Способ исследования пористой структуры измельченных материалов

 

Оfl ИСАЙИ Е 873644

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советсиик

Соцнаяистичеснне

Респубпин

{6I ) Дополнительное к авт, свил-ву— (22) Заявлено 29. 12. 78 (2! ) 2705301/ 8-25 с присоединением заявки !те

G 0! И 15/08

Воударотвеивый комитет

СССР ао аелан изоеретеккй н открытой (23) Приоритет (5З) ДК 541.183

{088. 8) Опубликовано 5.10,8! . Бюллетень М 38

Дата опубликования описания !7. !0.81

t б

Л. Н. Зацепина и P. И. Зайцева

1 (! (72) Авторы изобретения

Ордена Трудового Красного Знамени почвенный институт им, В. В. Докучаева (7I ) Заявитель (54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ

ИЗМЕЛЬЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к способам исследования пористой структуры из" мельченных материалов, преимущественно почвообразующих минералов и может найти применение прн разработке средств повышения плодородия почв.

Известны способы определения пористости капиллярно-пористых тел,основанные на насыщении порового пространства образца жидкостью с последующим взвешиванием пропитанного образwa D3 °

Известны способы определения паристости по объему жидкости или газа, заполняющего пористое пространство ф.

Недостаток этих способов — хотя с их помощью определяют объем адсорбционного пространства, однако в них нельзя провести границу между порис-. тостью и дисперсностью частиц тела, что очень важно при исследовании почв.

Известен также способ исследования пористой структуры сорбентов и ката-. лизаторов.путем адсорбции пористым.веществом из растворов. Этим способом определяют предельную величину адсорбции и радиус пор, пропускающих адсорбируемое вещество вглубь гранул путем сообщения с микропорами. Определение проводят по кинетике адсорбции вещества, пропитывающего сорбент и вытесняющего защемленный ras. Кинетика адсорбции в условиях капиллярной пропиткн не зависит от индивидуальных особенностей сорбируемого вещества и . определяется только условиями пропитки (коэффициентом Генри для защемленного газа, коэффициентом ди4фузин защемленного газа и пропитывающей жидкости, углом смачивания и радиусом пор, процускающим вещество вглубь гранул) (3 .

Однако этим способом не определяется удельная поверхность пористых материалов, например, измельченных, которая явзйется важной характеристикой его адсорбционной способности и, соответственно, не позволяет разграничить

87304

40,удельную поверхность тупиковых пор и трещин в частицах материала и полную .удельную поверхность, включающую поверхность самих частиц.

Наиболее близким .к предлагаемому является способ определения удельной поверхности сорбционным методом Я .

Недостатком такого способа является невозможность разграничения удельной поверхности тупиковых пор и трещин 0 в частицах материала и полной удельной поверхности.

Цель изобретения — повышение эффективности исследования пористой структуры путем определения удельной поверхности тупиковых пор и трещин.

Поставленная цель достигается тем, что отбирают пробу частиц, диаметр которых лежит в пределах 5-100 мк, выделяют не менее трех фракций и определяют удельную поверхность каждой фракции, после чего строят зависимость удельной поверхности от размера частиц, по которой судят о наличии тупиковых пор.

На фиг. 1 приведена функция распределения удельной поверхности по диаметру частиц кварца; на фиг. 2, график распределения удельной поверхности по размерам диаметра частиц.

Установлено, что диаметр частиц почвообразующих материалов в пределах величин 30-50 мк является достаточным для того, чтобы внешняя поверхность частиц перестала влиять на результат определения удельной поверхности пор в частицах. Для более точного определения удельной поверхности пор в частицах необходимо взять еще две фракции больше и меньше 30-50 мк

Для того, чтобы построить функцию распределения удельной поверхности (полной) по величине диаметра частиц.

Если результаты определения удельной поверхности частиц с диаметром больше 30-50 мк ложатся на прямую, 45 независимую от размеров диаметра, то каждая точка этой прямой соответствует удельной поверхности пор в частицах тела.

Оценка качества удельной поверх- so ности дает возможность проследить структурные изменения, проходящие в теле при обработке его разным составом веществ. Например, при обработке бентонита (NaOH) и (NaOH + гумус), найде- 55 но, что удельная поверхность, определенная способом газовой хроматографии, .одинакова при размоле меньше

4 4

10 мк, а у частиц больше 1000 мк разная. При обработке NaOH поры в частицах бентонита недоступны для адсорбции азота, а во втором случае в частицах бентонита поры открыты для адсорбции азота (табл. 1).

При осуществлении предлагаемого способа необходимо определять удельную поверхность частиц такого размера, при котором внешняя удельная поверхность предельно мала.

Известно, что у адсорбентов внешняя удельная поверхность бесконечно мала по сравнению с внутренней. Однако у других тел, таких как почвообразующие минералы, почвы, внешняя удельная поверхность вносит существенный вклад в общую величину удельной поверхности. Следовательно, для определения удельной поверхности пор в частицах тела, необходимо брать частицы такого. диаметра, при котором внешняя удельная поверхность частиц соизмерима с ошибкой опыта. Тогда результат по определению удельной поверхности образца будет соответствовать удельной поверхности пор в частицах.

Известно, что ыепористые тела с совершенной внутренней структурой имеют только внешнюю удельную поверхность.

Из природных тел наиболее близким к таким телам является кварц. Он был взят для определения наименьшего диаметра частиц, при котором удельная поверхность тела соизмерима с ошибкой опыта. Кварц предварительно дробят на шаровой мельнице. Из молотого минерала путем отмучивания по известному способу (Стокса) выделяются фракции с размером частиц 30-50 мк, 1020 мк, 7-10 мк, 4-7 мк, 1-4 мк, Затем определяют удельную поверхность этих фракций .способом адсорбции воды (по

БЭТ) и способ адсорбции азота (способ газовой хроматографии по тепловой десорбции). Данные представлены в таблице 2

Удельная поверхность фракции 30-ь

50 мк равна 0,12 (по азотуи 0,15 м /г

2 по воде, что является пределом достоверного определения удельной поверхности адсорбционным способом.

При расчете функции распределения удельной .поверхности по диаметру частиц кварца (фиг. 1) были получены уравнения: б = — — 0,032

4,7 а-

3,7

5 = — + О,О18

873044 6 В = — ä + 11»85

64,3 где Ьд — удельная поверхность, определенная адсорбцией азота;

3 — диаметр частиц;

Ь — удельная поверхность, определенная адсорбцией воды.

Уравнения показывают, что при диаметре частиц больше 30-50 мк удельная поверхность кварца соизмерима с ошибкой опыта. Следовательно, диаметр частиц 30-50 мк является наименьшим диаметром, при котором внешняя удельная поверхность не вносит существенный вклад в общую удельную поверхность.

В случае твердых тел с менее совершенной структурой, чем кварц, величина удельной поверхности больше за счет дислокаций, щелей между кристаллитами и т.д. и быстрее наступает момент, когда снижение удельной поверхности эа счет увеличения размеров частиц становится бесконечно малой величиной по сравнению с удельной поверх- ностью трещин, щелей в частицах. Для доказательства этого был взят мусковит. Мусковит принадлежит к группе слюдистых минералов и в химическом отношении представляет собой алюмосиликат калия. Также как кварц мусковит дробят, выделяют фракции тех же размеров и тем же способом и определяют удельную поверхность по адсороции азота и воды (табл. 2) .

Данные показывают, что удельная поверхность частиц мусковита диамет- ром больше 10-25 мк существенно не меняется при увеличении диаметра частиц.

Функция распределения удельной поверхности частиц мусковита по размеру диаметра представляет собой гиперболу, асимптота которой отсекает на оси ординат отрезок, численно равный удельной поверхности пор в частицах образца (фиг. 1) . При расчете этой функции были получены уравнения: бс - — + 11,98

33,5 вита имеет трещины, щели таких размеров, что в них проникает как вода, так и азот.

Пример. Для определения пор в частицах тела и их удельной поверхности необходимо. отделить не менее трех фракций частиц в пределах диаметров от 5 мк до 100 мк обычным способом, например по Стоксу; определить удельную поверхность этих фракций адсорбционным методом, например, методом газовой хроматографии; построить график функции распределения удельной поверхности частиц по величине диаметра. Минимум этой функции, являющийся прямолинейным участком кривой, обозначает удельную поверхность пор в частицах тела.

Взяты минералы: кварц и мусковит.

Выделены по времени свободного падения в воде (по Стоксу) фракции 4-7, 10-25 и 30-50 мк. Определена их удельная поверхность по методу газовой хроматографии. Построены графики функции распределения удельной поверхности (м /г по величине диаметра (мк) . Прямолинейный минимум этой функции составляет: для кварца 0 12 м /г для

2 мусковита» 4 м /г (фиг. 1) .

Хотя почвы являются более сложным образованием, чем ее составляющие, способ применим и для почв, так как функция распределения удельной поверхности частиц почвы подобна функциям минералов.

Кроме минералов для примера были взяты почвы: светлокаштановая солонцеватая, солоиец каштановый многонатровый и чернозем выщелоченный. Почвы разделяют на фракции: 1-5 мк, 5-10 мк, 40 10-100 мк. Определяют удельную поверхность методом газовой хроматографии. Строят график распределения удельной поверхности по размерам диа-, метра частиц (фиг. 2) . Минимум функ45 ций, стремящихся к прямой оказывается для чернозема выщелоченного на уровне

2,5 мQг, для светлокаштановой солонцеватой почвы на уровне 3,9 м /г, для солонца каштанового многонатрового

50,1,1 м /r

Уравнения показывают, что при бесконечном увеличении диаметра частиц первые члены уравнения стремятся к О, а удельная поверхность стремится к постоянной величине, близкой к 12 м" /г, как в случае адсорбции воды, так и в случае адсорбции азота. Это.говорит о том, что данный образец мускоПредлагаемый способ может быть яспользован в практическом почвоведеиии.

В отличии от удельной поверхности поч-. вы в целом, которая является величиной переменной, предлагаемая величина удельной поверхности пор в частицах почвы, определяемая в области больших размеров диаметра частиц, является ве7 8730/4

8 личиной постоянной, зависящей исключи- F6 (S0 )g удельная поверхность почвы тельно от природы почвеннОго матерна- в целом снюкается в два раза от ла. Удельная поверхность пор в части- 32,8 м /г до l 5 м /r. При внесении

2 цах почв как одна из постоянных ве- фосфогипса удельная поверхность того

2 личин может быть полезной при их клас- не солонца снижается от 24 м /г до

5 сификации. 19м /r, Почвы, подверженные засолению, характеризуются повышенной удельной по- Таким образом, предлагаемый способ верхностью. Полученные данные показы- позволяет определить .эффективность веют, что при мелиорации солонцов средств мелиорации.

Таблица

Изменение удельной поверхности бентонита при его обработке

Удельная поверхность, м /г

Обработка

ЧаСтицы меньше Частицы больше

10 мк 1000 мк

Бентонит + йаОН +

+ гумус

42,5

43,0

Бентонит + МаОН

42,0

23,1

Таблица 2

Удельная поверхность разных фракций минералов

Удельная поверхность, м /г

Фракции минералов, мк

По адсорбции По адсорбции азота воды

Кварц 1-4

l,62

l,40

4"7

0,80

0,55

0,45

7-10

0,49

10-25

30""50

0,30

0,32

0,15

0,12

Мусковит

34,3

3!,4

4-7

18,5

22,5

7-10

Не определялся

Не определялся

17,3

10-25

30-50

ll,4

1 1,5

l3,0

8 7304!

9

Формула изобретения

Способ исследования пористой структуры измельченных материалов, заключаощийся в определении удельной поверхности сорбционным методом, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности определения, отбирают пробу частиц, диаметр которых лежит в пределах 5-)00 мк, выделяют не менее трех фракций и определяют удельную поверхность каждой фракции, после чего строят зависимость удельной поверхности от размера час4 l0 тиц, по которой. судят о наличии тупиковых пор.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

У 494665, кл. G Ol М 15/08, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

В 90044, кл. G Ol М 15/08, 1950 °

3. Авторское свидетельство СССР

У 197269, кл.G 01 N 15/08, 1966.

4. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пы»

I леи и измельченных материалов. Л., "Химия", 1974, с. 247 (прототип) .

873044

erne

C7Ë Ä 74ôùó у ,% (ф

Ь

7Р

Ы диаметр часлтиц, мг

PuzE

Составитель О. Алексеева

Редактор И. Касарда Техред Л.Пекарь Корректор А. Ференц

Заказ 9018/65 Тираж 910 Подписное

QHHHHH Государственного комитета СССР по делам изобретений и, открытий

113035 Москва Ж-35 Рауаская наб.д д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4