CC BY
37
13. Wasag T. Zastoswanie amin do produkcji weglanow alkalicznych [Текст] / T. Wasag, T. Wasag, G. Poleszczuk // Chemik. - 1976. - Vol. 29, № 9. - P. 293 - 297.
14. Аносов В.Я. Основы физико-химического анализа [Текст] / В.Я. Аносов, М.И. Озерова, Ю.Я. Фиалков. - М.: Наука, 1976. -503 с.
15. Мазунин С.А. Основы физико-химического анализа. Многокомпонентные водно-солевые системы [Текст] / С.А. Мазунин. -Пермь: ПГУ, 2000. - 212 с.
16. Панасенко В.В. Фазовые равновесия в тройной системе KCl - (C2H5)2NH2Cl - Н2О при 30 °С [Текст] / В.В. Панасенко, Г.И. Гринь, С.А. Мазунин // Вестник НТУ «ХПИ». - 2010. - № 11. - С. 103 - 107.
17. Панасенко В.А. Растворимость в системе NaCl - (С2Н5)^ЫН - Н2О при 50 °С [Текст] / В.А. Панасенко, С. А. Мазунин // Журнал прикладной химии. - 2004. - Т. 77, № 11. - С. 1912 - 1913.
18. Шарло Г. Методы аналитической химии [Текст] / Г. Шарло. - М.: Химия, 1969. - 1204 с.
19. Крешков А.П. Основы аналитической химии: учебник для студентов химико-технологических специальностей вузов: в 2-х т. [Текст] / А.П. Крешков. - М.: Химия, 1976. - Т. 2: Количественный анализ. - 456 с.
--------------------□ □-------------------------
Описано конструктивну схему та принцип роботи вібраційного електромагнітного кавітатора, який забезпечує високопродуктивне магніто-кавітаційне знезараження води. Одночасна дія магнітного та кавітаційного полів на шкідливі мікроорганізми ефективно руйнує їх оболонки, гарантуючи високий ступінь очищення води
Ключові слова: вода, кавітація, кавітаційне пола, мікробульбашка, кавітатор, окиснення, хімічна реакція
□---------------------------------------□
Описаны конструктивная схема и принцип работы вибрационного электромагнитного кави-татора, который обеспечивает высокопродуктивное магнито-кавитационное обеззараживание воды. Одновременное действие магнитного и кавитационного полей на вредные микроорганизмы эффективно разрушает их оболочки, гарантируя высокую степень очистки воды
Ключевые слова: вода, кавитация, кавитационное поле, микробульбашка, кавитатор, окисление, химическая реакци
□---------------------------------------□
The structural scheme and the principle of electromagnetic vibrational cavitator that provides the high productivity magnetic-cavity water disinfection have been described. The simultaneous action of cavitational and magnetic fields on the harmful microorganisms effectively destroyed their shells, ensuring a high degree of water purification Key words: water, cavitation, cavitation field, microbubble, cavitator, oxidation, chemical reaction --------------------□ □-------------------------
УДК534.29:66.084
МАГНІТО-
КАВІТАЦІЙНЕ
ЗНЕЗАРАЖЕННЯ
ВОДИ
Л . І. Шевчук
Кандидат технічних наук, доцент Національний університет «Львівськая
політехніка», Інститут хімії та хімічної технології Кафедра технології органічних речовин пл. Святого Юра, 2, м. Львів, 79013, Україна
І.С. Афтаназі в
Доктор технічних наук, професор* Контактний тел.: 050-944-86-31 E-mail ivan.aftanaziv@gmail.com
О.І. Строган
Інженер І категорії *Національний університет «Львівськая
політехніка»,
Інститут математики та фундаментальних наук Кафедра нарисної геометрії та графіки вул. С. Бандери, 12, г. Львів, 79013, Україна
1. Вступ
Не зважаючи на доволі значний перелік фізико-хімічних методів очищення води від різноманітних забруднень досконалого, універсального і придатного для широкої розмаїтої гами можливих забруднень все ще не існує. Особливою мірою це стосується
біологічного забруднення води, оскільки шкідливій мікрофлорі, як правило, притаманна репродуктивна здатність, до того ж швидкоплинна в часі. Тому пошуки новітніх технологій водопідготовки, спрямовані на створення нових більш досконалих із позицій забезпечення високої якості водоочищення за умови їх придатності для промислового застосування, все ще
Е
залишаються вагомим як технічним завданням, так і суспільною проблемою.
Не оминути увагою слід і той немаловажний чинник, що скажімо , на відміну механічному чи хімічному забрудненню води, де разове очищення чи пониження концентрації забруднення, як правило, може виявляється достатнім і завершальним етапом водопідготовки, через рекомбінаторну здатність до швидкоплинного в часі відновлення та розмноження бактерій, говорити про часткове біологічне водоочищення недоречно. Тільки високий ступінь водоочищення мають забезпечувати сучасні очисні технології та реалізуюче їх обладнання, особливо коли мова йде про питну воду.
Не менш вагомим для якості питної води залишається і загальновідомий негативний фактор високоенергетичного впливу безпосередньо на саму структуру та «структурну пам’ять» води на молекулярному рівні. Тому такі, начебто і ефективні із позицій ступеня біологічного знезараження фізичні методи, як високочастотні магнітні впливи, електроіскрові розряди, радіологічне та потужне лазерне випромінювання, забезпечуючи майже стовідсоткове знезараження, тим не менше не те що малопридатні, а і подекуди шкідливі для «живої» питної води. Тому переважно і обмежена сфера доцільного їх застосування виключно технічною водою. Хоч і тут є певні застереження, бо рано чи пізно і технічна вода, піддана високоенергетичному впливу, потрапляє у природній кругообіг води, перемішуючись із майбутньою питною, і вплив її тут на якість та споживчі властивості непередбачуваний.
2. Аналіз стану проблеми і постановка задач дослідження
У загальному, всі фізико-механічні впливи на воду з метою покращення її властивостей зводяться до, так званого явища «активації» води, яке супроводжується, як правило, зміною її структури, підвищенням розчинної здатності та зумовленої цим спроможності до ініціювання хімічних реакцій, перш за все окис-нювальних. Фізична суть активації води , незалежно від способу активації, полягає в руйнуванні кластер-них структур для насичення води мономолекулами. Адже у переважаючій більшості, вода - це асоційована рідина, у якій молекули об’єднані в групи, схожі на аморфні кристали, що називаються кластерами, і окремих молекул води тут практично немає. А саме в мономолекулярному стані воді притаманна підвищена хімічна активність.
Очевидно саме тому із поміж різноманітних методів фізичних впливів на процеси водопідготовки та водоочищення широкого застосування набули методи кавітаційної обробки води, в основу яких покладено ультразвукове [1] та гідродинамічне [2,3] збурення кавітації в рідинах. Поєднуючи доволі високі ступені хімічного очищення та біологічного знезараження завдяки ініціюванню та активації окисних реакцій у збуреному в рідинах кавітаційному полі ці методи, поряд з тим, не піддають оброблювані рідини потужним високоенергетичним впливам, не передбачають потреби у спеціальних підготівельних та заключних операціях, крім очищення рідин від механічних домішок, можуть
органічно поєднуватись із подачею в зону кавітації додаткових газових активаторів та каталізаторів тощо. Однак і цим методам притаманні певні недоліки, зокрема дискретність обробки, незначна продуктивність та висока енергоємність для ультразвукового методу, недостатні ступінь очищення та рівномірність обробки гідродинамічного методу тощо .
Із інших відомих супутніх методів активації води найбільш зручним і простим в реалізації є вплив на воду магнітним полем. Суть методу полягає в тому, що при русі води в зоні великих градієнтів напруженості магнітного поля відбувається руйнування міжмолекулярних зв’язків в кластерних структурах, у наслідок чого утворюються вільні молекули води.
Механізм руйнування міжмолекулярних зв’язків обумовлений короткочасним перетворенням молекул води при їхньому русі в зоні великих градієнтів магнітних полів зі стану «правода» у «ортоводу», тобто змінами напряму спинів атомів водню у молекулі води, що призводить до розриву зв’язків у структурі кластерів. При цьому, ефект Холла пояснює той факт, що вплив магнітного поля на структуру води можливий тільки при наявності відносного переміщення водяної субстанції через градієнт напруженості магнітного поля. В однорідному магнітному полі (коли магнітні силові лінії паралельні), тобто при проходженні потоку води крізь рівномірне магнітне поле, взаємодія відсутня і позитивного ефекту не спостерігається. Більше того, необхідні саме значні градієнти напруженості магнітного поля, а ефект взаємодії наростає зі збільшенням кількості окремих ділянок із впливом магнітного поля на рухому воду.
Таким чином, актуальними залишаються дослідження, спрямовані на створення сучасних новітніх технологій водопідготовки та водоочищення, спроможних поєднувати високу ступінь очищення води із значною продуктивністю, та обладнання для їх реалізації.
Метою даного дослідження є створення нового ефективного вібраційного обладнання для магніто-кавітаційної обробки води, дослідження особливостей його застосування для водоочищення та знезараження біологічного забруднення, розробка конструктивних та технологічних схем його промислового використання.
Об’єктом дослідження були технологічні схеми та операції водопідготовки та водоочищення, механізми впливу магнітних і кавітаційних явищ та різноманітних газів на патогенну флору в газорідинних розчинах.
Предметом дослідження - промислове та дослідне обладнання для збурення кавітації в рідинах, гідродинаміка в умовах кавітаційного перемішування, кінетичні закономірності енергетичного впливу на знезараження мікроорганізмів в умовах спільної дії кавітації та магнітного поля.
Методики дослідження - мікробіологічні методи визначення концентрації мікроорганізмів у водних розчинах, рН-метрія для визначення рН води та водних розчинів, швидкісна відеозйомка для дослідження динаміки резонансної пружної підвіски, елементів приводу та збурювачів кавітації вібраційного кавітатора.
Слід відзначити, що спроби застосування вібрацій для збурення в рідинах кавітаційних процесів при нашаруванні магнітного поля здійснювались і раніше. Так в роботі [5] наведено опис магніто-кавітаційного
З
пристрою для підготовки стічних та промислових вод, який містить заповнений оброблюваною рідиною нерухомий корпус із робочою камерою, оснащеною пружним елементом. Від електромагнітного віброзбудника із статором з обмотками та якорем через пружний елемент оброблюваній рідині надають пульсацій. Між нерухомим корпусом і робочою камерою розміщений збурювач кавітації у вигляді циліндричних отворів із гострими кромками, який охоплено магнітом [5]. Оброблювана вода подається в корпус і при увімкненому електромагнітному віброзбуднику пружним елементом у вигляді мембрани втягується в робочу камеру. При наданому віброзбудником мембрані русі вверх вода через збурювач кавітації у вигляді циліндричних отворів з високою швидкістю проштовхується вверх, формуючи при цьому кавітаційну каверну. Сплескування каверни утворює кавітаційну зону, насичену самозароджуваними із наявних в рідині зародків кавітації кавітаційними бульбашками. При цьому, проходячи крізь збурювач кавітації у виді циліндричної втулки, охопленої магнітами, вода додатково піддається магнітній обробці. Сумарна дія гідрокавітації та магнітного поля енергетично впливає на структуру води, покращуючи її властивості. Як наслідок, під дією магнітного та кавітаційного полів ініціюються окиснювально-відновлювальні процеси в оброблюваній воді, зростає швидкість окисних реакцій, забезпечуючи в кінцевому її очищення.
Певним обмеженням у застосуванні даного пристрою є незначна його продуктивність, зумовлена тим, що всю оброблювану воду необхідно пропомпувати крізь невеликі отвори-збурювачі кавітації. Практично це унеможливлює обробку протічної води у неперервному потоці, зводячи її до порційного дискретного, а отже, і малопродуктивного очищення.
3. Конструктивна схема і
принцип роботи кавітатора
В і брац і йний електромагнітний кавітатор
резонансної дії для збурення кавітації в рідинах відноситься до галузі обладнання кавітаційних хіміко-технологічних процесів.
Він може бути застосований, наприклад, для водоочищення, знезараження питної води, стоків хімічних, харчових та переробних підприємств від різноманітних забруднень, в
тому числі і біологічних. Даний кавітатор належить до групи обладнання фізико-хімічних методів магнітного та кавітаційного ініціювання і активації окиснювально-відновлювальних реакцій у рідинах енергією сплескування великої кількості самозароджуваних в рідині кавітаційних бульбашок у середовищі магнітного поля .
Принципова схема вібраційного електромагнітного кавітатор резонансної дії зображена на рис.1, на рис.2а,б,в - відображено фрагмент поперечного перерізу А-А (рис.1) кавітатора із нашаруванням силових ліній магнітного поля (а), схема формування кавітаційного
поля насадкою-форсункою при перетіканні крізь неї рідини (б), фрагмент деки-збурювача кавітації із насадкою-форсункою (в). До складу вібраційного електромагнітного кавітатора входять завантажувальна 6, робоча 9 та відвідна 14 камери, що з’єднані між собою із можливість відносних переміщень через гнучкі гофри 8 та 12. На робочій камері закріплено набраний із листового заліза кільцевий якір 10, а камера та якір через циліндричні пружні стержні 5 з’єднані із закріпленими на трубах завантажувальної та відвідної камер реактивних масах 11. Співвісно якореві 10 через циліндричні пружні стержні 2 до реактивних масах прикріплено корпус 4 статора, у якому рівномірно по колу розташовані котушки електромагнітів 15 із обмотками 3. Обмотки шістьох рівномірно розташованих по колу електромагнітів з’єднано таким чином, що вони утворюють три зміщених між собою на 1200 двотактних віброзбудники. Співвісно розташовані статор із котушками і обмотками та якір з робочою камерою утворюють кільцевий електромагнітний віброзбудник, який у поєднанні із прикріпленими до реактивної маси пружними стержнями формуюють трьхмасну резонансну коливну систему. Перша з коливних мас
- робоча камера із прикріпленим до неї якорем, друга
- статор із котушками та обмотками, третя - реактивна маса із масивними трубами завантажувальної та відвідної камер.
До якоря та статора жорстко прикріплені деки-збурювачі кавітації 7 та 13 із рівномірно розташованими по всій їх площі отворами для протікання оброблюваної рідини. Пари прикріплених до якоря та статора дек розміщені симетрично на вході та виході робочої камери.
Рис.1. Принципова схема вібраційного електромагнітного кавітатора резонансної дії для магніто-кавітаційної обробки рідин
Для інтенсифікації збурення кавітаційних каверн при перетіканні крізь деки 7 та 13 оброблюваної рідини на отвори дек запресовано насадки-форсунки 16 із циліндричною зовнішньою а та сферичною внутрішньою р поверхнями (рис. 2 в). Діаметр циліндричної поверхні Дц = 2А та радіус сферичної внутрішньої поверхні Я = 2А рівні розмаху, тобто подвійному значенню амплітуди А коливань деки. У перетині із торцевою площиною у насадки-форсунки 16 внутрішня сферична поверхня р утворює отвір для перетікання рідини, діаметр якого рівний До = А. Цим
£
отвором насадку 16 повернуто в сторону, протилежну напряму потоку оброблюваної рідини. Віддаль між сусідніми отворами в деках рівна подвійному значенню розмаху коливань , тобто к = 4А.
Від потрапляння сторонніх предметів до коливних систем електромагнітний віброзбудник захищено захисним кожухом 1.
Робота в ібраційного
електромагнітного пристрою для магнітно-кавітаційної обробки рідин здійснюється наступним чином. По трубі завантажувальної камери 6 в робочу камеру 9 п ід незначним тиском або самотоком подають оброблювану рідину. Одночасно на обмотки 3 котушок 15 електромагнітів послідовно за або проти годинникової стрілки подають напругу. Електромагніти у цій же послідовності почергово притягують до себе якір із наповненою оброблюваною рідиною робочою камерою, прогинаючи при цьому назустріч одні одним пружні циліндричні стержні 2 та 5. Прогин та пружність циліндричних стержнів 2 та 5 розраховано таким чином, що вони унеможливлюють співвдаряння якоря та статора між собою. Почергове притягування якоря до поряд розташованих котушок статора трансформується у направлені кругові протифазні коливання двох пружно встановлених коливних мас, а саме якоря із робочою камерою та статора. Ці коливання відбуваються із певними розрахунковими амплітудами та частотою, рівною частоті подачі напруги на котушки кільцевого електромагнітного віброзбудника, як правило 50 гц.
Разом із коливними масами плоско паралельні кругові протифазні переміщення в робочій камері здійснюють і прикріплені до них деки 7 і 13 з отворами, пересікаючи потік неперервно поступаючої в цю камеру оброблюваної рідини. При рекомендованій амплітуді коливань дек 1,5-2 мм і частоті 50 Гц швидкість, з якою дека перетинає потік рідини, становить 4,7-6,3 м/с, швидкість відносних переміщень двох сусідніх дек, що коливаються у протифазі, вдвічі більша, тобто 9,4 - 12,6 м/с. Цього достатньо для збурення загостреними кромками отворів у деках із завжди наявних в рідині зародків кавітації повітряних кавітаційних каверн. При переміщенні повітряних каверн вздовж сферичної внутрішньої поверхні насадок-форсунок 16 тиск всередині каверн стрімко наростає, збільшуючи їх об’єм, в наслідок чого на виході із насадки каверна створює в оброблюваній рідині імпульси ударних хвиль. Дія імпульсів ударних хвиль на наявні в рідині ядра кавітації супроводжується миттєвим зародженням, розширенням та подальшим сплескуванням кавітаційних бульбашок. Рівномірним розташуванням отворів в деках забезпечується рівномірність інтенсивності кавітаційного поля по всій площі поперечного перерізу робочої камери, тобто рівномірність обробки рідини.
Поряд з тим, направлена на коливання якоря 10 з деками 7 та 13 робота кожного із електромагнітів супроводжується формуванням їх статорами 3 з обмотками 4 змінних магнітних потоків із значним
градієнтом індукції, які сумуючись між собою перетинають заповнену протічною оброблюваною рідиною робочу камеру (рис.2а), забезпечуючи тим самим невпинну магнітну обробку рідини. При цьому, завдяки симетричному розташуванню дек-збурювачів кавітації протікаюча через них рідина двічі піддається кавітаційній обробці і одноразово магнітній.
Після дії неоднорідного магнітного поля на воду її молекули стають квазістабільними, що призводить до зниження енергії зв’язків між молекулами води. Внаслідок цього магнітооброблену воду можна розглядати, як дещо інший, ніж звичайна вода розчинник, хоча і з близькими фізико-хімічними властивостями. Під впливом магнітного поля вода за здатністю до дисоціації наближається до апротонних розчинників. Такі зміни зумовлюють її подальший вплив на т і фізико-хімічні процеси, кінетика яких залежить від міцності водневих зв’язків води як розчинника та здатності до дисоціації як реагенту.
За г іпотезою В.Я. Антонченка причиною послаблення водневих зв’язків між молекулами води у поперечному магнітному полі є гальмування протонів. Причому, тут протон, об’єднуючись з гідроксильною групою ОН-, утворює молекулу води з іншим енергетичним станом в магнітному полі, ніж без нього. Підтвердженням цьому є зростання діелектричної проникності водних розчинів внаслідок магнітної їх обробки [5]. Після проходження в робочій камері магнітної та подвійної кавітаційної обробки рідина через відвідну камеру 14 відводиться для подальшого цільового використання.
Регулювання якості оброблених у вібраційному електромагнітному кавітаторі резонансної дії рідин здійснюють регулюванням інтенсивності формованого ним в рідинах кавітаційного поля, яка залежна від амплітуди А коливань дек-збурювачів кавітації та діаметра отворів До для перетікання рідини. Амплітуду коливань дек регулюють зміною величини струму живлення котушок електромагнітів.
Розрахунок пружності коливних систем, потужності електромагнітів приводу та їх конструктивних елементів (форму та розміри електромагнітів, поперечний переріз та кількість витків обмоток тощо) здійснюють по загальноприйнятих методиках
1
а) б) в)
Рис.2. Схеми фізичних впливів на оброблювану рідину: а) магнітного поля; б) кавітаційного поля; в) співвідношення розмірів насадки-форсунки
З
розрахунків вібраційних машин із електромагнітним приводом [4].
Ефективність магніто-кавітаційної обробки води експериментально підтверджено результатами, наведеними в роботі [5]. Тут досліджували кінетику хімічних реакцій в середовищі води після 30-хвилинної її обробки в магніто-кавітаційному пристрої. При концентрації СН3ОН 0,5М і КМпО4 4х10-3М така реакція відбувається з помірною швидкістю, що дозволяє надійно слідкувати за її перебігом. Завдяки забарвленню перманганат-іона контроль за ходом реакції здійснювали фотометричним методом (колориметр КФК-2). Для цього в мірну колбу на 50 мл вносили 1 мл метанолу, 2 мл 2М сульфатної кислоти і звичайну воду (контрольний дослід) або воду після магніто-кавітаційної обробки. Після внесення 0,2 мл перманганату калію та інтенсивного перемішування фотометрували. Результати дослідів показали, що в середовищі води після кавітації швидкість реакції значно зростає. Відношення ефективної константи швидкості реакції у воді після кавітації к1 до такої самої у звичайній воді становить к1/к=3,5. Трохи менше це співвідношення для ефективної константи швидкості реакції в середовищі води після кавітації у поєднанні із нашаруванням магнітного поля к11/к=2,5.
Магнітно-кавітаційний вплив на рідке середовище за рахунок описаних ефектів дозволяє досягнути суттєвої інтенсифікації хімічних перетворень у водних потоках. Так, проведені досліди на модельній установці показали зниження вмісту солей кальцію та магнію в технічній забрудненій воді на 22 відсотки. Аналіз води, обробленої впродовж 20 хв. на магніто-кавітаційному пристрої, показав зростання її окиснюваності до 180 відсотків та зменшення швидкості зростання колоній хвороботворних бактерій у 20 раз [5].
Висновки
Основними перевагами двотактного вібраційного електромагнітного кавітатора резонансної дії для магніто-кавітаційної обробки рідин порівняно із відомими є висока продуктивність, придатність для обробки значних обсягів рідин в неперервному їх потоці у поєднанні із забезпеченням рівномірності обробки рідин при високому коефіцієнті корисної дії, спрощення конструкції завдяки двофункційному використанню електромагнітів -- у якості приводу рухів збурювачів кавітації для створення кавітаційного поля
та в якості джерел формування магнітних потоків високого градієнту індукції для магнітної обробки рідин.
Поєднання двох взаємонезалежних, але одночасно спрямованих на видозміну структури і властивостей оброблюваних рідин, фізичних впливів, а саме кавітаційного та магнітного полів, забезпечує інтенсифікацію окиснювально-відновлювальних
процесів та ініційованих ними хімічних реакцій в рідинах.
Вібраційні електромагнітні кавітатори резонансної дії є перспективним обладнанням для водопідготовки, які дозволяють одночасно знезаражувати воду й окислювати забруднення. Особливістю магніто-кавітаційного впливу на біологічне забруднення води є одночасна дія ряду фізико-механічних чинників: ударні хвилі, кумуляція, автоколивання, випрямлена дифузія і вібротурбуляція, магнітне поле. Крім того, внаслідок сплескування кавітаційних бульбашок тут утворюються активні хімічні речовини: гідроксильні радикали, озон, пероксид водню тощо. За суттю, дана технологія є комбінованим способом впливу на воду. Можна передбачити, що сукупність фізичних і хімічних факторів гідродинамічної віброкавітації створить найсприятливіші умови для активної інактивації шкідливих мікроорганізміув у воді.
Література
1. Маргулис М.А. Основы звукохимии (химические реакции
в акустических полях). - М., Высш. шк., 1984. - 272 с., ил.
2. Вітенько Т.М. Гідродинамічна кавітація у масообмінних,
хімічних і біологічних процесах: монографія / Т.М. Вітенько. - Тернопіль, в-во ТДТУ ім. І. Пулюя, 2009. -224с.
3. Вітенько Т.М. Механізм та кінетичні закономірності інтенсифікуючої дії гідродинамічної кавітації у хіміко-технологічних процесах. Дис. на здоб. наук. ступ. док. техн. наук, -- Львів, 2010.
4. Ланець О.С. Високоефективні міжрезонансні вібраційні
машини з електромагнітним приводом (Теоретичні основи та практика створення): Монографія. - Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2008. -324с.
5. Сілін Р.І., Баран Б.А., Гордєєв А.І. Властивості води та сучасні способи її очищення: монографія - Хмельницький: ХНУ 2009. - 254 с.
£
