CC BY
7
УДК 544.03, 66.084.6
Богатов Н. А., Зоткин А. П., Пентюхин Е. И., Савина А. С., Халаджан Е. А., Болдырев В.С. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ГАЗА
Богатов Никита Алексеевич - старший преподаватель кафедры физики; н.с. отдела Инжиниринга химико-технологических систем инжинирингового центра «Автоматика и робототехника»; Зоткин Александр Павлович - лаборант кафедры физики; инженер отдела Инжиниринга химико-технологических систем инжинирингового центра «Автоматика и робототехника»; zotkin.working@gmail.com Пентюхин Егор Игоревич - лаборант кафедры физики; техник отдела Инжиниринга химико-технологических систем инжинирингового центра «Автоматика и робототехника»;
Савина Анастасия Сергеевна, старший преподаватель кафедры физики; н.с. отдела Инжиниринга химико-технологических систем инжинирингового центра «Автоматика и робототехника»; Халаджан Евгения Арменовна - инженер отдела Инжиниринга химико-технологических систем инжинирингового центра «Автоматика и робототехника»;
Болдырев Вениамин Станиславович - канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры химии МГТУ им. Н.Э.
Баумана, заведующий отделом "Инжиниринг химико-технологических систем" инжинирингового центра
"Автоматика и робототехника" МГТУ им. Н.Э. Баумана; студент магистратуры факультета цифровых
технологий и химического инжиниринга РХТУ им. Д.И. Менделеева.
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»,
Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
*ФГБОУ ВО «Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана», Россия, Москва, 105005, 2-ая Бауманская ул., дом 5, стр.1.
В статье приведены результаты проведенных исследований по изучению влияния низкочастотного вибрационного поля инфразвукового и начала звукового диапазонов на протекание в модельной системе газообмена и последующего окисления содержащихся в жидкой фазе восстановителя и лейкоформы красителя.
Ключевые слова: виброакустические воздействия, массообмен, поглощение газа, газообмен, звукохимия, сонохимия, краситель
THE PROCESS MODELING OF VIBROACOUSTIC GAS ABSORPTION
Bogatov N.A.12, Zotkin A.P.12, Pentyukhin E.I.1-2, Savina A.S.12, Khaladzhan E.A.2, Boldyrev V.S.12
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
2 Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russian Federation
The article presents the studies results of the low-frequency vibration field effect of the infrasonic and the sound beginning of the ranges on the flow in the model system of gas exchange and subsequent oxidation of the reducing agent and dye leucoform contained in the liquid phase.
Keywords: vibroacoustic effects, mass transfer, gas absorption, gas exchange, sound chemistry, sonochemistry, dye
Введение
Различные физические поля (например, термические, электромагнитные и др.) широко применяются во многих химико-технологических процессах. Отметим, что в ряде случаев определённые виды воздействия не могут быть применены, поскольку несут деструктивный характер. Процесс массопереноса используется в очистке сточных вод, отработанных газов и сред, применяется в экстракции продуктов, очистке сырья и т.д. и оказывает влияние на физические режимы в аппарате напрямую - как на протекающий в нём процесс, так и на реальное исполнение конкретного аппарата. Известно множество различных конструкций массообменных аппаратов. Основным недостатком массообменных аппаратов является размер, особенно - высота, от которой напрямую зависит эффективность (и вообще применимость) колонны. Уменьшение высоты аппаратов без потери эффективности приводит к экономии энергии на транспорт сред и продуктов, проходящих через аппарат (электропитание насосов, компрессоров,
транспортерных систем и т.д.); компактность агрегатов упрощает обслуживание и облегчает их размещение в уже существующих цеховых строениях, а для мобильных производственных систем уменьшение размеров будет являться жёсткой необходимостью.
Качественный и количественный рост химической промышленности Российской Федерации является одной из приоритетных задач обеспечения национальной безопасности страны, что отражено в распоряжении Правительства Российской Федерации от 15 декабря 2017 года №2834-р., «Дорожной карте» по развитию производства малотоннажной химии на период до 2030 года, и распоряжении Правительства РФ от 29.12.2021 N 3973-р "О внесении изменений в распоряжение Правительства РФ от 15.12.2017 N 2834-р" об утверждении прилагаемых изменений, которые вносятся в план мероприятий ("дорожную карту") по развитию производства малотоннажной химии в Российской Федерации на период до 2030 года. Поиск новых, высокотехнологичных инновационных методов интенсификации
производственных процессов - важная задача, стоящая перед отечественной наукой. Современный уровень технологического развития диктует необходимость проведения исследований на стыке различных наук, поиска нестандартных, комплексных методов решения существующих задач.
Исходя из вышесказанного, поиск новых методов интенсификации существующих промышленных процессов и их внедрение в действующую промышленную практику являются важными задачами для отечественной науки. Одним из самых логичных направлений работы является использование малоэнергетического физического воздействия, направленного на различные вещества и химические реакции. Одним из вариантов решения подобной задачи является применение низкочастотного вибрационного воздействия звукового и инфразвукового диапазонов на химические системы, в том числе, многокомпонентные [1]. Особое внимание стоит уделить колебательным характеристикам: изменению частот, типа сигнала и мощности оказываемого воздействия [2].
Целью проведенной работы является подбор компонентов для моделирования газообмена и изучение протекания газообмена, вызванного виброакустическим воздействием.
Экспериментальная часть
Для использования красителя в качестве фермента и индикатора в системе, в которой будет проводиться поглощение кислорода из окружающей среды, краситель должен соответствовать определенным требованиям:
• Растворяться в используемом растворителе, в данной работе - в дистиллированной воде;
• В растворе окисляться кислородом и быстро восстанавливаться выбранным восстановителем;
• Иметь близкую к нулю оптическую плотность в лейко-форме;
• Переходить обратимо, количественно (или, как минимум, воспроизводимо) из цветной в лейко-форму и назад, быть устойчивым к продуктам распада восстановителя;
• Иметь низкое сродство к материалам реактора для предотвращения неконтролируемого оседания на стенках реакционного сосуда, волноводе и кюветах спектрофотометра.
• Иметь линейную или достаточно точно аппроксимирующуюся в линейную зависимость оптической плотности от концентрации (соблюдение закона Бера) для возможности пересчёта оптической плотности непосредственно в концентрацию.
Также для удобства работы для вещества желательны: невысокий класс опасности для человеческого организма, экологическая
безопасность для упрощения утилизации отходов, экономическая доступность.
Учитывая вышеизложенные требования, на роль фермента и индикатора предлагались следующие
красители: Индигокармин, Сафранин Т, Основной Тёмно-синий 2К, Основной фиолетовый К. Первые два из вышеприведенных красителей могут применяться для аналитического определения кислорода в растворах фотометрическим методом. Известна методика определения содержания растворённого кислорода в воде [3-11]. При осторожном восстановлении индигокармина в растворе образуется бледно-желтая лейко-форма красителя. При окислении лейко-формы кислородом раствор окрашивается в синий цвет, что и позволяет фотометрическим методом определить количество прореагировавшего кислорода. Определению мешают окислители, восстановители, любые окрашенные ионы и соединения в составе раствора. Максимум поглощения индигокармина находится в области 610 нм. Согласно описанной методике, чувствительность метода может достигать 0.1 мкг/л (кислорода). Кроме того, известны схожие методики для Сафранина Т, а также для ряда других красителей
[3].
Для определения наибольшей пригодности для использования в моделировании процесса вибрационного поглощения кислорода воздуха красителя получены спектры поглощения водных растворов данных красителей и определены максимумы поглощения, длины волн которых для каждого красителя представлены в таблице 1.
Таблица 1. Максимумы поглощения для _исследованных красителей
Краситель Длина волны максимального поглощения, нм
Индигокармин 610
Сафранин Т 516
Основной Тёмно-синий 2К 568
Основной Фиолетовый К 568
Для дальнейшего выявления наиболее пригодного для моделирования красителя необходимо было установить характер зависимости оптической плотности от концентрации. Наиболее удобна для работы линейная зависимость: изменение оптической плотности кратно изменению концентрации окисленной формы красителя. Полученные зависимости оптической плотности от концентрации красителя приведены на рис. 1
Спектры поглощения вышеуказанных образцов обладают экстремальным характером, из чего формируется возможность определения длины волны максимального поглощения. Все выбранные красители выглядят теоретически пригодными для использования в качестве фермента и индикатора в моделировании процесса вибрационного поглощения кислорода.
0,4
0,2
Инди гокармин
0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045
С, МГ/мл
Оси . Тёмно-синик 2К
0,005 0,01 0,015 0,02 0,035 0,03 0,035 0,04 0,045
С, мг/ыл
м 1,4
Х2 1 0.8 0.6 0,4 ОД 0
0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045
С, гаг/мл
Осн. Фиолетовый К
Рис. 1 Кривые зависимостей оптической плотности рас1
формы красит<
Из четырёх представленных веществ наиболее подходящим выглядит Индигокармин ввиду следующих соображений. Известна методика [3] аналитического применения Индигокармина для определения кислорода в растворах. Согласно известной методике, раствор Индигокармина для анализа технологически проще раствора Сафранина Т (приготовление и использование водно-слабосернокислого раствора в сравнении с концентрированным водно-спирто-аммиачным
раствором технологически проще и безопаснее для персонала). Индигокармин безопасен для человеческого организма, применяется в медицине. Кривая зависимости оптической плотности раствора Индигокармина от концентрации окисленной формы красителя имеет линейный вид, что делает возможным (и простым) пересчёт изменения оптической плотности раствора непосредственно в изменение концентрации окисленной формы красителя. Также индигокармин хорошо растворяется в воде, а полученный водный раствор практически не окрашивает реакционные сосуды и кюветы приборов.
Таким образом, для дальнейшего моделирования виброакустического поглощения кислорода принимается к использованию в качестве фермента и индикатора краситель Индигокармин.
Исследование влияния виброакустического воздействия на поглощение водой кислорода воздуха
В работе любого массообменного аппарата немаловажную роль играет время контакта фаз, от которого зависит глубина протекания массопереноса и, как следствие, эффективность извлечения компонента из фазы. Поэтому при моделировании процесса вибрационного поглощения газа необходимо было исследовать поведение системы при различном времени вибрационного воздействия.
В рамках данной работы время воздействия составляло 1, 3, 5, 7, 10 минут [4]. Эксперимент проводился с использованием в качестве поглощающей среды водного раствора красителя-фермента, содержащего известный избыток восстановителя для поддержания лейко-формы красителя. Объём поглощающей среды 50 мл. Параметры колебательного процесса: частота 15 Гц, амплитуда поршня-волновода 6 мм, мощность, подаваемая на колебательный контур, составляет 5 Вт. Поршень погружен в реакционный сосуд на оптимальную для всасывания газа глубину. Переменная величина в эксперименте - время вибрационного воздействия. Графические изображения оптической плотности, измеренной согласно методике, после окончания воздействия, приведены на рис. 2.
Вибрация
______ ______л
д а а э а .¡. ---
/^^
у
а 2 4 6 В 10 12 14 16
Время, мин
Рис. 2 Оптическая плотность раствора индигокармина после барботажа при помощи вибрационного воздействия инфразвукового реактора
Заключение
На основании полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы. Вибрационное воздействие на границе раздела фаз «воздух» - «вода» вызывает интенсивное виброакустическое поглощение водной фазой воздуха (как минимум, кислорода воздуха, являющегося окислителем лейко-формы красителя в модельной системе). При вибрационном воздействии для реакции окисления индигокармина поглощённым кислородом воздуха наблюдается выход концентрации окисленной формы «на плато», причём с увеличением времени экспозиции повышается и концентрация окисленной формы при выходе на плато, что видно из положения кривых, соответствующих времени экспозиции в 7 и 10 минут, а также из положения группы кривых, соответствующих времени в 1, 3 и 5 минут на рис. 2.
Исходя из вышесказанного, делается вывод о перспективности дальнейших исследований в области применения вибрационных воздействий инфразвукового и начала звукового диапазонов для интенсификации массообменных виброакустических процессов в системах «жидкость» - «газ». Требуется проведение большего количества фундаментальных исследований для уточнения природы протекающих процессов, а также для разработки промышленно применимых виброакустических массообменных систем.
Список литературы
1. Маргулис М.А. Основы звукохимии. М.: Высшая школа, 1984. -272 с.
2. Исследование физико-химических эффектов, возникающих в низкочастотных малоэнергетических полях / Н. А. Богатов,
B. С. Болдырев, А. С. Савина и др. // Успехи в химии и химической технологии. — 2021. — Т. 35, № 14. —
C. 25-27.
3. Бабко, А. К. Фотометрический анализ. Методы определения неметаллов. / А. К. Бабко, А. Т. Пилипенко. — М. : "Химия", 1974. — 360 с.
4. Болдырев В. С., Кузнецов С. В., Меньшиков В. В. Инновационное развитие малотоннажных научно-производственных предприятий лакокрасочной отрасли. М. : Пэйнт-Медиа, 2021. — 184 с.
5. Pentyukhin E. I., Bogatov N. A. The influence of low-frequency low-energy exposures on the ph of an aqueous reaction medium // Физическое образование в ВУЗах. — 2021. — Vol. 27, no. S4. — P. 27-30.
6. Bogatov N. A., Savina A. S. Peculiarities of the methylene blue monomeric form redox process in the field of low-frequency exposure // AIP Conference Proceedings 2313. — Vol. 2313. — 2020.
7. Болдырев В.С. Действие низкочастотных колебаний на биохимически активные структуры. Дис. ... канд. техн. наук. М., РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013.
8. Фадеев Г.Н., Болдырев В.С., Ермолаева В.И. Биологически активные клатраты амилоиодин и амилопектоиодин в поле низкочастотных акустических воздействий // Доклады Академии наук. 2012. Т. 446. № 4. С. 466.
9. Фадеев Г.Н., Болдырев В.С., Синкевич В.В. Звукохимические превращения хелатных и клатратных структур в поле низкочастотных акустических воздействий // Доклады Академии наук. 2015. Т. 462. № 4. С. 426.
10. Фадеев Г.Н., Болдырев В.С., Богатов Н.А., Николаев А.Л. Ингибирование окислительно-восстановительной реакции в поле низкочастотных воздействий // Доклады Академии наук. 2019. Т. 487. № 3. С. 275-278.
11. Богомолов Б.Б., Болдырев В.С., Зубарев А.М., Мешалкин В.П., Меньшиков В.В. Интеллектуальный логико-информационный алгоритм выбора энергоресурсоэффективной химической технологии // Теоретические основы химической технологии. 2019. Т. 53. № 5. С. 483-492.
