Пути совершенствования процесса удаления водорастворимых солей из паст органических пигментов

В связи с жесткой конкурентной борьбой на мировом рынке производителей азопигментов и красителей получение продуктов, обладающих определенным набором качественных характеристик (колористическая концентрация, относительная красящая способность).

К качественным характеристикам продуктов органического синтеза (пигментам, красителям) потребители предъявляют жесткие требования, основными из которых являются: колористическая концентрация, прозрачность, интенсивность, укрывистость, блеск, чистота, оттенок. Формирование качественных показателей происходит как на стадиях синтеза, так и на заключительных стадиях производства готового продукта, удаление водорастворимых примесей и термическое обезвоживание.

Одним из направлений повышения качественных показателей готового продукта (органических пигментов) является снижение содержания водорастворимых примесей (поваренной соли NaCl).

Главное значение в процессах поглощения света молекулами органических соединений имеет разность энергий граничных молекулярных орбиталей (ГМО) – высшей занятой и низшей свободной.

Цвет вещества зависит от положения полосы поглощения в видимой части спектра. Однако на цвет пигмента в большой степени влияют форма и размер частиц, так как суммарное цветовое ощущение определяется не только спектром поглощения, но и характером рассеяния света частицами пигмента, кроме того, большое влияние на цвет пигмента оказывает кристаллическая структура.

При производстве пигментов в первую очередь важно, чтобы продукты обладали определенным набором специфических пигментных характеристик (колористическая концентрация, цвет, интенсивность, укрывистость и т.д.).

Свойства пигментов определяются не только их химическим составом, но и кристаллическими свойствами, дисперсностью и количеством поверхности. В суспензии пигментов имеются примеси веществ, имевшихся в исходном сырье, продукты побочных реакций, адсорбированные компоненты реакционных растворов и специально вводимые добавки модификаторы. Модификаторы могут входить в кристаллическую решетку основного вещества пигмента или находиться только на его поверхности (в этом случае они являются поверхностными модификаторами). Поверхностные модификаторы не изменяют структуру вещества, но изменяют его свойства.

В суспензии пигмента наряду с целевым продуктом имеются вещества, поступившие с исходным сырьем, продукты побочных реакции, адсорбированные компоненты реакционных растворов и специально вводимые добавки модификаторы, примеси оказывают значительное влияние на качественные показатели готового продукта.

Примеси в суспензии пигментов водорастворимые и нерастворимые.

К растворимым в воде относятся вещества, обладающие растворимостью свыше 1 г в 100 г воды, все соли, образованные ионами калия К+, натрия Na+ и аммония NH4+ (NaCl, Na2SO4, CH3COONa, NH4Cl, KHCO3, СаCl2 и т. д.).

К нерастворимым примесям относят примеси не растворимые в воде. Это соли, растворимость которых менее 0,1 г в 100 г воды (CaCO3, CaSO3, BaSO4).

Концентрация водорастворимых примесей как органических, так и не органических в составе азопигментов влияет на качественные показатели готового продукта. Водорастворимые примеси значительно изменяют pH водной среды и оказывают отрицательное воздействие на стабильность лакокрасочных материалов, защитные свойства пигментированных покрытий [1].

Для улучшения качестве пигмента необходимо удаление водорастворимых примесей из пасты готового продукта.

Выделяют следующие способы удаления водорастворимых примесей:

• промывка слоя осадка на фильтровальном оборудовании;
• репульпация;
• декантация.

Промывка осадка на фильтровальном оборудовании относится к методам удаления примесей из паст без разрушения их структуры [2]. Применяется для достижения требуемой чистоты органических пигментов и красителей и является одним из самых доступных методов очистки от водорастворимых примесей [3].

Репульпация представляет собой метод удаления примесей из паст с разрушением их структуры [2], проводится как в одну, так и в несколько стадий, требует наличия специального оборудования. Использование воды в больших объемах является существенным недостатком. Частичное снижение расхода воды получают при использования противотока [3], когда при многостадийной промывке чистая промывная жидкость подается на заключительную стадию промывки, а фильтрат с этой стадии используется для промывки на предыдущей.

Декантация относится к методам удаления водорастворимых солей из пигментов с разрушением структуры осадка после отстаивания при дальнейшей отмывке [2]. Это метод является самым распространенным и простым методом очистки [3]. Проводят в одну или несколько стадий в зависимости от требований, предъявляемых к чистоте готового продукта.

Декантация дает хорошие результаты при очистке быстро расслаивающихся суспензий от примесей с высокой растворимостью, при низкой температуре (16–20 0С).

Сравнительный анализ методов удаления водорастворимых примесей из паст и суспензий органических красителей и пигментов, связанные с использованием промывной жидкости показал, что метод декантации наиболее пригоден вследствие того, что разделение суспензий происходит быстро при сниженных расходах промывной жидкости, и данный способ гарантирует сохранность кристаллической структуры пигмента.

Вода из универсальных и самых сильных природных растворителей. В ней в той или иной мере растворяются почти все вещества.

Существует большое количество теорий и моделей, объясняющих структуру и свойства воды. Общим является представление о водородных связях, как основного фактора, определяющего образование структурированных агломератов [4]. Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине – ядро атома кислорода, Межъядерные расстояния О–Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды две электронные пары образуют ковалентные связи О–Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподеленных электронных пары.

Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии sp2-гибридизации. Поэтому валентный угол НОН (104,30) близок к тетраэдрическому (109,50). Электроны, образующие связи О–Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, поскольку на них создаются два положительных полюса.

По своей структуре вода представляет собой иерархию правильных объемных структур, в основе которых лежит кристаллоподобные образования, состоящие из 57 молекул и взаимодействующие друг с другом за счет свободных водородных связей. Это приводит к появлению структур второго порядка в виде шестигранников, состоящих из 912 молекул воды. Свойства кластеров зависят от того, в каком соотношении выступают на поверхность кислород и водород.

Конфигурация элементов воды реагирует на любое внешнее воздействие и примеси, что объясняет чрезвычайно мобильный характер их взаимодействия. В обычной воде совокупность отдельных молекул воды и случайных ассоциатов составляет 60 % (деструктурированная вода), а 40 % - это кластеры (структурированная вода).

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар.

Выводы

Качество органических пигментов и красителей в значительной степени зависит от выбранного способа удаления водорастворимых солей (NaCl) и растворителя (воды) определенной кластерной структуры.