Содержание к диссертации
Введение
1 Описание методов и средств создания заряженных аэрозольных сред и улавливания вредных конденсированных частиц с использованием электростатических полей 12
1.1 Механизмы зарядки аэрозольных частиц 12
1.2 Способ распыления наноразмерных порошков на основе коронного разряда 14
1.3 Способы очистки от аэрозольных загрязнений и их аппаратурное оформление
1.3.1 Гравитационное осаждение 19
1.3.2 Сухое инерционное осаждение 20
1.3.3 Циклоны 22
1.3.4 Мокрое пылеулавливание 23
1.3.5 Звуковая и ультразвуковая коагуляция 24
1.3.6 Электростатическое осаждение
1.4 Физические основы электрофильтров 28
1.5 Особенности применения электростатических полей для очистки 33
1.6 Классификация электрофильтров по типам 35
2 Экспериментальные исследования и теоретический расчет распространения аэрозольного облака под действием электрического поля 40
2.1 Экспериментальные исследования промышленных образцов различных конструкций электростатических установок 40
2.2 Устройство регистрации параметров аэрозольного облака в динамике 44
2.3 Экспериментальные исследования по воздействию электрофильтра на микро- и наночастицы аэрозоля 50
2.4 Расчет скорости и критерии седиментации аэрозольных частиц 57
2.5 Определение скорости диффузии в замкнутом объеме
2.6 Скорость дрейфа частиц при распространении аэрозольного облака в электрическом поле 76
2.7 Сравнительная оценка скоростей аэрозольного облака при различных механизмах движения 77
3 Исследование влияния электростатического способа распыления на параметры конденсированной фазы 84
3.1 Исследование возможностей и свойств заряженных аэрозольных частиц модельного порошка при нанесении на поверхность 84
3.2 Влияние способа распыления на функцию распределения частиц аэрозоля по размерам 89
3.3 Определение значения заряда порошкового материала при осаждении на поверхности 92
3.3.1 Экспериментальная установка 97
3.4 Влияние электростатического заряда поверхности на краевой угол смачивания 102
3.4.1 Способ введения упрочняющих частиц в жидкий металл 110
4 Исследование изменений адсорбционных свойств заряженных аэрозольных частиц 115
4.1 Молекулярно-кинетические свойства мелкодисперсных порошков 115
4.2 Исследование удельной поверхности и дисперсности при различных способах распыления 117
4.3 Физико-математическое моделирование электростатической сорбции на частицах порошка 122
4.4 Комбинирование электростатического воздействия для увеличения скорости осаждения вредных аэрозолей из воздушной среды 130
4.5 Отработка макета по очистке с использованием электростатических полей 133
4.6 Экспериментальное исследование коагуляционных процессов при
комбинировании методов распыления и наличии заряженных частиц в потоке 139
Заключение 147
Список литературы 150
- Способы очистки от аэрозольных загрязнений и их аппаратурное оформление
- Устройство регистрации параметров аэрозольного облака в динамике
- Влияние способа распыления на функцию распределения частиц аэрозоля по размерам
- Физико-математическое моделирование электростатической сорбции на частицах порошка
Введение к работе
Актуальность работы. Опасность техногенных аварий на
промышленных объектах, экологических катастроф, военных действий,
приводящих к образованию токсичных облаков пыли, а также заражения
вирусами и бактериями делает актуальной разработку способов быстрой и
эффективной ликвидации последствий таких событий. Высокая токсичность,
трудность индикации и высокая дисперсность вредных продуктов
обуславливает актуальность разработки. Разнообразие веществ «загрязнителей» приводит к выбору направления исследований для обеспечения чистоты атмосферы хотя бы для ограниченного пространства.
Вещество, находящееся в аэрозольном состоянии, имеет ряд особых
свойств и признаков, которые необходимо учитывать в работе по очистке
помещений от вредных выбросов. При выборе способа очистки следует
выявить особенности и границы применения метода, связанные, прежде всего, с
размерами частиц. До сих пор не до конца изучено электростатическое
осаждение микронных и субмикронных аэрозолей. Можно предположить, что
для частиц аэрозоля микронных и субмикронных размеров осаждение под
воздействием электрического поля будет проходить существенно быстрее, чем
в отсутствии поля. Однако так ли это на самом деле, или более эффективными
являются другие механизмы воздействия на конкретное вещество
определенной дисперсности, предстоит показать с помощью математических моделей и оценить экспериментально.
При этом важной задачей является не только очистка воздуха помещений от загрязнений, но и очистка поверхностей внутри помещения, в поры которых могут проникать токсичные продукты, вирусы, бактерии, оставаясь там надолго. Применение специально распыленных сорбирующих аэрозолей для очистки поверхностей недостаточно изучено. В частности, для таких целей еще не был использован электростатический способ распыления сорбирующих аэрозолей.
Для очистки поверхностей объектов или воздуха помещений необходимо подобрать и распылить порошок, физико-химически взаимодействующий с опасным продуктом, нейтрализуя его. Затем отработанный порошок должен быть собран и дезактивирован.
В качестве сорбирующих порошков выбраны мелкодисперсные порошки, обладающие большой удельной поверхностью. Данная работа направлена на исследование очистки поверхности и воздушной среды за счет внедрения опасного веществ в поры наносорбентов с помощью электрического поля.
Электростатический способ распыления аэрозолей позволяет разбить агломераты частиц, что важно в тех практических приложениях, где требуется наибольшая дисперсность порошка. Это является важной задачей для сорбции вредных веществ в воздухе и на поверхностях. В работе рассматривается и другая область применения нанодисперсных частиц – упрочнение металлов. Один из перспективных способов упрочнения металлов – это внесение в расплав мелкодисперсных (наноразмерных) частиц различного физико-химического состава (оксиды металлов, ультрадисперсный алмаз и т.п.). Однако такие нанодисперсные порошки создают агломераты, с чем необходимо бороться. Электростатическое распыление позволяет разрушить агломераты
частиц, после чего одноименно заряженные частицы не образуют агломераты вновь. Кроме того, наличие заряда поверхности улучшает смачиваемость частиц жидким металлом, что облегчает процесс их внедрения в металлическую матрицу. В работе проведены исследования изменения свойств заряженных частиц (увеличение дисперсности порошка при распылении, уменьшение краевого угла смачивания), предложен и экспериментально проверен способ внесения упрочняющих частиц в расплав металла с использованием электрического поля.
Целью работы является использование процесса электростатического осаждения и распыления мелкодисперсного аэрозоля и разработка способов применения заряженных частиц, включая очистку воздушной среды и поверхностей рабочих помещений.
Задачи исследования:
-
Экспериментальные исследования по оценке ускорения осаждения при воздействии электрического поля для различных вредных мелкодисперсных аэрозолей. Расчет скорости дрейфа частиц под действием электрического поля с использованием параметров электрофильтра. Оценка влияния различных механизмов движения аэрозольных частиц за счет: диффузии, дрейфа в электрическом поле и осаждения в поле силы тяжести.
-
Физико-математическое моделирование электростатического взаимодействия частиц порошков. Измерение потенциала и величины электрического заряда осажденных на различных поверхностях мелкодисперсных частиц при электростатическом распылении.
-
Экспериментальные исследования изменения дисперсности и концентрации частиц аэрозоля в процессе электростатического распыления и последующего распределения частиц мелкодисперсных аэрозольных сред в воздухе и на поверхности.
-
Поиск способов удаления вредных аэрозольных образований из воздуха и с поверхностей помещений и других областей применения аэрозолей электростатически заряженных частиц.
Объектом исследования являются мелкодисперсные частицы аэрозоля, приобретающие заряд посредством коронного разряда.
Предметом исследования является процесс образования аэрозольного облака с помощью электростатического распыления, а также осаждение заряженных и нейтральных взвешенных частиц при электрическом воздействии.
Методы исследования. При выполнении работы использовались:
– анализ и обобщение научно-технической литературы по способам распыления и осаждения аэрозольных сред;
– экспериментальные оптические методы контроля дисперсности и концентрации изучаемого аэрозоля;
– физико-математическое моделирование процесса взаимодействия частиц продуцируемого аэрозоля;
– методы математической статистики и обработки изображений;
– оптический анализатор для оценки степени взаимодействия нейтральных и заряженных частиц на поверхности и визуализации данного процесса;
– методы измерения заряда частиц порошкового материала; – микроскопические методы исследования.
Научная новизна:
-
Впервые на основе экспериментально-теоретических исследований произведен сравнительно-оценочный анализ изменения параметров аэрозольного облака и скоростей осаждения при различных механизмах движения аэрозольных частиц, таких, как диффузия, дрейф в электрическом поле и поле силы тяжести, позволяющий прогнозировать эффективность использования приборов для электростатического осаждения аэрозоля с учетом дисперсности и физико-химических свойств, а также электрических параметров электроосаждающих устройств. Установлено, что скорость электрического дрейфа достигает предельных значений для мелкодисперсного аэрозоля порошка талька (0,04-0,12 м/с) и раствора соли (0,02-0,07 м/с).
-
Показано, что электростатический способ распыления приводит к разбиению агломератов частиц, существенному уменьшению их размеров (в два раза по сравнению с дисперсностью частиц, распыленных пневматическим устройством) и увеличению удельной поверхности.
-
Предложена новая физико-математическая модель электростатического взаимодействия частиц порошка, которая позволяет получать зависимости убыли относительной массы сорбированного порошка от времени; в разработанной модели приведено условие возможности электростатического взаимодействия частиц с учетом силы трения.
-
Экспериментально установлено, что значения среднего краевого угла смачивания при наличии заряда на поверхности для различных пар веществ снижается более, чем на 3, по сравнению со случаем без заряда, что говорит об улучшении смачивания этой поверхности жидкостью. Получена новая расчетная зависимость, позволяющая оценить величину краевого угла смачивания поверхности в зависимости от ее заряда.
-
Предложен способ измерения потенциала поверхности и определения величины электрического заряда осажденных на различных поверхностях аэрозольных частиц при электростатическом распылении с целью анализа влияния уровня заряда частиц на сорбционные свойства материалов. Установлено, что большинство порошков приобретает положительный заряд при электростатическом распылении, а величина заряда одной частицы составляет около 10-17-10-18 Кл.
Практическая значимость:
-
На основе результатов проведенных исследований предложены новые области использования метода электростатического распыления и электрофильтров, а именно для сорбции в воздухе и на поверхности вредных и опасных аэрозольных частиц или микроорганизмов и введение упрочняющих частиц в расплав металла.
-
Предложен новый способ нейтрализации опасных веществ в воздухе и на поверхностях с помощью электростатического распыления сорбирующих порошков. В результате экспериментальных исследований предложенного способа при электростатическом распылении активированного угля, как сорбента для малатиона, достигнута эффективность очистки более 99 %.
Высокоэффективным (более 99,5 %) является применение заряженных частиц оксида железа и оксида алюминия для очистки 2-хлорэтилэтилсульфида.
3 Применение электростатического воздействия на двух технологических этапах (создание облака сорбента и осаждение отработанного сорбента) позволило снизить концентрацию выбранных веществ (талька и псевдобемита) в воздухе до нулевых значений в течение 100 с.
Работа проводилась при поддержке гранта 16-38-00581 мол_а
«Исследование возможности очистки дегазируемых поверхностей с помощью
сорбирующих порошков и электростатического поля», результаты
диссертационной работы получены при выполнении проекта фундаментальных
исследований СО РАН V.49.1.4 «Разработка теоретических основ, методов и
высокоэнергетических материалов (ВЭМ) для генерации пространственно-
распределенных полей субмикронных и наноразмерных частиц со
специальными контролируемыми свойствами с целью дезактивации опасных
химических агентов с одновременным обнаружением и идентификацией
опасных веществ», научно-исследовательской работы (НИР) «Разработка
методов получения аэрозолей наноразмерных порошков оксидов и
последующего сбора отработанных порошков в процессах очистки воздуха от
отравляющих веществ», НИР «Исследование возможности разработки
комплекта технических средств на основе наносорбентов для дегазации
объектов», проекта «Разработка и совершенствование способов получения
высокопрочных легких сплавов и металломатричных нанокомпозитов с
повышенными эксплуатационными характеристиками» Соглашение №
14.578.21.0025 (2014-2016гг.) в рамках Федеральной целевой программы
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-
технологического комплекса России на 2014-2020 годы».
Достоверность полученных результатов обоснована малой
относительной погрешностью используемых средств и методик измерений,
подробным анализом экспериментальных данных, а также сопоставлением их с
экспериментальными данными аналогов используемого метода и
литературными источниками.
На защиту выносятся:
– Результаты исследования процесса электростатического осаждения мелкодисперсных аэрозолей.
– Оценки характерных времен процессов эволюции аэрозольного облака в электростатическом поле.
– Измерение удельной поверхности частиц аэрозолей при различных способах распыления.
– Математическая модель сорбции мельчайших частиц, расположенных на поверхности или распределенных в воздухе в виде аэрозоля, с помощью частиц электрически заряженных порошковых сорбентов.
– Результаты измерений и расчетов величины и знака
электростатического заряда частиц различных порошков при напылении их электростатическим распылителем на поверхности различных материалов.
– Результаты испытаний по определению эффективности применения заряженных частиц сорбента для очистки поверхности от частиц вредных веществ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и
обсуждались на Всероссийской конференции «Информационные технологии в
науке, экономике и образовании» (г. Бийск, 2013 г.); XX Рабочей группе
«Аэрозоли Сибири» (г. Томск, 2013 г.); Всероссийской конференции
«Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных
исследованиях» (г. Бийск, 2014 г.); X Международной конференции HEMS-
2014 Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и
гражданское применение (г. Бийск, 2014 г.); V Всероссийкой научно-
технической конференции молодых ученых «Перспективы создания и
применения конденсированных высокоэнергетических материалов» (г. Бийск,
2014 г.); XXI Рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (г. Томск, 2014 г.);
Международной молодежной научной школе - семинаре «Тепломассоперенос в
системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и
технологического оборудования» (г. Томск, 2015 г.); XXIV Всероссийском
семинаре с международным участием по струйным, отрывным и
нестационарным течениям (г. Новосибирск, 2015 г.); XXII Рабочей группе
«Аэрозоли Сибири» (г. Томск, 2015 г.); V Международной молодежной
конференции «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и
небесной механики» (г. Томск, 2015 г.); 9-ой Всероссийской научно-
практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с
международным участием «Технологии и оборудование химической,
биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2016 г.); XII
Международной конференции HEMs-2016 «Высокоэнергетические материалы:
демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение» (г. Томск, 2016
г.); VI Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых
«Перспективы создания и применения конденсированных
высокоэнергетических материалов» (г. Бийск, 2016 г.).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 24 научных работах, в том числе 7 статей в журналах, входящих в перечень ВАК.
Личный вклад заключается в формировании основных научных идей, создании математических моделей расчета, планировании и проведении экспериментальных исследований, обработке полученных данных, написании статей на основе интерпретации накопленных результатов, а также их реализация в технологических процессах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 84 наименований и 3 приложений. Диссертация изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц и 97 рисунков.
Способы очистки от аэрозольных загрязнений и их аппаратурное оформление
На практике широко используется эффективный метод зарядки аэрозольных частиц коронным разрядом. Коронный разряд является разновидностью холодной плазмы, когда в зоне короны образуются свободные электроны, которые переполняют пространство между распылителем и объектом. Электроны соединяются с молекулами воздуха, создавая поток отрицательных ионов. Если электрическое поле за границами области коронного разряда обладает достаточной напряженностью, то ионизированные частицы, будут объединяться с частицами порошка в процессе распыления.
В результате создается облако заряженного вещества и свободных (неприсоединившихся) ионов (рисунок 1.1) между распылителем и объектом. Совокупный заряд порошкообразных частиц и ионов, составляющих облако, образуют «пространственный заряд». При этом «пространственный заряд» формирует собственное электрическое поле, которое действует на аэрозольные частицы совместно с полем высоковольтного электрода и приводит к осаждению мелкодисперсных частиц порошка на заземленную подложку. 1 – электрод коронирующий; 2 – поток заряженных частиц вещества; 3 – ионы; Когда заряженный поток частиц вещества проходит у краев детали, на них воздействуют электростатические и аэродинамические силы. Крупные частицы вещества образуют большую площадь поверхности, за счет чего в большей степени подвержены воздействию аэродинамических сил и силы тяжести.
Если скорость потока воздуха у детали имеет большие значения, то крупные частицы материала будут проскальзывать у краев, не осаждаясь на объекте. Более мелкие частицы вещества испытывают большее электростатическое притяжение к заземленной поверхности.
Масса дисперсного материала может содержаться в специальной емкости, снабженной разгрузочным отверстием, в котором поверхность массы является открытой по меньшей мере в процессе распыления. Приложенное напряжение может быть положительным или отрицательным (предпочтительным является положительное напряжение) и обычно находится в диапазоне от 3 до 40 кВ.
Электростатическое распыляющее устройство обычно содержит схему генерирования высокого напряжения, электропитание на которую подается от схемы низкого напряжения, содержащей один или больше чувствительных к облучению элементов и средство накопления заряда. Такие устройства неизменно содержат генератор высокого напряжения для вырабатывания напряжения в диапазоне киловольт с целью приложения к подлежащему распылению материалу.
Отсутствие проводимости гарантирует прилипание материала к цели в течение значительного промежутка времени. Однако если вещество обладает низким электросопротивлением, возникает растекание заряда по массе и снижает степень налипания распыленного вещества на поверхность материала. Надежность покрытия будет определяться влажностью и липкостью самой поверхности, при наличии электрического поля частицы способны перемещаться вдоль такой поверхности.
Нанесение тонкого слоя на заземленную поверхность распыляемого порошка позволяет существенно снизить расход материала. Также к достоинствам зарядки коронным зарядом можно отнести высокую производительность системы, относительно низкую чувствительность к параметрам окружающей среды, низкими затратами на обслуживание и ремонт. Все это дает дополнительное преимущество электростатическому распылению коронным разрядом перед другими видами распылителей.
Электростатические распылители способны распылять жидкофазные вещества, однако имеется ряд особенностей. Распылитель такого рода имеет специальную форму для обеспечения контактной зарядки подаваемой жидкости, которая под действием электростатического поля высокого напряжения транспортируется к покрываемой поверхности, находящейся под нулевым потенциалом. При движении частицы жидкости, под действием электрического поля, измельчаются, расталкиваются и снова дробятся. Равномерное распределение частиц жидкости происходит за счет действия кулоновких сил между заряженными частицами. При движении заряженных частиц в электростатическом поле высокого напряжения, происходит хорошее покрытие поверхности жидкостью.
Однако не все жидкости можно эффективно электростатическим способом распылять. Огромное влияние на процесс распыления имеет величина вязкости, проводимости, поверхностного натяжения жидкости и величина напряженности электрического поля.
Таким образом, устройство электростатического распыления имеет несколько сфер применения, включающих очистку воздуха, распыление сорбирующих порошков и инсектицидов (средств от насекомых), продукции личного ухода - гигиены (например, дезодоранты, косметические средства и духи) и медицинских и квазимедицинских продуктов, типа аэрозолей носовых и дыхательных путей.
Устройство регистрации параметров аэрозольного облака в динамике
Большинство трубчатых аппаратов относят к мокрым, а пластинчатых – сухим. Пластинчатые электрофильтры делят по направлению движения газа в активной зоне на вертикальные и горизонтальные. Пластинчатые вертикальные электрофильтры чаще всего однопольные. Трубчатые мокрые аппараты применяют как для агрессивных, так и для нейтральных газов и сред, также могут быть предназначены для холодных и горячих газов.
Парциальную эффективность работы электрофильтра можно выразить, используя выражения (1.4), (1.5) [13]: – для трубчатого электрофильтра: №Л T?т = l где Wэ – скорость газа в активном сечении; Lэ – активная длина электрофильтра; Rэ– радиус трубчатого осадительного электрода. – для пластинчатого электрофильтра: (1.4) rjп=\-е (1.5) где Hэ – расстояние между коронирующим и пластинчатым электродом. Выводы по первой главе 1 Представлены результаты теоретического исследования движения и оседания аэрозолей под действием электрических полей, сформулированы основные требования к эффективности работы приборов, основанных на электростатике. Воздействие электрического поля влияет на основные характеристики и процессы, возникающие в результате эволюции взвешенных частиц: дисперсность, устойчивость агломератов, осаждение, взрывоопасность, испарение, коагуляцию, скорость химической реакции, взаимодействие с живыми организмами и т.д. Конкретные численные значения изменения характеристик аэрозольных сред после воздействия электрического поля предстоит выявить в экспериментальных исследованиях, описанных в следующих разделах диссертационной работы. 2 Проведен теоретический анализ процесса электростатического распыления мелкодисперсных порошков, электростатического напыления их на поверхности и связанных с этими процессами эффектов, имеющих практическое значение. 3 Проанализированы основные методы осаждения вредных аэрозольных загрязнений, представлены схемы и конструкции систем очистки от мелкодисперсных частиц, приведены их достоинства и недостатки. Таким образом, использование электрофильтров имеет высокую степень эффективности осаждения аэрозольных частиц (более 90 %). Электрофильтры могут использоваться для веществ с различными физико-химическими свойствами, в различных условиях окружающей среды (температура, влажность, давление) при тщательной регулировке электродной системы, по сравнению с другими способами осаждения аэрозольных сред. 2 Экспериментальные исследования и теоретический расчет распространения аэрозольного облака под действием электрического поля
На практике встречается широкий ассортимент электростатических установок, воздействующих на мелкодисперсную пыль, витающую в замкнутом пространстве. Эффективно очистить воздух от ультрадисперсной пыли можно при помощи коронного разряда электроэффлювиальных люстр Л.А. Чижевского, одна из таких моделей представлена на рисунке 2.1. Они позволяют решать сразу две задачи: осаждать и коагулировать направленный поток аэроионов во взвешенном воздухе – пыль (в том числе опасную радиоактивную) и очищать воздух от микроорганизмов, одновременно насыщая его аэроинами. Поток аэроинов (горный или курортный воздух) может быть получен с активного электрода, выполненного в виде токопроводящей многоярусной полусферической изогнутой вниз люстры с напаянными на нее иглами, по которым будет стекать электрический заряд. К люстре подключается отрицательный электрод
Внешний вид люстры Чижевского высоковольтного источника питания. В устройствах типа люстры Чижевского, приведенного на рисунке 2.1, в электрическом поле возникает напряженность и поверхностная плотность заряда у конца острия, создается максимальное значение и вызывает «стекание» электрических зарядов с наконечника. При высоком значении напряженности на металлических проводниках и остриях сравнительно малого радиуса кривизны возникает эффект электрического разряда, сопутствующий ударной ионизацией. В результате ее образуются лавины электронные и ионные, и этот процесс переходит за пределы острия.
Одной из последних модификаций люстры Чижевского является воздухоочиститель-ионизатор «Супер плюс-турбо», внешний вид которого представлен на рисунке 2.2. Технические характеристики прибора приведены в таблице 2.1.
Кассета оснащена положительно заряженным электродом на выходе воздуха, фильтрующим положительно заряженные электроны и пропускающим только отрицательные легкие аэроионы. Данный прибор может улавливать пыль, пыльцу растений, табачный дым, копоть, вирусов, микробов и обслуживать помещения до 50-60 м2. Таблица 2.1 – Технические характеристики воздухоочистителя-ионизатора «Супер плюс-турбо»
Влияние способа распыления на функцию распределения частиц аэрозоля по размерам
Для сравнения проводилось две серии экспериментов: одна серия в нормальных условиях, без внешних воздействий, вторая серия – с использованием электрофильтра.
Время распыления насыщенного раствора соли массой 10 г составило 35 с. Затем происходило испарение воды, и вместо жидких капель в воздухе оставались только частички соли. В этот момент (на второй минуте эксперимента) включался электрофильтр и работал около 7 мин.
Масса распыляемого аэросила – 3 г, время распыления составляет 2 с. В процессе проведения экспериментов с воздействием электроосаждающего устройства, который был включен после момента распыления порошка аэросила, время его работы составило 5 мин.
В экспериментах с тальком массой 3 г электрофильтр был включен через 40 с после распыления и работал 7 мин.
В опытах с порошком псевдобемита без применения электрофильтра распылялось 24 г порошка в течение 28 с. При распылении псевдобемита с электрофильтром использовалось 17 г порошка за 30 с, при этом электрофильтр был включен сразу после распыления, время его работы составило 6 мин.
Результаты эксперимента с аэросилом приведены на рисунке 2.13 в виде зависимостей изменения среднего объемно-поверхностного D32 и относительной массовой концентрации Cm (отношение текущей концентрации к начальной) при воздействии электроосаждающего устройства и без внешних воздействий.
В данном эксперименте наблюдалось более быстрое уменьшение среднего диаметра частиц, и уже на 250 секунде диаметр частиц достигает минимальной величины (около 2 мкм). В контрольном эксперименте без электрофильтра минимальный размер (2 мкм) наблюдался только на отметке времени 400 с (рисунок 2.14 а). Относительная массовая концентрация аэрозоля под действием электрофильтра убывает значительно быстрее, чем в контрольном эксперименте (рисунок 2.14 б). Результаты эксперимента с тальком показаны на рисунке 2.15.
На данном модельном веществе воздействие электрического поля выражается наиболее показательно. С момента включения электрофильтра средний объемно-поверхностный диаметр резко уменьшается от 16 до 6 мкм, и далее остается, практически, одинаковым (около 7 мкм) (рисунок 2.15а). В контрольном опыте (рисунок 2.15а) в воздухе витают довольно долго все еще крупные частицы (около 15-16 мкм), вплоть до 1000 секунды, после чего размер частиц уменьшается; это говорит о том, что большая часть крупных частиц к данному моменту осела под действием силы тяжести.
Концентрация частиц аэрозоля талька после включения электрофильтра быстро уменьшается и уже к 400 секунде достигает минимального значения. В контрольных экспериментах без электрофильтра минимальное значение концентрации достигается только к отметке времени в 1000 секунд (рисунок 2.15б).
Еще один исследованный в работе порошок – это псевдобемит (гидроксид алюминия). Результаты по осаждению аэрозоля этого порошка представлены на рисунке 2.16. Можно отметить, что воздействие электрофильтра на аэрозоль псевдобемита значительно увеличивает скорость осаждения этого порошка: осаждение с электрофильтром происходит за 10 секунд, в то время как в контрольном опыте – только за 80 секунд.
Итак, данные эксперименты показали, что применение электрофильтров приводит к заметному (более, чем в два раза) увеличению скорости осаждения аэрозольных сред исследуемых веществ. Единственным исключением является аэрозоль аэросила. В процессе проведения экпериментов по осаждению такого аэрозоля была отмечена способность аэросила электризоваться уже при распылении и быстро налипать к плоскостям камеры и объектам, находящимся внутри измерительного объема [21-23]. Можно предположить, что способность электрофильтра осаждать мелкодисперсные порошки зависит от начальной дисперсности и физико-химических свойств частиц. Далее будет проведено теоретическое обоснование полученных результатов и изучены факторы, которые могут влиять на ускорение осаждения мелкодисперсных аэрозолей под действием электрических полей.
Физико-математическое моделирование электростатической сорбции на частицах порошка
В рамках данной работы подробно рассмотрен еще один метод распыления мелкодисперсных порошков и создание аэрозольного облака посредством коронного разряда (электростатическое распыление).
В результате между деталью и распылителем образуется поток заряженных частиц и свободных ионов, такая совокупность называется пространственным зарядом. Собственное электрическое поле, образующееся от пространственного заряда, дополнительно увеличивает скорость осаждения частиц порошка.
К достоинствам зарядки порошковых материалов коронным разрядом относят ряд ценных качеств: – высокая эффективность зарядки порошкообразных веществ; – высокая производительность системы покрытия; – высокая надежность оборудования; – простота эксплуатации и технического обслуживания; – низкая чувствительность к температуре и влажности окружающей среды. Но такой способ распыления имеет свои недостатки: – образование электрического поля между деталью и распылителем может затруднять нанесение материала в выемках и углах детали; – неправильно подобранное расстояние до детали вызывает явление обратной короны.
Внутреннее устройство электростатических распылителей используемых в экспериментальных исследованиях (рисунок 3.1), обязательно включает в себя помимо корпуса для засыпания материала, подвергающегомя диспергированию и выпускного отверстия для выхода взвешенных частиц, и средство генерирования подачи высокого напряжения к материалу. Такое устройство сключает низковольтный источник питания, содержащий один или несколько элементов, производящих электрический ток с использованием облучателей и средства накопления заряда.
Средство накопления заряда чаще всего реализуется с помощью конденсатора (одного или нескольких) и может содержать несколько батарей перезаряжаемого типа. – емкость с крышкой; 2 – рукоятка; 3 – регулировка эжектора; 3а – регулировка потребления сжатого воздуха; 4 – заглушка; 5 – рукоятка подачи сжатого воздушного потока; 6 – разъем питания; 7 – рычаг снятия электростатического заряда; 8 – курок; 9 – регулировка барбатажа; 10 – подсветка включения питания на распылитель; 11– насадка распылительная; 12 – ствол-преобразователь; 13 – крепление ствола к рукоятке Рисунок 3.1 – Описание электростатического пистолета «Старт-50»
Электростатическое «обволакивание» представляет собой явление оседания частиц на поверхности изделий, не находящихся непосредственно в электрическом поле. Такое свойство можно отнести как к электрическим, так и к аэродинамическим явлениям.
Следовательно, чем больше дисперсность распыляемого порошка, тем больше его площадь поверхности и большую роль играют аэродинамические силы и сила тяжести.
В то время как более мелкие частицы испытывают на себе значительное влияние электростатического притяжения к детали. Эффект обтекания зависит от скорости воздуха в создающемся заряженном потоке и в меньшей мере от метода зарядки. При распылении порошковых материалов может возникнуть эффект клетки Фарадея, который характерен для деталей, имеющих выступы и углубления, то есть там куда невозможно проникновения внешнего электрического поля, вследствие чего материал скапливается лишь на краях выемок и выступающих участков. Поток воздуха часто создает избыточную турбулентность внутри выемки, что дополнительно затрудняет оседания частиц в подобных местах.
Для того чтобы исследовать свойства и возможность нанесения электростатическим способом порошкообразных материалов, проводились экспериментальные опыты по распылению веществ различной плотности и дисперсности, а также последующего осаждения на поверхности различных материалов (стекло, дерево, металл, текстолит и т.д.) и конфигураций (рисунок 3.2).
В результате чего было обнаружено, что такой метод распыления позволяет достигать равномерное поверхностное распределение частиц, частицы долго (в течение суток и более) сохраняют заряд и удерживаются на поверхности разной структуры и материала [42].
При таком способе распыления большое значение имеет удельное сопротивление материала. Вещество с высоким удельным сопротивлением за счет высокой изолирующей способности материала препятствует прохождению заряда и проводимости используемого напряжения. Вещество с низким удельным сопротивлением способствует растеканию заряда по массе, что приводит к снижению толщины наносимого слоя и существенную роль в таком случае играют влажность и липкость поверхности, гравитационные силы [43-44]. Мелкодисперсные частицы под действием электрического поля (кулоновские силы взаимодействия) способны перемещаться по поверхности. С целью пронаблюдать явления пространственного перемещения частиц после сообщенного им заряда, проведены модельные эксперименты.
В качестве модельных порошков приняты косметическая глина и псевдобемит (гидроксид алюминия AlOOH). Порошок псевдобемита обладает развитой удельной поверхностью – 257,8 м2/г. На рисунке 3.3 представлена фотография образца порошка псевдобемита, полученная с помощью растрового сканирующего электронного микроскопа «JSM-840» (Япония). Частицы порошка представляют собой наноструктурированные агломераты микронных размеров (средний объемно-поверхностный диаметр частиц примерно 30 мкм), имеющие многочисленные микро- и нанопоры в объеме частиц. Порошок косметической глины (средний объемно-поверхностный диаметр частиц около 100 мкм) обладает сравнительно низкой истинной плотностью и хорошо электризуется.