Содержание к диссертации
Введение
I. Электроразделение систем с неполярными дисперсионными средами 13
1. Электрообработка систем с газовой средой 15
1.1. Состав загрязнений 155
1.2. Осаждение и фильтрование заряженных частиц 20
1.3. Электроосаждение нейтральных частиц 36
2. Системы с жидкими средами 40
2.1. Технические суспензии диэлектрических жидкостей 40
2.2. Воднотопливные эмульсии 44
2.3. Поведение систем с неполярной средой в электрическом поле 48
2.4. Электрообработка нефтепродуктов 58
2.4.1. Электродегидраторы 59
2.4.2. Очистка легких топлив от воды и механических примесей 64
2.4.3. Очистка технических жидкостей от механических примесей 69
2.4.4 Электродепарафинизация 71
II. Электрообработка систем с полярными средами 73
3. Разрушение водных дисперсий 73
3.1. Разделение гидродисперсий и очистка питьевых вод при электрообработке 77
3.2. Обеззараживание и очистка питьевых вод КЭВ 83
3.3. Геоэкологическое обследование и электрообработка составляющих водных ресурсов 92
3.4. Очистка водных систем в электрических полях повышенной напряженности 95
3.5. Реализация электротехнологий в экологии водопользования 123
3.5.1. Персональные электроводоочистители 123
3.5.2. Водоочистная установка "Водолей" 126
3.5.3. Станция электроочистки речной воды 130
3.6. Электрообработка модельных гидродисперсий 133
4. Электрофоретическое разделение гидродисперсий с предварительным заряжением частиц 143
4.1. Системы с неорганическими частицами 143
4.2. Системы с органическими частицами 151
III. Электрообработка стоков и осадков 157
5. Электроочистка нефтесодержащих и органосодержащих вод 157
5.1. Очистка нефтесодержащих вод 157
5.1.1. Диполофоретическое разделение 157
5.1.2. Двухступенчатое разделение 165
5.2. Электроочистка подтоварных вод 185
5.3. Электротехнологии очистки органосодержащих стоков сложного слабоидентифицированного состава 189
5.4. Электрообработка раствора метилтрэтбутилового эфира 217
5.5 Электрообработка в системах жизнеобеспечения гермоотсеков 220
6. Электрообезвоживание осадков в технологиях обращения с отходами 230
6.1. Обезвоживание осадков, электрокриотехнологии 230
6.2. Электрофильтрование 240
Общие выводы 249
Литература 251
- Электрообработка систем с газовой средой
- Системы с жидкими средами
- Разрушение водных дисперсий
- Электрофоретическое разделение гидродисперсий с предварительным заряжением частиц
Введение к работе
При эксплуатации на территории России более 230 тысяч километров магистральных и 350 тысяч километров промысловых трубопроводов, несмотря на диагностику, капитальный ремонт, реконструкцию с использованием новых технологий, проведение экологической экспертизы новых проектов и экспертизы промышленной безопасности на большинстве нефтяных месторождений загрязняются водные объекты с повышением минерализации поверхностных вод, а несколько тысяч гектаров грунта загрязнены одним миллионом тонн разлитой нефти. Это связано с высоким уровнем аварийности на магистральных трубопроводах [88] из-за значительного физического и морального износа трубопроводов и оборудования [60], сопровождающимся залповым загрязнением водных объектов, почвы и атмосферного воздуха, превышающим предельно допустимые концентрации углеводородов и продуктов сгорания в 50 и более раз. В ряде случаев аварии сопровождаются тяжелыми травмами и гибелью людей.
Накопление в нефтепромысловом оборудовании и трубопроводах минеральных примесей и нефтешламов, содержащих как природные, так и техногенные радионуклиды, создает проблему обеспечения радиационной безопасности, в том числе персонала.
При очистке бытовых, промышленных, буровых, подтоварных вод образуется большое количество осадков, объемы которых затрудняют их перемещение, хранение, обработку.
Проблемы сгущения и обезвоживания осадков возникают как в нефтегазодобыче и нефтепереработке, так и в различных технологиях -производства огнеупорных материалов, белой сажи, при очистке вод гальванических цехов и, вообще, при обращении с промышленными и бытовыми отходами.
Использование электрообработки при реализации разделения дисперсных систем начинает постепенно занимать все большее место в технологии для решения многих актуальных практических задач [4, 35, 38-40, 42, 65-66, 71, 86, 89, 91, 96, 99, 102, 103]. Однако успехи в этом направлении еще довольно ограниченные, несмотря на большое количество работ, выполненных как у нас, так и за рубежом. Такое положение связано с тем, что при электрообработке систем с жидкой дисперсионной средой в большинстве из них протекают различные взаимосвязанные процессы, что затрудняет технологическое оформление процесса [76, 80, 90, 95].
В литературе мало обзоров практических работ, цель которых -обобщение на теоретической основе их результатов. Недостаток информации о механизме явлений в примененном конкретном случае, непонимание приоритета параметров и отсутствие контроля за их изменением, низкий уровень техники эксперимента часто приводят практиков к необоснованно негативным выводам.
При наложении внешнего электрического поля на дисперсные системы как с газовой, так и с жидкой полярной или неполярной дисперсионными средами взвешенные частицы могут заряжаться, перемещаться, концентрироваться и отделяться осаждением или фильтрованием, повышая тем самым чистоту газов и жидкостей.
Очистные устройства с применением электрического поля могут компоноваться с другой аппаратурой в целях создания универсальных сооружений многоцелевого назначения [75]. Электроочистные устройства компактны, высокоэффективны и достаточно экономичны. Большим достоинством метода электроочистки является то, что он позволяет создавать унифицированную аппаратуру для обработки дисперсий, различных по химическим и физическим свойствам. Эксплуатация электроочистных установок открывает широкие возможности автоматизированного управления.
Признана роль электрообработки в геоэкологии и как фактора антропогенного давления на все геосферные оболочки Земли, так и защиты биотопов, биогеоценозов, экосистем и среды обитания.
В настоящее время происходит активное освоение методов и аппаратуры электрообработки как в быту для очистки питьевых вод, так и в нефтегазоперерабатывающей отрасли для кондиционирования сырья и органопродуктов, а также возрастает интерес к закономерностям, которые проявляются в поведении дисперсных систем с газовой и жидкой неполярной и полярной средой в сильном внешнем электрическом поле [87, 92].
В связи с освоением природных богатств в районах Сибири, Крайнего Севера, Дальнего Востока, мирового океана, космоса актуальными становятся вопросы экологической безопасности и инженерного обеспечения жизнедеятельности и функционирования отдельных лиц и коллективов в экстремальных условиях строительства и эксплуатации космических станций, баз и хранилищ, нефтегазопроводов, морских буровых платформ.
Выдыхаемый человеком воздух в значительной степени определяет характер накапливающихся в герметичной кабине или в помещении различных продуктов жизнедеятельности, в том числе воды. Большое значение имеют процессы ее обеззараживания. Вопрос регенерации воды из мочи - урины находится на стадии решения, однако целесообразны более совершенные методы этого процесса. Например, повторное использование воды из урины позволило бы обеспечить около 50% всей потребности экипажа транспортного средства, космонавтов в питьевой воде. И, кроме того, следует также вести поиски принципиально новых способов удаления отбросов.
Проблема обеспечения экологической безопасности - закономерное следствие расширения сферы техногенного воздействия при нефтегазодобыче как на суше, так и на шельфе. Изменение состава элементов гидросферы, по существу, представляющих собой системы с жидкой дисперсионной средой, сказывается на здоровье людей, что делает
7 необходимым разрушение этих систем с извлечением и утилизацией дисперсной фазы загрязнений. Это связано и с очисткой нефтепродуктов и нефтесодержащих вод.
Состав комплекса жизнеобеспечения, его функции и основные характеристики определяются исходя из ограничений со стороны окружающей среды или подвижного технического средства (типа, задач, длительности функционирования, количества, состава и программы деятельности экипажа). Именно с этой точки зрения актуальна разработка методов регенерации воды и воздуха из отходов с применением электрообработки, аппаратура для реализации которой в 2-^-5 раз по удельным массогабаритным характеристикам меньше традиционных аппаратов. Следует также иметь в виду, что, например, для транспортных проектов нефтегазодобывающих фирм, космических кораблей при увеличении длительности нахождения в гермоотсеках и численности экипажа комплекс систем жизнеобеспечения все более усложняется. Наряду с подсистемами, основанными преимущественно на запасах, начинают включаться регенеративные звенья, обеспечивающие замкнутый цикл. Электрообработка же, как известно, наиболее универсальный, малооперационный процесс, легко поддающийся управлению и автоматизации.
Значительный разброс характеристик отходов жизнедеятельности, например, по составу, электропроводности делает целесообразным использование универсальных методов обработки.
Первое по значимости место в регенерации веществ должно быть отведено регенерации воды, следующее - регенерации газов для дыхания и последнее - возможной при длительном пребывании человека в замкнутом объеме регенерации пищевых продуктов.
Все сказанное выше необходимо учитывать при разработке систем жизнеобеспечения изолированных групп, в том числе в тундре, на буровых
8 платформах, подвижных технических средствах, функционирующих во всех средах биосферы, - на воде и под водой, на суше, в атмосфере, в космосе.
В последние годы повысилась степень износа очистных сооружений, что в условиях снижения потока загрязнений от спада производства привело при уменьшении валовых к росту удельных на единицу продукции загрязнений, нарушающих биотическую регуляцию окружающей среды и устойчивость ее развития.
В диссертации известная классификация процессов электрообработки дисперсных систем в электротехнологиях расширена и уточнена. Методы классифицируются в зависимости от явлений, происходящих в межэлектродном пространстве. Эти явления трудно выделить в чистом виде - например, электрофорез сопровождается электролизом, а электрокоагуляция - электрохимической коагуляцией и т.д. Во внимание принимается технология электрообработки, особенности внешнего электрического поля (частота, равномерность и т.д.) и преобладающие эффекты. Методы расположены в порядке увеличения напряженности используемого электрического поля (от Е = (0,5-И0,0) до 1-Ю4 В/см) и характеризуются следующим образом.
1. Электродиализ - метод электрообработки, при котором происходит
сепарация ионов (диализ) с их концентрированием у соответствующих
электродов, изменяющих рН приэлектродного пространства.
Применяется для удаления ионов из дисперсионных сред и опреснения воды.
2. Электролиз — метод электрообработки, при котором в
межэлектродном пространстве происходят химические реакции, как правило,
без образования нерастворимых соединений — дисперсной фазы, в том числе
за счет окислительно-восстановительных реакций на электроде
(электроокисление - с отдачей электронов на аноде и восстановление - с
присоединением электрона на катоде).
9 Пригоден для изменения химического состава дисперсионной среды. Применяется для обеззараживания воды.
3. Электрохимическая коагуляция - метод электрообработки, при
котором в межэлектродном пространстве под действием внешнего ПОЛЯ
генерируются катионы, образующие сорбирующие гидроксиды, в результате
чего под воздействием как катионов, так и гидроокиси происходит
коагуляция, сорбция и разрушается устойчивость дисперсий.
Пригоден для получения коагулянта: Используется в технологии очистки и обеззараживания воды.
4. Электрофлотация - метод электрообработки, при котором
генерируется газ, образующий высокодисперсные и монодисперсные
электрически заряженные пузырьки, адсорбирующие частицы дисперсной
фазы и транспортирующие их на поверхность жидкости.
Используется в обогащении, для очистки и обеззараживания воды.
5. Электрофлотокоагуляция - метод, сочетающий последовательно
электрофлотацию и электрохимическую коагуляцию.
Используется, как правило, для очистки природных и сточных вод, в обогащении.
6. Электрофорез - - метод электрообработки, при котором под
действием электрического поля происходит движение заряженных частиц с
их концентрированием у соответствующего электрода. Возможно
предварительное заряжение частиц.
Применяется для выделения дисперсной фазы малоконцентрированных систем, например, питьевой воды, формирования электрофоретических покрытий, окраски осаждением, в медицине и т.п.
7. Электрокоагуляция - метод электрообработки, при котором
поляризованные внешним полем частицы сближаются и образуют новые
агрегаты и частицы более крупного размера.
Электрокоагуляция может быть обратимой (агрегаты после снятия поля распадаются) и необратимой.
10 Применяется при формировании структур покрытий материалов, коагуляции в технологии обработки воды, очистке нефти от воды и солей.
8. Диполофорез - метод электрообработки или такое явление, при
котором движением частиц, в том числе и незаряженных, нейтральных
(имеющих дзета- потенциал, примерно равный нулю), управляют
неоднородным электрическим полем. Движение частиц осуществляется за
счет поляризации двойного электрического слоя.
Применяют для направленного концентрирования микроорганизмов, формирования структур.
9. Диэлектрофорез — метод электрообработки или такое явление, при
котором поляризуется материал частиц и они и их агрегаты концентрируются
в области большей напряженности поля при диэлектрической проницаемости
частиц большей диэлектрической проницаемости среды. В случае, если
частицы имеют меньшую, чем дисперсионная среда диэлектрическую
проницаемость, они выталкиваются в зону меньшей напряженности поля
Используются для глубокого обезвоживания и обессоливания нефти, при очистке диэлектрических жидкостей и других неполярных сред.
10. Электрофильтрование - метод электрообработки, при котором
осаждение и удерживание частиц ведут на поляризованной внешним
электрическим полем диэлектрической загрузке - коллекторе и внутри ее.
Применяют в технологии, использующей ионообменные смолы, полимерные, в том числе волокнистые, загрузки.
11. Электроосмос - метод электрообработки, при котором под
действием электрического поля происходит направленное движение раствора
относительно капиллярного твердого тела (мембраны).
Применяется при обезвоживании строительных материалов, сушке изделий, упрочнении грунтов и пр.
12. Электрообезвоживание - метод сгущения и регулирования
реологических свойств высококонцентрированных гидродисперсий во
внешнем электрическом поле.
Применяется при утилизации осадков бытовых, промышленных и сточных вод.
Электрический разряд малой мощности - метод электрообработки, при котором в межэлектродном пространстве, создаваемом системой электродов, генерирующих неоднородное электрическое поле, возникают электрические разряды на фронте импульсов напряжением до 3000 В и длиной до 0,02 с. Это могут быть и разряды импульсов высокой частоты.
Высоковольтный импульсный разряд - метод электрообработки, при котором в межэлектродном промежутке генерируют разряды на импульсах с напряжением более 3000 В и длиной менее 10* с за счет энергии, запасаемой предварительно в накопительном конденсаторе.
Применяется в технологии электрогидравлического удара и обеззараживания питьевых и сточных вод.
15. Комплекс электрических воздействий - метод электрообработки,
при котором используется в том или ином сочетании совокупность
вышеизложенных методов.
Целью работы является разработка технологической оптимизационной модели управления электрообработкой жизнеобеспечивающих дисперсных систем в условиях воздействия антропогенного фактора, включая их очистку от неорганических и органических материалов и обеззараживание в электрических полях повышенной напряженности.
Основные задачи исследования: - изучить возможность использования электрокинетических эффектов, включая диполо- и диэлектрофорез, в электрических полях повышенной напряженности для разделения систем типа "Т-Г", "Ж-Г", "Т-Ж", и "Ж-Ж";
феноменологически описать физико-химические процессы в межэлектродном промежутке и на границе раздела фаз при прохождении постоянного и переменного токов в предпробойных режимах;
разработать и назначить технологические параметры разделения дисперсий и оптимальных схем очистки, включая схемы, не содержащие блоки механического фильтрования;
установить режимы работы технологического оборудования для электроосаждения дисперсной фазы и повышения его барьерной устойчивости;
провести физико-химическую и медико-биологическую оценку эффективности и надежности предложенных технологий;
- предложить принципы автоматизации аппаратов, процессов и технологий
электрообработки;
отработать элементы промышленного освоения технологий электроочистки бытовых и промышленных газов и жидкостей.
Электрообработка систем с газовой средой
Атмосфера - одна из оболочек Земли, интересна по физическим свойствам и химическому составу, а в экологическом плане - как аэродисперсная система с фазой, представленной живым веществом, органическими и неорганическими частицами.
Проблемы устойчивости аэрозолей и постоянство характеристик дисперсионной газовой среды - это не только объект внимания энергетики, но и, в первую очередь, экологии планеты и человека, все стороны существования которых зависят от аэродисперсных систем. Изучение аэрозолей, возможно, приблизит исследователей к пониманию зарождения жизни. На поверхности Земли в условиях отсутствия во многих случаях безотходных технологий выбросы в атмосферу предприятий энергетики и транспорта, составляющие две трети общего количества первичных антропогенных аэрозолей, металлургических комплексов, промышленности строительных материалов, в особенности производства цемента, сопровождающегося уносом высокодисперсных частиц алюмосиликатов, карбонатов, других минеральных соединений химических производств, становятся причиной деградации воздушной среды и природы.
Ионы атмосферного воздуха, возникающие под действием космических лучей, фона естественной радиоактивности, промышленных излучений, воздействуют как на живое вещество, в частности систему эритрон у млекопитающих, так и на аэрозольный состав атмосферы с биполярно заряженными частицами. Униполярность возможна в условиях коронного разряда в зоне высокой напряженности электрического поля. Уменьшение инфильтрации наружного воздуха, дающее ощутимую экономию энергии, на концентрацию вредных примесей внутри помещения оказывает небольшое влияние. Геологические и метеорологические факторы, особенности конструкций зданий, проникновение в помещение воздуха, выделившегося из почвы, с которым в дом попадает радон и загрязняющие вещества из атмосферы, схожие с теми, что обнаруживаются в помещении, - лишь во вторую очередь влияют на концентрацию вредных примесей внутри помещения. Примеси с наибольшими концентрациями обнаруживаются в самих помещениях, из огромного объема которых они не могут быстро удаляться. Это - табачный дым с опасным размером частиц в 2 мкм, аэрозоли, генерируемые отопительными системами и кухонными плитами, использующими природный газ, керосин, масло, нефть, дрова, торф, уголь, кизяк; метилхлорид и формальдегид, выделяющиеся из строительных материалов, мебели и т. д., асбестовые волокна теплоизолирующих материалов.
Совокупность изменения скорости поступления вредностей, скорости вентиляции и скоростей реакции дает широкий диапазон концентраций большинства загрязняющих веществ, многие из которых, особенно органического происхождения, - это бесспорные или предположительные канцерогены. Однако проще избегать превышения определенного уровня воздействия вредных веществ в помещениях на отдельного человека, чем контролировать средний уровень этого воздействия. Условия жизнедеятельности организма в закрытых помещениях определяются действием параметров воздушной среды в отдельности и их комплексной взаимообусловленности.
Важнейшие из параметров среды как дисперсной системы, особенно при длительном пребывании людей в замкнутых помещениях, концентрация, химический, дисперсный и бактериальный состав взвешенной дисперсной фазы воздуха. Разделение этой дисперсной системы (осаждение аэроионизацией, фильтрация и т.д.) в любом случае связано с рассмотрением свойств и характеристик системы, дисперсная фаза которой представляет собой неорганические и органические вещества, живые или мертвые микроорганизмы, находящиеся в мелкокапельном, ядерно-капельном состоянии или в виде бактериальной пыли.
Если аэрозоли неорганических и органических веществ изучены достаточно полно, то природа образования, физико-химические и биологические свойства биоаэрозоля, играющего порой основную роль в комплексе других факторов воздействия на людей, изучены слабо и во многом неясны.
В замкнутых помещениях источниками биологических аэрозолей, в которых микроорганизмы чаще находятся в одном агрегате с частицами пыли или жидкости, в первую очередь являются человек и животные, а также продукты их жизнедеятельности. Размеры микроорганизмов биоаэрозоля лежат в пределах от 0,01 до 10,0 мкм, т.е. в диапазоне размеров от вирусов до спор растений. Наиболее характерными формами обитания для клеток микроорганизмов является сфера (кокки) и их различные сочетания (многоплоиды), палочки, плоские структуры (споры и грибки).
Видовая классификация биоаэрозоля еще более широка и неразрывно связана со средой обитания и источником. Так, для закрытых помещений характерным показателем бактериологической загрязненности воздуха является наличие гемолитической кокковой микрофлоры и зеленящегося стрептококка, а также грибков, плесени и бактерий кишечной группы. В закрытых помещениях количество микроорганизмов может достигать 30000, в чистом же воздухе - 1000-4500 в кубическом метре.
Системы с жидкими средами
В однородном электрическом поле плоского конденсатора с Е= 2,5- 3,0-105 В/м частицы различных материалов ведут себя по-разному. Для политрифторхлорэтилена характерно преимущественное движение к аноду; через 40 с после наложения поля в приэлектродной области образуется вытянутый вдоль кромки пластины структурированный слой; перемена полярности приводит к обратному перемещению отдельных частиц и агрегатов, образованных в электрическом поле.
Явления идентичного характера имеют место у дисперсии полиакрилонитрила. Суспензия стиракрила характеризуется движением большего количества частиц 60- 70 % к катоду, остальные образуют агрегаты, слегка колеблющиеся в межэлектродном пространстве. Изучение суспензий полимеров в неполярной среде осложняется их неустойчивостью, увеличивающейся при движении частиц в электрическом поле. По мере старения суспензии (спустя несколько дней после приготовления) преимущественное движение взвешенных частиц к электродам несколько утрачивается, его труднее выделить на фоне неупорядоченных перемещений.
Суспензия графита значительно устойчивее, она сохраняется в течение трех недель, -потенциал частиц графита близок к нулю. Уже при наложении поля с Е — 5-ИЙ О4 В/м частицы движутся весьма интенсивно. Это движение усиливается с ростом напряженности поля. По истечении 0,5- 2 мин образуются ветвеобразные структуры, расширяющиеся в направлении от анода к катоду, ток при этом составляет менее 10"9 А.
Технические неполярные жидкости представляют собой растворы полярных молекул и ионов в неполярной среде. Концентрация полярных молекул может меняться в зависимости от химической природы и степени очистки жидкости. Указанные технические жидкости можно считать разбавленными растворами полярных молекул, наличие которых в техническом масле МВП, бензине Б-70 установлено в связи с уменьшением диэлектрической проницаемости жидкостей после обработки силикагелем. Уменьшение содержания дипольных молекул, например, в жидкостях, прошедших очистку, не было обнаружено, вероятно, из-за недостаточной точности измерения. Часть молекул, по-видимому, может находиться в диссоциированном состоянии, что подтверждается наличием электрической проводимости у углеводородов и технических жидкостей.
Однако содержание ионов в растворителях с малой диэлектрической проницаемостью очень мало по сравнению с содержанием полярных молекул из-за незначительной степени диссоциации растворов электролитов (10 б - 10"10 моль/л). Средние межионные расстояния при этом очень велики, и растворы в отношении ионов жидкости являются весьма разбавленными. Даже относительно сильное кулоновское поле, связанное с малым значением є среды, не вызывает существенных межионных взаимодействий.
Масла с присадками (МТ-16п и МТ-22п) содержат большое количество объектов, характеризующихся двойным лучепреломлением и имеющих размеры менее 2 мкм. По-видимому, присадки в маслах находятся в коллоидно-дисперсном состоянии и концентрация крупных объектов (более 2 мкм) невелика.
Дистиллятные масла, как правило, содержат относительно небольшое количество примесей, различимых с помощью оптических методов. Будучи диспергированными в достаточно вязкой среде, частицы могут находиться длительное время во взвешенном состоянии и не коагулировать; поэтому в естественных условиях достаточно сложно оценить взаимодействие микрообъектов и установить присутствие в дисперсионной среде агрегатов твердых частиц. С целью увеличения локальной концентрации дисперсной фазы применяют центробежную обработку масла и электростатическое осаждение частиц; агрегирование также вызывается длительной выдержкой (в течение 10 -12 суток) слоя масла толщиной 5 мм в воздушной среде под стеклянным колпаком.
Полученные данные позволяют полагать, что некоторые приносимые извне загрязнения (пылинки, ворсинки), как правило, характеризуются некоторой анизотропией своих свойств, связанных с линейно вытянутой формой, с наличием отдельных структурно-упорядоченных элементов, с деформацией микрообъектов и пропиткой их углеводородной средой.
Разрушение водных дисперсий
К таким системам можно отнести фрагменты геооболочки земной коры, включая изучаемые гидрогеоэкологией, в первую очередь — водные, антропогенно измененные подземные и поверхностные источники [41, 102], в том числе загрязненные сточными, подтоварными, льяльными, поддерживающими давление пласта [93] , необходимость использования которых в питьевом водоснабжении порою непредсказуема [10].
При наложении внешнего электрического поля по мере повышения напряженности электрического поля (Е) превалируют эффекты: электролиз (Е 1 В/см), электрохимическая коагуляция (is l-MO В/см), электрокоагуляция (Е 15- -20 В/см), которые широко используют в технологиях очистки жидкости, в том числе природных и сточных вод.
При дальнейшем повышении напряжения (/) на электродах, особенно в неоднородных полях, проявляются эффекты электро- и диполофореза, а в предпробойных режимах - диэлектрофореза, которые позволяют эффективно разрушать дисперсии и с незаряженными частицами дисперсной фазы [4, 9, 15, 35, 37-40, 42, 44-48, 52-58, 61, 65-66, 71, 86, 89, 91, 98-100, 103].
Особенность поляризации в полярных средах связана с диффузностью двойного электрического слоя, проявляющейся даже при дипольнои структуре межфазной границы, индуцирующей вторичные диффузные слои в глубине обеих фаз.
Учет поляризационных сил особенно важен при построении физической картины электрокоагуляции, в технологии разделения систем с полярными средами, в том числе и очистки природных и сточных вод. Устойчивость дисперсной системы в электрическом поле зависит от знака и величины суммарной энергии взаимодействия, обусловленной энергией молекулярного притяжения, ионно-электростатической энергией отталкивания и энергией диполь - дипольного притяжения
Приближенное выражение критерия необратимой коагуляции, возникающей под действием сил Fr и FT, выводится на основе теории гетерокоагуляции Дерягина Б.В. и без учета дисперсионного притяжения записывается как [14] В малоконцентрированных системах, где расстояние между частицами значительно превышает значимое для силовых поляризационных эффектов, возможно использование совокупности линейных и квадратических эффектов по полю.
Это означает, что принципиально возможно разделение системы с наличием одной- двух частиц в безграничном объеме, что чрезвычайно важно для соответствующих технологических процессов. Как в неполярных, так и полярных дисперсионных средах поляризационные силы взаимодействия между частицами описываются сходными формулами в том т-,2 3 3/4 смысле, что они содержат величину Е а\а2Іг , и это является прямым подтверждением дипольного характера сил. Это же означает, что электрические параметры режима электрообработки, а не электрохимические, наиболее важны для реализации процессов.
Используя значения напряженности поля, обеспечивающие минимум потенциальной энергии на кривой взаимодействия частиц, возможно получить из минимально концентрированных максимально концентрированные системы при помощи следующих технологических стадий обработки: зарядка частиц — электрофорез (рис. 3.1, 3.2) - дипольная коагуляция - осаждение или диполофорез (диэлектрофорез) - дипольная необратимая коагуляция -седиментация. Дообработка в случаях требования низких значений остаточного содержания дисперсионной среды в осадке, может быть обеспечена затем, например, электроосмосом и электрообезвоживанием, при которых полем транспортируются не дисперсные частицы, а сама среда.
Электрофоретическое разделение гидродисперсий с предварительным заряжением частиц
При этом создавалась концентрация NayKMH,, равная 0,4% масс. Твердая фаза диспергировалась на шаровой мельнице в течение четырех часов, после чего системы отстаивались двое суток с целью удаления низкодисперсной фракции.
Электрокинетические характеристики гидродисперсии, стабилизированные полиэлектролитом, зависят от величины водородного показателя. Поэтому в исследуемых системах с помощью добавок соляной кислоты или едкого натра предварительно создавались различные значения рН, контролируемые прибором рН-340 через 1800 с (30 мин) после введения добавок, так как эксперимент показал, что этого времени достаточно для того, чтобы величина рН становилась постоянной.
Модели сточных вод объемом 9 мл подвергались воздействию внешнего электрического поля, которое создавалось в стеклянной электрофоретической ванне с плоскопараллельными электродами (рабочая поверхность — 25x28 мм"), расположенными на расстоянии 17 мм друг от друга. Материалом электрода служил никель или алюминий. Время электрообработки составляло 15-М 80 с при напряжении на электродах 30-=-60 В, что соответствует напряженности поля 17,7-г35,3 В/см. Во избежание значительного разогрева электровоздействие осуществлялось в пульсирующем режиме - после десятисекундной экспозиции дисперсии охлаждались в течение 10 с, хотя и в этих условиях повышение температуры было существенным (до 50 С), что при высоком напряжении (свыше 50 В) приводит к частичному выкипанию дисперсионной среды.
Под действием внешнего электрического поля наблюдается направленный перенос материала твердой фазы к аноду, образование на последнем электрофоретического осадка, толщина которого увеличивается в направлении сверху вниз. Осадок обычно отщепляется от электрода за счет бурного газовыделения на аноде, как следствия электролитического разложения дисперсионной среды. При высоких значениях силы тока образование осадка может и не наблюдаться, а в приэлектродном пространстве происходит коагуляция, носящая, по-видимому, электрохимический характер. Однако и в этом случае определяющим фактором является электрофорез, обеспечивающий подвод частиц в локальную зону повышенной концентрации электролита. При использовании никелевых электродов осадок имеет зеленоватый оттенок, обусловленный, очевидно, образованием гидроксида никеля. Высокая адсорбционная активность гидроокисей является дополнительным фактором, способствующим разделению фаз. Обработанные в электрическом поле суспензии отстаивались в течение 1-т-З суток, после чего с помощью фотоэлектрокалориметра А1-ЕЦ2-С (длина кюветы 20-7-13 мм) измерялась прозрачность слоя жидкости, находящейся над хлопьеобразным осадком. Наблюдается взаимосвязь между эффектом осветления и исходными значениями рН обрабатываемых дисперсий, как это видно на примере суспензий каолина (рис. 4.1). Степень очистки возрастает с увеличением рН, что можно объяснить повышением электрокинетического потенциала частиц при переходе от кислой среды к щелочной. Однако подобная зависимость может иметь и другой характер, в частности для суспензий литопона, в которых минимальная степень осветления наблюдается при рН=10,3. Это значение рН соответствует минимальной величине электрокинетического потенциала частиц пигмента [53]. Зависимость прозрачности дисперсий каолина, обработанных при напряжении на электродах 60 В, от исходных значений рН и времени действия поля: 15 (1); 30 (2); 45 (3) и 60 с (4) Процесс осветления суспензии, характеризуемый кривой 4 на рисунке 4.1 и кривыми 2, 3 на рисунке 4.2, был назван релейным по аналогии с механизмом срабатывания реле - при достижении управляющего тока величины срабатывания замыкаются контакты рабочей цепи и включается рабочий ток — аналог участка насыщения кривой 4. Зависимость прозрачности дисперсий двуокиси титана от времени электрообработки при напряжении на электродах 30 В и рНисх=5,4 (1); 50 В и рНисх.=5,4 (2); 50 В и рНисх=10,4 (3) Приведенные факты указывают на определенную роль электрокинетических свойств дисперсий в процессе их разрушения при электрообработке. Однако эта роль, вероятно, значительно сложнее, чем представляется на первый взгляд. С одной стороны, при действии электрического тока происходит постоянное увеличение рН в обрабатываемых системах, что должно приводить к соответствующим изменениям дзета -потенциала, а следовательно, и скорости электрофореза. С другой стороны, увеличение электрокинетического потенциала может оказывать два взаимоисключающих действия на процесс разделения фаз: 1 - интенсификация массопереноса; 2 - замедление процесса коагуляции в приэлектродной области за счет повышения энергии ионно-электростатического отталкивания. Поэтому не всегда эффект осветления связан с рН так однозначно, как в рассматриваемых примерах.
