CC BY
78
УДК 621.941:549.731.13
С.З. Калаева, канд. техн. наук, доц., (4852) 44-68-13 (Россия, Ярославль, ЯГТУ),
В.М. Макаров, д-р техн. наук, проф., (4852) 44-68-13 (Россия, Ярославль, ЯГТУ),
А.Г. Бажанова, аспирант, (4852) 44-68-13 (Россия, Ярославль, ЯГТУ)
СИНТЕЗ МАГНЕТИТА В АППАРАТАХ СО СТРУЖЕЧНЫМ АНОДОМ ИЗ ОТХОДОВ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ
Рассмотрены возможности использования засыпного электрода с чугунной и стальной стружкой в процессе электросинтеза магнетита. Доказано, что замена листового железа отходами в виде стружки сделает разработанный метод более доступным для промышленного внедрения и снизит как стоимость получения магнетита, так и стоимость синтезированной магнитной жидкости.
Ключевые слова: электросинтез магнетита, насыпной электрод, чугунная стружка.
В процессе электрохимического растворения железного анода можно получить магнетит для синтеза магнитных жидкостей [1]. Однако наблюдается достаточно высокий расход металла, порядка 0,3...0,8 кг/м . Возможная замена листового железа отходами в виде стружки сделает разработанный метод более доступным для промышленного внедрения и снизит как стоимость получения магнетита, так и стоимость синтезированной магнитной жидкости. Кроме экономии материала, преимущество металлической стружки состоит в большей удельной поверхности, что может дать возможность достичь высоких удельных выходов по объему и времени, интенсифицировать процессы массопередачи [2], турбулентный характер движения жидкости в порах загрузки способствует более равномерному насыщению ее продуктами растворения анода и их интенсивному перемешиванию.
Однако процессы, происходящие в насыпном электроде, отличаются большой сложностью. Не изучены многие электрохимические и гидродинамические процессы, протекающие при работе стружечного электрода.
Разработано определенное количество конструкций аппаратов с засыпными электродами из гранулированного угля, частиц железа, гранул алюминия, круглой чугунной дроби. Однако невозможно выделить оптимальную конструкцию из-за отсутствия исследований, с ней связанных.
Большая работа по изучению процессов в биполярном насыпном электроде проведена Бабенковым с сотрудниками [3]. Поскольку при биполярной схеме необходимо подавать на токопровод напряжение в несколько сот вольт, что может значительно усложнить внедрение, то мы обратились к монополярной схеме подсоединения засыпного анода. Кроме того, в литературе не встречаются исследования по использованию чугун-
ной стружки в качестве засыпных электродов, а на машиностроительных предприятиях скапливается большое количество стружки от чугунных изделий.
Авторами были изучены возможности использования засыпного электрода с чугунной и стальной стружкой в процессе электросинтеза магнетита.
Известно [4], что для проточного электрода локальная разность потенциала металл-раствор варьируется в зависимости от падения напряжения в растворе. Локальная разность потенциалов зависит от направления электрического поля (явление миграции). Вектор напряженности электрического поля Е может быть параллелен вектору скорости потока и (электрод осевого поля) и может быть перпендикулярен (электрод радиального поля).
Исходя из вышесказанного, были изготовлены и исследованы 2 модели аппаратов. Третьей моделью служил аппарат, в котором внутренний электрод окружен коаксиальным катодом; силовые линии электрического поля концентрируются по мере движения к оси электрода. На рис. 1 представлены модели аппаратов.
Модель I с электродом осевого поля представляет собой прямоугольную ванну, в которую вставлены перфорированные анод и катод из нержавеющей стали, площадью 0,35 дм2 каждый. Конструкция предусматривает возможность изменения расстояния между анодной и катодной пластинами от 40 до 140 мм, что соответствует объему засыпки от 140 до 500 мл.
В модели I, как и во всех последующих моделях, катод отделен от анодной зоны перфорированной диэлектрической прокладкой из винипласта.
Модель II с электродом радиального поля представляет собой усеченную пирамиду; электроды выполнены из листов нержавеющей стали толщиной 3 мм. Площадь одного электрода 0,7 дм2. Подача исходного раствора происходит снизу, отвод сверху. Для равномерного распределения потока жидкости внизу устанавливалась перфорированная диэлектрическая пластина, на которую насыпалась стружка объемом 200 мл.
Модель III представляет собой цилиндрический электрод, являющийся катодом, и расположенный внутри него цилиндрический перфорированный полый анод из нержавеющей стали, внутри которого осуществлялся подвод и отвод воды. Объем засыпаемой стружки составлял 220 мл.
В анодную зону электролизеров засыпалась стальная (сталь 3) или чугунная стружка (чугун марки СЧ-15-30), разделенная по величине частиц на 3 фракции. I фракция - размер частиц от 1,0 до 2,5 мм, II фракция -от 2,5 до 4 мм, III фракция - размер частиц стружки от 4, 0 до 7,0 мм.
II III
Рис. 1. Модели аппаратов с засыпным стружечным электродом
Во фракции III частицы были плоскими и достаточно плотно упаковывались в анодном пространстве, в отличие от фракций I и II, где отдельные элементы были более извилистыми.
В качестве электропроводящей среды использовался раствор хлористого натрия концентрацией от 0,5 до 3 г/л.
Стружечный электрод подобен беспорядочно загруженной кусковой или зернистой насадке с большим количеством элементов - зерен без какой-либо конкретной ориентации относительно потока жидкости. Поэтому требуемые характеристики - пористость слоя и удельная поверхность слоя определялись по методике, разработанной для аппаратов со стационарным зернистым слоем [5].
Основные геометрические характеристики стружечной засыпки, полученные в результате эксперимента, представлены в таблице.
Определение удельной поверхности стружки
№ п/п Наименование Единица измере- ния Чугунная стружка, фракции Стальная стружка
I II III
1 Вес кг 0,106 0,092 0,108 0,0985
2 Объем 3 см 25 30 20 20
3 Насыпная плотность кг/м 3533 3066,66 5400 4925
4 Отно сительная плотность кг/м3 7000 7000 7000 7860
5 Пористость м3/ м3 0,495 0,562 0,229 0,373
6 Перепад гидрави-ческого давления Па 9,8x2 9,81x0,5 9,81x7 9,81x7
7 Вязкость н-с/м2 1,005-10-3 1,005-10-3 1,005-10-3 1,005-10-3
8 Высота слоя м 0,125 0,130 0,085 0,115
9 Скорость движения жидкости в промежутках между частицами м/с 1,14-10-3 1,14-10-3 1,14-10-3 1,14-10-3
10 Удельная поверхность зерен м2/м3 8449,5 2476,2 1677 1980,14
11 Удельная поверхность слоя м2/м3 4266 1086 1292,9 1241,46
Таким образом, величина поляризующего тока и равномерность работы стружечного засыпного электрода определяются геометрическими характеристиками электрода - долей площади поперечного сечения твердой и жидкой фазы (пористостью слоя) и внутренней поверхностью пор в единице объема электрода (удельной поверхностью засыпки). Удельная поверхность пронизываемого потоком жидкости слоя при использовании мелкой стружки выше, чем крупной. Выход железа по току зависит от удельной поверхности стружечного анода, скорости прохождения жидкости в электродном пространстве и плотности поляризующего тока. С увеличением удельной поверхности засыпки, скорости подачи раствора, снижения плотности поляризующего тока выход железа по току увеличивается. С удалением от анодного токопровода падает эффективность растворения стружечной засыпки. С увеличением продолжительности работы аппаратов выход железа по току в них снижается.
Список литературы
1. Способ получения магнитной жидкости: пат. РФ № 2363064, бюл.№ 21 от 27.07.2009.
2. Kreysa, J. Festbelttelektrolyse - eis Verfahren zur Reinigung metall-halteger Abwasser. Chemie Technik. 1978. v. 50 . №5. P. 63-69.
3. Бабенков, Е.Д. Исследование работы электролизеров с засыпными биполярными электродами // Методы очистки и контроль качества воды на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт, 1979. С. 47-63.
S. Kalaeva, V. Makarov, A. Baganova
Synthesis of magnetite in apparatus with shaving anode received from turning wastes
Possibilities of using particulate electrode with cast iron and steel shaving for electrosynthesis of magnetite process were considered. It’s proved that changing sheet iron by cast iron and steel shaving will do proposed method more accessible for production, reduce prime cost of magnetite and synthesized magnetic liquid.
Key words: electrosynthesis of magnetite, poured electrode, cast-iron shaving.
Получено 17.03.2010
