Способ получения сорбента паров воды

 

Изобретение относится к способам получения сорбентов паров воды, которые находят применение преимущественно в тепловых машинах, таких как тепловые насосы и холодильные машины. Способ получения сорбента воды, заключается в том, что спиртовой раствор кремниевого предшественника, в качестве которого используют тетраметоксисилан или тетраэтоксилан с концентрацией 10 - 60 об. %, подвергают каталитической реакции гидролиза и конденсации с водным раствором галогенидов щелочных и/или щелочноземельных металлов с концентрацией 30 - 40 мас. % при 293 - 323 К, а полученный гель сушат до содержания жидкой фазы менее 5 мас.%. В качестве катализатора используют соли фтористоводородной кислоты, гидроокиси, неорганические кислоты. Полученный сорбент обладает высокой емкостью характеризуется равномерным распределением в структуре вещества с гидроскопическими свойствами. 4 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к способам получения сорбентов паров воды, которые находят применение преимущественно в тепловых машинах, таких как тепловые насосы и холодильные машины.

Известно, что в качестве сорбентов воды используют цеолиты и силикагели, а также некоторые соли, такие как хлорид кальция, бромид лития, хлорид магния.

Одним из важнейших параметров, характеризующих способность сорбировать пары воды, является сорбционная емкость материала. Она достигает значений 0.4 кг H₂O на 1 кг сорбента в случае цеолита и 0.5 кг H₂O на 1 кг сорбента в случае силикагеля. /D. M. Ruthven, Principles of Adsorption and Adsorption processes; 1984, Wiley, New York/.

Известен двухкомпонентный сорбент, состоящий из силикагеля, используемого в качестве носителя, на который нанесено активное вещество, такое как хлорид кальция. Процесс нанесения основан на импрегнировании, то есть пропитке носителя раствором активного вещества с его последующей сушкой. В результате такого процесса получены новые материалы со структурой, отличающейся от структуры исходного силикагеля. Такие сорбенты имеют сорбционную емкость, достигающую 0.8 кг H₂O на 1 кг сорбента. /Yu. I. Aristow et al., New Materials for Temperature Heat Storage: Synthesis, Properties, Applications; l^st Trabzon Int. Energy & Environment Symposium, Trabzon, Turkey 1996/.

Несмотря на то, что сорбционная емкость новых сорбентов значительно выше сорбционной емкости исходного силикагеля, процесс импрегнирования не обеспечивает равномерного распределения активного компонента и закрывает доступ к части пор носителя.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения легированной двуокиси кремния, в котором раствор кремниевого предшественника кремнезема подвергают каталитической реакции гидролиза и конденсации в присутствии раствора соли легирующего металла с последующей сушкой. Такой способ получения обеспечивает равномерное распределение металла в полученном веществе, о чем свидетельствует отсутствие в нем связей Me-O-Me /SU, 715460, C 01 B 33/12, 1980/.

Изобретение решает задачу разработки способа получения сорбента с высокой сорбционной емкостью, структура которого характеризуется равномерным распределением активного компонента и открытой системой пор.

Указанная задача решается следующим способом: спиртовый раствор кремниевого предшественника кремнезема, в качестве которого используют тетраметоксисилан или тетраэтоксисилан, с концентрацией 10 - 60 об.%, подвергают каталитической реакции гидролиза и конденсации с водным раствором галогенидов щелочных или щелочноземельных металлов, с концентрацией 30 - 40 мас.%, обеспечивающей их содержание в конечном продукте 15 - 55 мас.%, а сушку геля ведут до содержания жидкой фазы менее 5 мас.%.

Реакцию конденсации и гидролиза проводят при температуре 293 - 323 К. В качестве катализатора используют фториды, преимущественно, натрия, калия и аммония, гидроокиси, преимущественно, аммония, неорганические кислоты, преимущественно, азотную, соляную, серную, фтористоводородную.

При этом получают двухкомпонентный селективный сорбент паров воды, состоящий из кремнезема и активного вещества с сильно гигроскопичными свойствами, равномерно распределенного в интервале концентраций от 15 до 55 мас.%. Сорбционную емкость образцов определяют весовым методом.

Отличием предлагаемого способа является использование в качестве соли легирующего металла галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов, что приводит к обеспечению высокой сорбционной способности полученного вещества по воде. В результате одноэтапного синтеза гомогенного двухкомпонентного материала, содержащего галогениды щелочных и щелочноземельных металлов, после его высушивания получается двухкомпонентный селективный сорбент воды, с сорбционной емкостью достигающей 1.4 кг H₂O на 1 кг сорбента.

Сущность изобретения иллюстрируется представленными примерами.

Пример 1. В термостатируемый сосуд приливают 25.6 мл безводного этанола, 10.9 мл тетраэтоксисилана, 0.8 мл дистиллированной воды и подвергают реакции гидролиза и конденсации при температуре 323 К с 2.6 мл водного раствора хлорида кальция с концентрацией 35 мас.% в присутствии 2 молярного водного раствора соляной кислоты в количестве 0.2 мл, а также 2 молярного водного раствора аммиака в количестве 0.2 мл, используемых в качестве катализаторов.

Полученный гель сушат в потоке воздуха. Процесс заканчивают, когда состав выходящего газа, по данным хроматографического анализа, не отличается от состава входящего газа.

Полученный сорбент является двухкомпонентным материалом, состоящим из кремнезема и хлорида кальция, в качестве активного вещества, в количестве 30 мас. %, равномерно распределенного в кремнеземе, содержание жидкой фазы, по данным термогравиметрического анализа, составляет 2 мас.%. Сорбционная емкость образца при относительной влажности 0,85 и температуре 298 К составляет 1.15 кг H₂O на 1 кг сорбента.

Пример 2. В термостатируемый сосуд приливают 25.6 мл безводного этанола, 10.9 мл тетраэтоксисилана, 0.8 мл дистиллированной воды и подвергают реакции гидролиза и конденсации при температуре 323 К с 3.4 мл водного раствора бромида лития с концентрацией 35 мас. % в присутствии 2 молярного водного раствора соляной кислоты в количестве 0.2 мл, а также 2 молярного водного раствора аммиака в количестве 0.2 мл, в качестве катализаторов.

Полученный гель сушат в потоке воздуха. Процесс заканчивают, когда состав выходящего газа, по данным хроматографического анализа, не отличается от состава входящего газа.

Полученный сорбент является двухкомпонентным материалом, состоящим из кремнезема и бромида лития, в качестве активного вещества, в количестве 30 мас. %, равномерно распределенного в кремнеземе, содержание жидкой фазы, по данным термогравиметрического анализа составляет 3 мас.%. Сорбционная емкость образца при относительной влажности 0,85 и температуре 298 К составляет 1.3 кг H₂O на 1 кг сорбента.

Пример 3. В термостатируемый сосуд приливают 25.6 мл безводного этанола, 10.9 мл тетраэтоксисилана, 0.8 мл дистиллированной воды и подвергают реакции гидролиза и конденсации при температуре 293 К с 7.4 мл водного раствора хлорида кальция с концентрацией 35 мас.% в присутствии 2 молярного водного раствора соляной кислоты в количестве 0.2 мл, а также 2 молярного водного раствора аммиака в количестве 0.2 мл, используемых в качестве катализаторов.

Полученный гель сушат в потоке воздуха. Процесс заканчивают, когда состав выходящего газа, по данным хроматографического анализа, не отличается от состава входящего газа.

Полученный сорбент является двухкомпонентным материалом, состоящим из кремнезема и хлорида кальция, в качестве активного вещества, в количестве 55 мас. %, равномерно распределенного в кремнеземе, содержание жидкой фазы, по данным термогравиметрического анализа, составляет 2 мас.%. Сорбционная емкость образца при относительной влажности 0,75 и температуре 298 К составляет 1.1 кг H₂O на 1 кг сорбента.

Пример 4. В термостатируемый сосуд приливают 25.6 мл безводного этанола, 10.9 мл тетраэтоксисилана, 0.8 мл дистиллированной воды и подвергают реакции гидролиза и конденсации при температуре 323 К с 2.6 мл водного раствора хлорида кальция с концентрацией 35 мас.% в присутствии 2 молярного водного раствора фторида натрия в количестве 0.2 мл, используемого в качестве катализатора.

Полученный гель сушат в потоке воздуха. Процесс заканчивают, когда состав выходящего газа, по данным хроматографического анализа, не отличается от состава входящего газа.

Полученный сорбент является двухкомпонентным материалом, состоящим из кремнезема и хлорида кальция, в качестве активного вещества, в количестве 30 мас. %, равномерно распределенного в кремнеземе, содержание жидкой фазы, по данным термогравиметрического анализа, составляет 2 мас.%. Сорбционная емкость образца при относительной влажности 0,85 и температуре 298 К составляет 1.1 кг H₂O на 1 кг сорбента.

Пример 5. В термостатируемый сосуд приливают 25.6 мл безводного этанола, 10.9 мл тетраэтоксисилана, 0.8 мл дистиллированной воды и подвергают реакции гидролиза и конденсации при температуре 323 К с 2.9 мл водного раствора хлорида магния с концентрацией 30 мас.% в присутствии 2 молярного водного раствора соляной кислоты в количестве 0.2 мл, а также 2 молярного водного раствора аммиака в количестве 0.2 мл, используемых в качестве катализаторов.

Полученный гель сушат в потоке воздуха. Процесс заканчивают, когда состав выходящего газа, по данным хроматографического анализа, не отличается от состава входящего газа.

Полученный сорбент является двухкомпонентным материалом, состоящим из кремнезема и хлорида кальция, в качестве активного вещества, в количестве 30 мас. %, равномерно распределенного в кремнеземе, содержание жидкой фазы, по данным термогравиметрического анализа, составляет 2 мас.%.

Пример 6. В термостатируемый сосуд приливают 25.6 мл безводного этанола, 10.9 мл тетраэтоксисилана, 0.8 мл дистиллированной воды и подвергают реакции гидролиза и конденсации при температуре 323 К с 1.1 мл водного раствора хлорида кальция с концентрацией 35 мас.% в присутствии 2 молярного водного раствора соляной кислоты в количестве 0.2 мл, а также 2 молярного водного раствора аммиака в количестве 0.2 мл, используемых в качестве катализаторов.

Полученный гель сушат в потоке воздуха. Процесс заканчивают, когда состав выходящего газа, по данным хроматографического анализа, не отличается от состава входящего газа.

Полученный сорбент является двухкомпонентным материалом, состоящим из кремнезема и хлорида кальция, в качестве активного вещества, в количестве 15 мас. %, равномерно распределенного в кремнеземе, содержание жидкой фазы, по данным термогравиметрического анализа, составляет 2 мас.%.

Исследование структуры полученного сорбента методами низкотемпературной адсорбции азота и просвечивающей электронной микроскопии, показали, что селективные сорбенты воды согласно изобретению характеризуются открытой системой пор и равномерным распределением активного вещества.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает получение двухкомпонентного селективного сорбента паров воды, который обладает высокой сорбционной емкостью и может найти широкое применение в промышленности.

Формула изобретения

1. Способ получения сорбента паров воды путем каталитической реакции гидролиза и конденсации водных растворов кремниевого предшественника кремнезема в присутствии соли легирующего металла с последующей сушкой полученного геля, отличающийся тем, что в качестве соли легирующего металла используют галогениды щелочных и щелочноземельных металлов, взятых в количестве, обеспечивающем их содержание в конечном продукте 15 - 55 мас.%, а сушку геля ведут до содержания жидкой фазы менее 5 мас.%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве кремневого предшественника используют тетраметоксисилан или тетраэтоксисилан с концентрацией 10 - 60 об.%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют раствор галогенидов щелочных или щелочноземельных металлов с концентрацией 30 - 40 мас.%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию гидролиза и конденсации проводят при 293 - 323 К.

5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что в качестве катализаторов используют фториды натрия, калия или аммония, или гидроокись аммония, или неорганические кислоты - азотную, соляную, серную, фтористоводородную.