Методы очистки жидкостей, растворов и твёрдых веществ.
Разделение и очистка веществ являются операциями, обычно связанными между собой. Разделение смеси на составляющие чаще всего преследует цель получения чистых, по возможности без примесей, веществ. Однако само понятие о том, какое вещество следует считать чистым, еще окончательно не установлено, так как требования к чистоте вещества меняются. В настоящее время методы получения химически чистых веществ приобрели особое значение.
Разделение и очистка веществ от примесей основываются на использовании их определенных физических, физико-химических или химических свойств.
Декантация
Деканта́ция, деканти́рование — в химической лабораторной практике и химической технологии механическое отделение твёрдой фазы дисперсной системы (суспензии) от жидкой путём сливания раствора с осадка. Жидкость, отделённая от осадка методом декантации называется деканта́т. Декантация (от франц. décanter — сцеживать, сливать) –это сливание жидкости с отстоявшегося осадка. Деканта́ция — лабораторный и технический способ промывания аморфных осадков, позволяющий удалить маточный раствор более полно, чем при промывании осадка на фильтре.
Деканта́цию. применяют также при извлечении растворимых веществ из твёрдого измельченного сырья (например, путём деканта́ции. отделяют раствор сахара после обработки свекловичной стружки горячей водой). К ней целесообразно прибегать и в тех случаях, когда в сравнительно большом количестве жидкости находится немного твердого вещества, которое легко оседает на дно.
Рис. 1. Приспособление для декантации: 1 — отстоявшийся осадок; 2— колба для сбора жидкости; 3 — отвод к водоструйному насосу.
Обычно перед фильтрованием таких суспензий им дают отстояться, чтобы жидкость над слоем осадка стала совершенно прозрачной, и затем, осторожно наклоняя сосуд, чтобы не взмутить осадок, сливают большую часть жидкости. Осадок размешивают с жидкостью, которую не удалось слить, и фильтруют как обычно. Поскольку количество фильтруемой суспензии после декантации становится значительно меньше, время фильтрования сокращается.
Сливание жидкости с легких, склонных к взмучиванию осадков, рекомендуется проводить, не наклоняя сосуд, а осторожно отсасывая жидкость с помощью сифонной трубки или приспособления, изображенного на рис. 1.
Центрифугирование
Центрифугирование - разделение в поле центробежных сил жидких дисперсных систем с частицами размером более 100 нм. Используют для выделения составляющих фаз (жидкая - фугат или фильтрат, твердая - осадок) из двухкомпонентных (суспензии, эмульсии) и трехкомпонентных (эмульсии, содержащие твердую фазу) систем.
Различают два метода центрифугирования: центробежное осаждение и фильтрование. Центрифугирование проводят в центробежных машинах - центрифугах и жидкостных центробежных сепараторах. Основной рабочий орган этих машин - асимметричная оболочка, или ротор (барабан), вращающийся с большой частотой, благодаря чему создается поле центробежных сил. В зависимости от метода центрифугирования оно осуществляется в сплошных (осадительных; рис. 1, а) или перфорированных (покрытых фильтрующим материалом; рис. 1, б) роторах.
Рис. 1. Роторы машин для центробежного осаждения (а) и фильтрования (б): С - суспензия, Ф - фугат (фильтрат), О - осадок; пояснение в тексте, rж -радиус свободной поверхности жидкости.
Центрифугирование характеризуется рядом технологических параметров, определяющих качество процесса и его кинетику. К ним относятся: фактор разделения, отражающий интенсивность центробежного поля; скорость центрифугирования - производительность центробежной машины по исходной жидкой системе или составляющим ее компонентам; унос - содержание твердой фазы в фугате (фильтрате); насыщенность осадка жидкой фазой (в т. ч. влажность осадка) после центрифугирования; крупность разделения - минимальный размер частиц, улавливаемых при центробежномосаждении.
В обычных лабораторных центрифугах скорость вращения составляет около 1000 оборотов в минуту, а в специальных (ультрацентрифугах) – до 6000 об/мин. Искусственная сила тяжести в центрифугах превышает земное притяжение в десятки-сотни тысяч раз, вследствие чего отстаивание твёрдых частиц происходит за несколько минут.
По сравнению с другими методами разделения (отстаивание, фильтрование) центрифугирование позволяет получать осадки с меньшей влажностью. При центробежном осаждении в отличие от фильтрования удается разделять суспензии (например, в производствах лакокрасочных материалов) с тонкодисперсной твердой фазой, минимальный. размер частиц которой составляет 5-10 мкм. Важное достоинство центрифугирования - возможность его проведения в аппаратуре относительно малых объемов; недостаток –высокаяэнергоемкость.
Для изучения центрифугальных процессов в лаборатории используют модели промышленных центрифуг и сепараторов с диаметром ротора 150-250 мм, а также так называемые стаканчиковые центрифуги (ротор состоит из ряда пробирок - стаканчиков). Эти малогабаритные образцы позволяют экспериментально определять не только производительность промышленных машин, но и возможность выгрузки осадков из роторов, конечную влажность продукта, унос. Исследования проводятся с небольшими объемами продуктов на специальных стендах. Современная центрифугальная техника имеет тенденцию к росту частот вращения роторов, повышению производительности, снижению удельной металло- и энергоемкости. Производительность машин возрастает благодаря совершенствованию гидродинамики роторов, увеличению их длины (в осадительных центрифугах) и высоты пакета (в сепараторах). Возрастают диаметры роторов в крупнотоннажных машинах; создаются комбинированные роторы, в конструкциях которых совмещаются различные методы центрифугирования. Внедряются микропроцессорные системы управления и регулируемые приводы, обеспечивающие центрифугирование в оптимальных режимах.
Центрифугирование широко распространено в технологических процессах химически-лесного комплекса, пищевых, текстильных и др. производствах. Центрифугирование играет важную роль в решении экологических проблем (очистка коммунальных и промышленных стоков), в ресурсосберегающих технологиях.