أنواع وتطبيقات مجففات الرذاذ الشائعة

I.مبدأ عمل التجفيف بالرش

التجفيف بالرش عملية يتم فيها تحويل المادة السائلة إلى قطرات دقيقة باستخدام مرذاذ، ثم يتبخر المذيب بسرعة في وسط تجفيف ساخن لتكوين مسحوق جاف. تتكون عملية التجفيف بالرش عمومًا من أربع مراحل: أ) تحويل المادة السائلة إلى رذاذ؛ ب) خلط الرذاذ مع وسط التجفيف الساخن؛ ج) تبخر القطرات وتجفيفها؛ د) فصل المنتج المجفف عن وسط التجفيف.

يمكن أن تكون المادة السائلة محلولًا أو مستحلبًا أو معلقًا، أو سائلًا منصهرًا أو معجونًا - أي شكل سائل قابل للضخ. أما المنتج النهائي فيمكن أن يكون على شكل مسحوق أو حبيبات أو كرات مجوفة أو تكتلات.

II.مجففات الرذاذ الشائعة

يقوم مجفف الرذاذ بتحويل سائل مخفف (مثل محلول يحتوي على نسبة ماء تتراوح بين 75% و85% أو أكثر) إلى رذاذ، ثم ينشره في تيار من الهواء الساخن. يؤدي ذلك إلى تبخر الرطوبة بسرعة، مما ينتج عنه منتج صلب. عادةً ما تستغرق عملية التجفيف من بضع ثوانٍ إلى عشرات الثواني فقط. يُعدّ جهاز الرش المكون الرئيسي في عملية التجفيف بالرذاذ، ومن أنواعه الرئيسية: أجهزة الرش الطاردة المركزية، وأجهزة الرش بالضغط، وأجهزة الرش بتدفق الهواء.

1.مجفف رذاذ الضغط

يُضخ السائل المُرشّح إلى مرذاذ ضغط عند ضغط يتراوح بين 2 و20 ميجا باسكال، حيث يُحوّل إلى قطرات صغيرة. ثم تتلامس هذه القطرات المُرشّحة (ذات مساحة سطح أكبر بكثير) بشكل كامل مع الهواء الساخن، مما يُسرّع عملية التجفيف خلال 10 إلى 30 ثانية. بعد ذلك، يُفصل المسحوق أو الجزيئات الدقيقة الناتجة للحصول على المنتج النهائي.

2.مجفف رذاذ طرد مركزي

يمر الهواء عبر مرشح وسخان قبل دخوله إلى موزع الهواء في أعلى مجفف الرذاذ الطارد المركزي، حيث يدخل الهواء الساخن إلى المجفف بشكل حلزوني. يُضخ السائل المغذي من خزان التغذية عبر مرشح إلى المرذاذ الطارد المركزي في أعلى المجفف، حيث يُرش على شكل قطرات متناهية الصغر. يتدفق السائل المغذي والهواء الساخن بالتوازي، مما يؤدي إلى تبخر الرطوبة بسرعة وتجفيف المنتج النهائي في وقت قصير جدًا. يُخرج المنتج النهائي من أسفل برج التجفيف وفاصل الإعصار، بينما تُطرد غازات العادم بواسطة مروحة.

3.مجفف هواء بالرذاذ

تعتمد العملية الرئيسية على رش الهواء أو بخار الماء بسرعة عالية من فوهة، مستخدمةً الاحتكاك لفصل المادة السائلة إلى قطرات دقيقة. تتلامس هذه القطرات بعد ذلك مع الهواء الساخن، مما يُحدث عملية تبادل حراري تستغرق أقل من نصف دقيقة. تُعد هذه الطريقة فعالة للغاية للمواد عالية اللزوجة وسهلة التشغيل.

III.مجالات استخدام مجففات الرذاذ

1.تُستخدم عملية التجفيف بالرش في تحبيب المواد الخزفية المتخصصة.

يؤثر تشكيل المادة الخزفية قبل تلبيدها بشكل مباشر على أداء المنتج النهائي. وتؤثر خصائص المسحوق بشكل كبير على تجانس المادة الخزفية وكثافتها بعد الكبس الجاف. تُستخدم تقنية التحبيب بالرش على نطاق واسع لتحضير مساحيق السيراميك المتخصصة. ويُستخدم الرش بالضغط عادةً لتحبيب هذه المساحيق. في ظل ظروف معالجة مناسبة، يتميز المسحوق المُحضر بتجانس كيميائي جيد، ونعومة عالية، وسيولة جيدة، وكثافة عالية عند الكبس، مما يجعله مناسبًا لعمليات الكبس الجاف أو الكبس المتساوي الضغط لمساحيق السيراميك المتخصصة.

2.تطبيق التجفيف بالرش في مادة الكاثود من فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) لبطاريات الليثيوم أيون

تتكون بطاريات الليثيوم أيون بشكل أساسي من مواد الكاثود، ومواد الأنود، والإلكتروليتات، والفواصل. تُشكل تكلفة مواد الكاثود وأداؤها عائقًا أمام تطوير بطاريات الليثيوم أيون؛ لذا، يُعد البحث والتطوير في هذا المجال أمرًا بالغ الأهمية لدفع عجلة التقدم التكنولوجي في هذه البطاريات. حاليًا، تُعد مواد الكاثود الرئيسية المستخدمة في الصين هي أكسيد الليثيوم والكوبالت، وأكسيد الليثيوم والنيكل، وفوسفات حديد الليثيوم، والمواد الثلاثية. من بينها، يتميز فوسفات حديد الليثيوم بمزايا عديدة، منها الأمان العالي، وعمر الدورة الطويل، والثبات الحراري الجيد، وتوافر المواد الخام على نطاق واسع، والسعر المنخفض، ولكنه يعاني من انخفاض الكثافة الظاهرية وضعف التوصيلية عند درجات الحرارة المنخفضة.

طريقة تحضير بسيطة لمادة الكاثود LiFePO4/C: يُضاف هيدروكسيد الليثيوم (LiOH) وفوسفات الحديد (FePO4) إلى وعاء طاحونة كروية مع ماء نقي. بعد الطحن، تُضاف كمية محددة من مصدر الكربون. بعد ثلاث ساعات من الطحن الكروي، يُزال المعلق ويُجفف بالرش في مجفف رذاذي. يُجرى التجفيف بالرش عند درجات حرارة محددة للمدخل والمخرج (200-250 درجة مئوية للمدخل، وأقل من 100 درجة مئوية للمخرج). بعد التجفيف، تُوضع المادة في فرن ذي جو عادي للتكليس بدرجة حرارة منخفضة لمدة ساعتين، ثم تُكلس بدرجة حرارة عالية لمدة ست ساعات للحصول على مادة الكاثود LiFePO4/C.

تُظهر التجارب أن خطوة التجفيف بالرش تُكسب المادة الأولية كروية ممتازة قبل التلبيد، بحجم جسيمات يتراوح بين 20 و20 ميكرومترًا. في ظل ظروف التجفيف بالرش، يكون التركيب الكيميائي للمادة متجانسًا نسبيًا. أثناء التكليس، لا يحدث أي تغير في الطور الصلب بين الجسيمات الكروية، ويقتصر تكوين حبيبات LiFePO4/C على جسيم كروي واحد، مما ينتج عنه حبيبات LiFePO4/C صغيرة. تُعد هذه الحبيبات الدقيقة مفيدة للخصائص الكهربائية لـ LiFePO4/C.

3.تُستخدم عملية التجفيف بالرش لتجفيف السيليكا.

تُعدّ السيليكا المترسبة، والمعروفة أيضًا باسم الكربون الأسود الأبيض، مادة خام مُقوّية مهمة في صناعة المطاط. ونظرًا لتشابه بنيتها المجهرية وشكل تجمعاتها مع الكربون الأسود، وامتلاكها خصائص تقوية مماثلة في المطاط، تُسمى بالكربون الأسود الأبيض. توجد طريقتان رئيسيتان لإنتاج الكربون الأسود الأبيض: طريقة الطور الغازي وطريقة الترسيب. تُنتج طريقة الطور الغازي منتجات عالية النقاء وذات أداء جيد، إلا أنها عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة، ومعقدة تقنيًا، ومكلفة.

في المقابل، تُعدّ طريقة الترسيب لتحضير الكربون الأسود الأبيض ناضجة تقنيًا، وسهلة التشغيل، وتتميز بميزة التكلفة العالية. مع ذلك، خلال عملية التجفيف وإزالة الماء، تكون الجزيئات متناهية الصغر عرضة للتكتل، مما يؤثر على الأداء. أظهرت الدراسات أن التجفيف بالرش يمكن أن ينتج الكربون الأسود الأبيض مع تشتت موحد للجسيمات، ومساحة سطحية عالية، وقيمة امتصاص عالية للزيت، بما يتوافق مع منحنيات مطابقة قيمة امتصاص الزيت ومساحة السطح المحددة الموصى بها، مما يجعله مناسبًا كعامل تقوية للإطارات عالية الأداء والإطارات الملونة.

4.تطبيق التجفيف بالرش في التركيبات الصيدلانية

يلعب التجفيف دورًا حاسمًا في إنتاج الأدوية، وخاصة في إنتاج الأدوية الصينية التقليدية. تتميز المستحضرات الصيدلانية المجففة بالرش بالخصائص التالية:

a.تجانس جيد للمنتج النهائي: أثناء التجفيف بالرش، يتم رش السائل في تشتت ذري تحت التحريك المستمر ويجف على الفور، مما ينتج عنه تجانس جيد.

b.يتميز المنتج النهائي بسيولة جيدة، وقوام متماسك، وقابلية ذوبان عالية: أثناء التجفيف بالرش، يتبخر الماء بسرعة، مما ينتج عنه حجم جسيمات صغير، وسيولة جيدة، وضغط سلس للأقراص؛ وهذا يضمن أيضًا جرعة أكثر دقة أثناء التعبئة الجزئية. عند ملامسته للماء، يتغلغل بسهولة أكبر في الحبيبات، مما يسهل ذوبان الدواء.

c.عملية إنتاج مبسطة: يمكن للتجفيف بالرش إكمال التركيز والتجفيف في خطوة واحدة، كما أن وقت التجفيف قصير نسبيًا، مما يساعد الأدوية الحساسة للحرارة على الحفاظ على فعاليتها.

d.الإنتاج النظيف: يتم اعتماد بيئة رش مغلقة لمنع تلوث الأدوية بالبكتيريا وتقليل تلوث الغبار في ورشة العمل.

تتطلب منتجات الطب الصيني التقليدي درجة عالية من النظافة، لذا فهي تُجهز عادةً بأجهزة تنقية هواء متعددة. ولذلك، يُعد التجفيف بالرش مناسبًا جدًا للتجفيف في عملية تصنيع الأدوية الصينية التقليدية.