Глава 05. Формы связи влаги с материалом [1,2,5]

Механизм сушки влажных материалов определяется в основном формой связи влаги с материалом и режимом сушки.

Чем прочнее связь влаги с материалом, тем труднее протекает про­цесс сушки. При сушке эта связь нарушается.

П.А. Ребиндером предложена следующая классификация форм связи влаги с материалом: химическая, физико-химическая, физико-механическая.

Химически связанная влага прочно соединена с материалом в опре­деленных соотношениях (в виде гидроксильных ионов или молекулярных соединений) и может быть удалена в результате проведения химической реакции или нагревания материала до высоких температур. Эта влага не удаляется из материала при сушке.

В процессе сушки обычно удаляется только влага, связанная с мате­риалом физико-химически или физико-механически. Наиболее легко уда­ляется физико-механическая влага, которая подразделяется на влагу мак­рокапилляров и микрокапилляров (капилляров со средним радиусом боль­ше или меньше 10 ^-5 см).

Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном сопри­косновении ее с материалом. А в микрокапилляры влага поступает, кроме того, и в результате поглощения  ее из окружающей среды. Влага макро­капилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическим способом.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную влагу.

Первая прочно удерживается на поверхности и в порах материала. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, нахо­дится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления больше энергии, чем влага набухания.

Следует отметить, что не существует резкой границы между различ­ными формами связи влаги с материалом. По мере исчезновения одной формы начинает превалировать другая.

По А.В. Лыкову, все твердые влажные материалы можно разделить на 3 группы: капиллярно-пористые; коллоидные; капиллярно-пористые коллоидные тела. Хотя эта классификация и является условной, она имеет большое практическое значение, поскольку возникла при обобщении ре­зультатов исследования процесса сушки различных материалов.

В капиллярно-пористых материалах жидкость в основном связана капиллярными силами. При удалении влаги эти тела становятся хрупкими и в высушенном состоянии легко превращаются в порошок. Они слабо сжимаются. В качестве примера таких материалов можно привести силикагель, гипс, керамику, полимерные материалы типа винилхлоридных.

К коллоидным телам относятся материалы, в которых преобладает лдсорбционно и осмотически связанная влага. При высушивании эти тела шачительно сжимаются, но при этом сохраняют эластичность (желатин, растворы полимеров).

В капиллярно-пористых коллоидных телах жидкость имеет различ­ные формы связи, характерные как для капиллярно-пористых, так и для коллоидных тел. По свойствам эти материалы занимают промежуточное положение: стенки их капилляров эластичны и при поглощении влаги на­бухают, а при высушивании такие тела сжимаются (глина, торф, некото­рые полимерные материалы типа полибутилметакрилата и др.).

В последнее время предпринимаются попытки классифицировать нысушиваемые влажные материалы по размерам пор. В основе такой клас­сификации (Б.С. Сажин с сотрудниками.) лежит критический радиус пор, уменьшению которого соответствуют усложнение внутрипористой струк­туры материала и увеличение диффузионного сопротивления движению влаги (в виде жидкости или пара) к поверхности частиц, а следовательно, увеличение продолжительности сушки и усложнение форм связи влаги с материалом.

Все влажные материалы делят на 4 группы в порядке уменьшения критического диаметра пор, внутри которых различают подгруппы, учиты­вающие адгезионно-когезионные свойства материала (налипание на ме­таллические поверхности, комкование и т. д.). К первой группе отнесены материалы с критическим диаметром пор более 100 нм. Продолжитель­ность сушки материалов этой группы невелика (например, во взвешенном слое 0,5-3 с). Во вторую группу входят материалы с критическим диамет­ром пор от 100 до 6 нм. Продолжительность сушки материалов второй

группы значительно больше, чем первой (во взвешенном состоянии - до 30с). К третьей группе отнесены материалы с критическим диаметром пор от 6 до 2 нм. Продолжительность сушки таких материалов составляет ми­нуты, и даже десятки минут. Материалы четвертой группы, критический диаметр пор которых менее 2 нм, характеризуются очень низкой скоро­стью сушки, при этом продолжительность сушки исчисляется часами.

Применительно к процессу сушки влагу материала классифицируют и в более широком смысле на свободную и связанную. Под свободной по­нимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности при Р_м = Р_п (Р_м — давление на­сыщенных паров воды над ее свободной поверхностью; Р_н - давление на­сыщения паров.

Под связанной понимают влагу, скорость испарения которой из мате­риала ниже скорости испарения воды со свободной поверхности: Р_м < Р_н.

Влажность материала и изменение ее в процессе сушки. Влаж­ность материала может быть рассчитана по отношению к его общему ко­личеству G или по отношению к количеству находящегося в нем сухого вещества G_c.