% Н₂О. Однако также можно высушить суспензию, полученную путем осаждения или влажного перемалывания или полученный из нее фильтрационный осадок с остаточным влагосодержанием выше 80% или выше 30%. Данную обработку можно проводить при любом исходном влагосодержании. Достигается степень высушивания от 0 до 0,1%.

Известны агрегаты для микроволновой сушки разных конфигураций. Для объемных и комковатых веществ используются ленточные агрегаты непрерывного действия или камерные агрегаты периодического действия.

Порошки или гранулы предпочтительно сушат в микроволновых ротационных печах. В данном случае вещество проходит через зону нагревания во вращающейся трубке и при этом нагревается и сушится под действием СВЧ-излучения.

Агрегат может работать в вакууме в атмосфере защитного газа или воздуха. Толщина слоя вещества может достигать 20 см в соответствии с конструкцией аппарата. Показано, что для карбоната кальция толщина слоя вещества предпочтительно составляет не более 10 см. Поскольку с помощью данного аппарата удаляют только остаточную влагу, очень высокие выходы не требуются. Достаточно нескольких кВт, но можно использовать мощность от 25 до выше 100 кВт.

Карбонат кальция, высушенный согласно изобретению, можно использовать как добавку, регулирующую реологические свойства, например, для герметиков или адгезивов. Ультрасухой карбонат кальция можно использовать как добавку, например, в 1-замещенных или 2-замещенных полиуретановых герметиках, в силиконовых герметиках или в модифицированных силиконовых герметиках, в особенности в герметиках на основе MS полимеров.

Преимущества микроволновой сушки:

1. Сушка с помощью ленточного агрегата является статической сушкой, т.е. продукт не подвергается воздействию механического усилия.

2. Температурный градиент направлен к поверхности, т.е. температура во внутренней части выше, чем на поверхности, с этим связано высокое парциальное давление, которое способствует перемещению упариваемой жидкости к поверхности.

3. Отсутствует высушивание поверхностного слоя, т.е. он остается проницаемым.

4. При упаривании из внутренней части жидкость перемещается наружу благодаря пористой структуре. Это приводит к более высокой скорости сушки.

5. Парциальное давление, которое продуцируется во внутренней части СВЧ-излучением, ускоряет процесс диффузии.

6. Сушка влажных продуктов с низкой теплопроводностью протекает быстро.

7. Непродолжительное время сушки.

Нижеследующие примеры предназначены для объяснения изобретения, но не для его ограничения.

Пример

Предварительно высушенный CaCO₃ сушат в ленточном агрегате непрерывного действия в микроволновом канале (максимальные выходные характеристики 6 кВт/2450 МГц) с активной длиной 2 м.

Примеры 1-10

Ленточное покрытие: высота 15 мм.

Используют CaCO₃ с содержанием остаточной влаги 0,37% Н₂О.

В таблицах 1 и 2 приведены результаты сушки в разных условиях.

Таблица 1Примеры
1-6Контрольный образец123456Скорость ленты, м/мин 0,80,4111,71,7Выходная мощность, кВт 1,51,51,51,311,7Пропускная способность, кг/ч 4,82,45,45,41212Продолжительность облучения, с 1503001201207171Содержание влаги, %0,370,000,000,020,040,050,06

Таблица 2Примеры 7-11Контрольный образец78910Скорость ленты, м/мин 2234Выходная мощность, кВт 5555Пропускная способность, кг/ч 606090120Продолжительность облучения, с 1051057053Содержание влаги, %0,370,010,00,110,26

Изобретение может быть использовано при получении ультрасухого карбоната кальция. Для сушки частиц карбоната кальция, полученного осаждением, используют СВЧ-излучение. Микроволновую сушку проводят в вакууме или в атмосфере защитного газа с помощью ленточного агрегата непрерывного действия, камерного агрегата или ротационной печи. Сушке подвергают частицы карбоната кальция с остаточным влагосодержанием от 0,1 до 3% Н₂О, или суспензию, полученную путем осаждения или влажного перемалывания, или полученный из нее фильтрационный осадок с остаточным влагосодержанием выше 80%. Изобретение позволяет получить осажденный карбонат кальция с влагосодержанием от 0 до 0,1% Н₂О. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Ультрасухой карбонат кальция, полученный осаждением, с влагосодержанием от 0 до менее чем 0,1% Н₂О.2. Способ получения частиц ультрасухого карбоната кальция, имеющих влагосодержание от 0 до менее чем 0,1% Н₂О, отличающийся тем, что для сушки частиц карбоната кальция, полученного осаждением, используют СВЧ-излучение.3. Способ получения частиц ультрасухого карбоната кальция по п.2, отличающийся тем, что частицы карбоната кальция с остаточным влагосодержанием от 0,1 до 3% H₂O приводят в контакт с СВЧ-излучением.4. Способ получения частиц ультрасухого карбоната кальция по п.2, отличающийся тем, что суспензию, полученную путем осаждения или влажного перемалывания, или полученный из нее фильтрационный осадок с остаточным влагосодержанием вплоть до >80% Н₂О сушат СВЧ-излучением.5. Способ получения частиц ультрасухого карбоната кальция по п,2, отличающийся тем, что микроволновую сушку проводят с помощью ленточного агрегата непрерывного действия, камерного агрегата или ротационной печи.6. Способ получения частиц ультрасухого карбоната кальция по п.2, отличающийся тем, что микроволновую сушку проводят в вакууме или в атмосфере защитного газа.7. Применение ультрасухого карбоната кальция, полученного по способу пп.2-6, в качестве добавки, регулирующей реологические свойства герметиков и адгезивов.8. Применение ультрасухого карбоната кальция по п.7 в полиуретановых герметиках.9. Применение ультрасухого карбоната кальция по п.7 в силиконовых герметиках.10. Применение ультрасухого карбоната кальция по п.7 в модифицированных силиконовых герметиках, особенно в герметиках на основе MS полимера.