7.2. Высушивание и прокаливание порошков. Часть 1
Под высушиванием твердых веществ понимают удаление из них жидкой фазы, чаще всего воды. Продолжительность высушивания зависит от количества вещества, его дисперсности, толщины слоя, парциального давления пара удаляемой жидкой фазы в окружающей вещество среде. Чем тоньше слой вещества, меньше размеры его частиц и меньше парциальное давление пара над удаляемой жидкостью, тем быстрее идет высушивание при той же самой температуре.
Прежде чем приступить к высушиванию порошка жидкую фазу удаляют возможно более полно механическим путем, например тщательным отсасыванием на фильтре, прессованием, центрифугированием и другими операциями. Этим не только сокращается время сушки, но нередко повышается чистота вещества.
Высушивание осуществляют, выдерживая вещества на воздухе, пропуская сухой воздух или сухой инертный газ через слой вещества. Для удаления примеси воды прибегают к нагреванию порошков в сушильном шкафу или под инфракрасной лампой, выдерживают их в эксикаторе над осушающим реагентом , применяют экстракцию примеси воды растворителем, смешивающимся с ней, но не растворяющим осушаемое вещество, наконец, высушивание возможно путем вакуумирования.
Осушающие вещества, чаще всего применяемые в эксикаторах и других приборах для удаления примеси влаги из порошков, приведены в табл. 27.
Из табл. 27 следует, что декаоксид тетрафосфора Р4О10 является наиболее эффективным осушающим реагентом, но очень неудобен в обращении. Поглощая влагу в результате реакции 
Р4О10 превращается в клейкую массу тетраметафосфорной кислоты. Поэтому перед помещением Р4О10 в эксикатор его наносят на стеклянную или асбестовую вату и кусочки пемзы. Для этого, например, пемзу нагревают в фарфоровой чашке до 100 ?С, смачивают концентрированной Н3РО4 и добавляют порошок Р4О10. В результате образуются удобные в обращении кусочки осушителя, которые меняют, когда они покрываются вязкой пленкой.
Хорошим высушивающим средством является триоксид дибора В2О3, образующийся при нагревании борной кислоты В(ОН)3 До 700 oC. Правда, после поглощения 25% воды он покрывается пленкой В(ОН)з, препятствующей дальнейшей его реакции с водой. Было найдено, что смесь В2О3 с H2SO4 (80% В2О3 и 20% H2SO4), являющаяся твердым сухим веществом, поглощает воду в количестве более 70% от своей массы.
Тетраоксохлорат магния Mg(ClO4)2 (ангидрон) по эффективности высушивания не уступает Р4О10, но более удобен в обращении. Зерна Mg(ClO4)2 при поглощении пара воды не слипаются. Этот реагент может поглощать воду в количестве до 60% от своей массы. Образующийся тригидрат Mg(ClO4)2 • ЗН20 по осушающему действию сопоставим с концентрированной H2SO4. Следует заметить, что Mg(ClO4)2 поглошает также пар этанола С2Н5ОН, ацетона (СН3)2СО и пиридина C5H5N. Регенерировать осушитель в этом случае нельзя, так как при нагревании легко происходит взрыв. Увлажненный же Mg(ClO4)2 можно снова вернуть в рабочее состояние нагреванием в вакуумированием до 220 °С. Тригидрат при удалении воды плавится при при 145 °С, безводная же соль при нагревании не образует жидкой фазы и при температуре выше 250 °С разлагается.
Безводный плавленый КОН относят к числу эффективных осушителей, по своему действию сравнимых с H2SO4.
Серную кислоту помещают в эксикатор только в чашках с плоским дном, наполненных пемзой, сухим бесцветным песком или обрезками небольших стеклянных трубок во избежание расплескивания кислоты. Чашку с кислотой меняют, когда кислота потемнеет, станет коричневой, из-за попадания из воздуха примесей органического происхождения. Кислоту нельзя применять в вакуум-эксикаторах, так как ее пар насыщает воздух По этой же причине серной кислотой не пользуются при высушивании веществ, с которыми она может взаимодействовать. Рекомендуют помещать в эксикатор не чистую H2SO4, а ее смесь с сульфатом бария BaSO4: 18 г BaSO4 на 1 л H2SO4 плотностью 1,841 г/мл. При понижении концентрации H2SO4 в процессе поглощения влаги до 93% из такого бесцветного раствора начинают выделяться шелковистые кристаллы
BaSO4*2H2SO4 • Н2О. Их появление - признак необходимости замены кислоты в эксикаторе.
В качестве осушающего вещества пригоден и безводный сульфат кальция СаSO4 (см. табл. 27), который, поглощая пар воды, постепенно превращается в порошкообразный дигидрат CaSO4 2Н20.
Хлорид кальция СаСl2 (табл. 27) - осушитель средней эффективности. Его применяют в виде порошка или кусков. Это осушитель многократного использования: отработанный реагент достаточно прокалить и отсеять мелкие частицы, и он снова готов к употреблению. Однако при прокаливании СаС12 обогащается примесью Са(ОН)2, а при плавлении ее содержание достигает 0,5 - 1,0%. Хлорид кальция - быстро действующий осушитель, способный поглощать до 97% воды в расчете на сухую массу. При дальнейшем поглощении влаги реагент расплывается.
Рекомендуют перед использованием СаСl2 сплавить в платиновой чашке с хлоридом аммония NH4CI при 800 °С (на 100 г СаС12 берут 3 - 4 г NH4CI). Расплавленную массу выливают на железную сковородку и после затвердевания еще горячую массу разбивают на куски и закрывают в стеклянной банке с резиновой пробкой для хранения.
В качестве осушителей в эксикаторах применяют такие адсорбенты, как силикагель SiO2 • хН20 и алюмогель Аl2О3 • хН20, последний более эффективен. Для наблюдения за состоянием адсорбента к нему добавляют немного безводное хлорида кобальта СоСl2, имеющего синий цвет.
При поглощении влаги до парциального давления водяного пара 470 Па адсорбент становится фиолетовым, а когда количество поглощенной воды достигнет 20% от его массы,он приобретает розовую окраску из-за образования [Со(Н20)6]Сl2. Адсорбенты с розовой окраской регенерируют нагреванием: Аl2O3 до 175 °С, a SiO2 -по 200 °С. Практически достижимая степень обезвоживания вещества при использовании силикагеля, равная парциальному давлению пара воды над ним, составляет 3 Па, но его способность поглощать влагу при небольшом парциальном давлении пара воды в эксикаторе значительно меньше, чем у СаСl2 и H2SO4.
Для более быстрого и полного высушивания порошков с помощью осушителей, приведенных в табл. 27, применяют вакуум-эксикаторы (см. рис. 32, б), присоединяя их на короткое время к водоструйному насосу . Кран вакуум-эксикатора следует закрывать, как только будет достигнуто максимально возможное разряжение и лишь изредка и ненадолго производить повторное подключение к вакуумной системе, чтобы удалить воздух, появившийся в эксикаторе из-за недостаточной его герметичности.
Высушивание вещества на открытом воздухе в обычных условиях (18-25 °С, давление 0,1 МПа) проводят, разместив порошок тонким слоем на чистой стеклянной пластинке или пластинке из полимерного материала. При высушивании порошка на фильтровальной бумаге легко загрязнить его волокнами бумаги. Толщина слоя высушиваемого порошка не должна превышать 1 см. Периодически вещество перемешивают шпателем. Для защиты от пыли над порошком помещают под углом стеклянную пластинку. Полученное таким способом вещество называют воздушно-сухим. Оно имеет весьма неравномерное распределение остаточной влаги по объему. Высушивание порошков на воздухе - операция продолжительная, и к ней прибегают редко.
Высушить вещество до воздушно-сухого состояния можно на Фильтре после отсасывания маточного раствора. Такое высушивание производят при помощи простого прибора, устройство которого приведено на рис. 132, а. Прибор состоит из склянки Бунзена 1 присоединенной к водоструйному насосу (см. рис. 258). Воздух, просасываемый через осадок, вначале проходит поглотительную колонку 7, наполненную гранулированным осушитлем(см. табл. 27), затем остатки влаги вымораживаются ловушке 6, погруженной в жидкий азот, находящийся в сосуде Дюара 5.
Рис. 132. Высушивание осадка на фильтре при помощи воронки Бюхнера (а, б) и стеклянного пористого фильтра (в)
Высушиваемый осадок в воронке Бюхнера 2 (см. рис. 200, а) перед просасыванием через него воздуха разрыхляют стеклянным шпателем, а затем при помощи резинового кольца 3 одевают воронку 4. В тех случаях, когда чистота вещества не требует особой заботы, можно закрывать сверху воронку Бюхнера 2 от попадания грубой пыли из воздуха часовым стеклом или плоской стеклянной пластинкой 8 (рис. 132, б), подложив под нее тонкие изогнутые стеклянные палочки или кусочки резиновой трубки для образования зазора, через который воздух поступает в воронку.
Подобным образом можно высушивать осадок и на стеклянном пористом фильтре 9 (рис. 132, в), закрыв его предварительно воронкой 4 при помощи резинового кольца 3. Но в последних двух случаях содержание остаточной влаги в осадке будет определяться значением парциального давления водяного пара воздуха (табл. 28), превышающим последнее на 10-15%. Из табл. 28 следует, что подогретый и предварительно высушенный воздух будет лучше извлекать влагу из осадка на фильтре.
Сушильные шкафы для удаления остаточной влаги из порошков применяют довольно часто, если они не разлагаются и не плавятся при температуре высушивания. При таком высушивании на поверхности порошков, особенно мелких, может образоваться плотная корка, значительно снижающая скорость удаления жидкой фазы. В этом случае рекомендуют в процессе сушки многократно вынимать из сушильного шкафа сосуд с веществом и перемешивать порошок шпателея или стеклянной палочкой.
Вещества, разлагающиеся при нагревании до 100 °С, высушивают в вакуум-сушильных шкафах.
Небольшие порции веществ сушат в "сушильных пистолетах" (см. рис. 127), выбирая для обогрева вещества жидкость с температурой кипения, близкой к температуре кипения удаляемой жидкой фазы. При высушивании легкоплавких веществ температура кипения жидкости в сушильном пистолете должна быть по крайней мере на 30 - 50 °С ниже их температуры плавления.
Другие части:
7.2. Высушивание и прокаливание порошков. Часть 1
7.2. Высушивание и прокаливание порошков. Часть 2