CC BY
26
© В.В. Сснкус, Б.М. Стсфанюк, 2007
УДК 622.272
В.В. Сенкус, Б.М. Стефанюк
ОСВЕТЛЕНИЕ ФИЗИКО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СПОСОБОМ ШЛАМОВЫХ ВОД УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Физико-электрический способ осветления шламовых вод основан на воздействии постоянного электрического поля на надмолекулярную структуру воды с целью уменьшения ее статической вязкости и снижения влияния парашютного эффекта на осаждение твердых частиц, при этом весь технологический процесс выполняется в четыре этапа: первый этап - воздействие на воду (на ее надмолекулярную структуру) слабым энергетическим полем (0,8-2,0 В/см); второй этап - инкубационный, во время которого идет за счет памяти воды изменение ее структуры на дополнительные объемы воды (коэффициент «катализации» не менее 3); третий этап - осаждение твердых частиц в соответствии с единым законом осаждения (перекрывающий законы Стокса, Алена и Риттенгера); четвертый этап - выгрузка осадка классифицированного по величине частиц твердого от 1 мм до 1 мкм и его утилизация.
Вышеназванные свойства воды и технология ее осветления, как экологически чистая, является достижением науки последних лет и еще не вошла в справочники новейших знаний. Поэтому здесь вкратце приведем основные положения, объясняющие новые понятия. Надмолекулярная структура воды определяет ее так называемые «аномальные» свойства.
Вода - это не простой континиум молекул Н20. Учитывая, что каждая молекула воды имеет четыре водородные связи (две положительные и две отрицательные), то молекулы в жидкой воде группируются в совокупности (твердокристаллические единицы), содержащие от 200 до 40 000 молекул.
Заметим, что в жидкой воде количество разорванных водородных связей меняется от 15,91 % при температуре 0 0С до 26,08 % при температуре 100 °С. Молекулы с разорванными водородными связями расположены на «поверхности» совокупности, в ее «оболочке». При этом в «оболочке» совокупности располагаются молекулы с одной, двумя или тремя разорванными связями. Поэтому количество молекул в «оболочке» меняется в широких пределах: при 0 0С - 35 раз, а при 90 0С - 43 раза.
Группы совокупностей (не менее 12 шт.) образуют колонии. Размеры колоний соизмеримы с броуновскими частицами. Связь между совокупностями полугибкая, в ней участвуют от 3 до 27 водородных связей.
В свою очередь колонии объединяются гибкими связями в миникапли. Последние обладают свойствами текучести воды.
Известен ряд зависимостей, характеризующих надмолекулярную структуру воды:
количество разорванных водородных связей в воде зависит от температуры
8Т = 0,1591 + 0,0001017 t
где 8Т - доля разорванных водородных связей при температуре ^ t -температура воды, разорванных
0,
С; 0,1591 - доля связей в
водородных воде при t = 0 0С; 0,0001017 - коэффициент, 1/°С;
Теоретически существуют три идеальных случая, когда в «оболочке» совокупности молекул воды имеют одну разорванную связь (/ = 1), две разорванных водородных связи (/ = 2) или три разорванных водородных связи (/ = 3). Фактически величина /
находится в интервале (1 < / > 3).
Промышленные воды шахт «Красногорская», «Заречная», «Инская», «Анжерская», «Тырганская» и обогатительных фабрик «Абашевская», «Бе-ловская», «Березовская» в Кузбассе характеризуются числом / « 2,6.
Радиус совокупности представлен зависимостью
И =
2г
ґ
1 - 31 - 28
л3
Количество молекул Н20 в «оболочке» совокупности п0б представлено зависимостью
28-т
По* =■
и для воды существует статическая вязкость, которая удерживает в устойчивом состоянии твердые частицы, которые имеют плотность больше плотности воды. Статическая вязкость воды измеряется в МПа и зависит от структуры воды
Н = пс • 10-2.
Осаждение твердых частиц в воде описывается единым законом
ик =
8 9
3с
рт
рв
-1
1+-
и
где Яс - радиус совокупности, м; гт - радиус молекулы Н20, гт = 1,38-10-10 м.
Количество молекул в совокупности пс представлен зависимостью
2
где ик - конечная скорость оседания в стоячей воде, м/с2 9 - гравитационное ускорение. м/с ; сл - коэффициент обтекания частицы; рт - плотность твердого, кг/м3; рв - плотность воды, кг/м3; И - радиус частицы, м; 6 - толщина «граничного» слоя, вызванная силами адгезии и когезии и зависящая от размеров частиц.
Этот «граничный» слой создает парашютный эффект.
6 = я + яг (з И+6) + яг (з г+6)2
С/ — 0 11 I 2 2 ^
где а0 = 10-4 м; аі = 0,0202 • 10-4 м; а2 = 7,65 • 10-4 м; с\ = 7,22; с2 = 0,618; И - радиус частицы, м.
Эта зависимость перекрывает законы Стокса, Алена и Риттенгера. При наличии бокового течения скорость осаждения уменьшается в соответствии с зависимостью
и
и0с =■
1 +
3 (1 - сл )3 и
р-11пК
рв
Аналогично как в механике твердых тел существует трение покоя, так
где и8 - скорость бокового течения, м/с.
Эффективный радиус частицы равен
пс =
п
с
/ - количества разорванных связей на «поверхности совокупности»
Рис. 1. Зависимость модуля масштаба «граничного слоя» частиц от усредненного значения
и ^+И
Иэф =
\Рт_ -1
\Рв
А эффективная площадь сопротивления движению составляет
1+И
рт - 1
рв
Структура воды чувствительна к воздействию магнитного и электрического полей. При воздействии магнитным полем совокупности укрупняются (идет изменение / от 1 к 3). При воздействии постоянным электрическим полем на структуру совокупности измельчаются. Это воздействие изотермическое. Энергия затрачивается на изменение структуры при 8т = готґ. Взамен классической формулы Геппера получена формула времени осаждения твердых частиц
140 180
/, см
Рис. 2. Номограмма для определения инкубационного времени после обработки в поле (l, U) - расстояние между электродами и напряжениями на них
т =
Р I ^VR
Рв Л 3сё
где т- время осаждения частицы, с; И
- высота осаждения частицы, м.
Кроме известных методов сокращения времени осаждения:
- уменьшение И - тонкослойное осветление;
- увеличение ускорения -центрифуги, гидроциклоны;
- увеличение К - коагуляция частиц;
- уменьшения плотности частиц рТ - барботаж создана еще одна экологически чистая возможность уменьшения «граничного» слоя
воды, сопровождающего оседающую частицу, а именно изменение множителя на который уменьшается размер «граничного» слоя
Мё (1) = \,п (3 .
Эта зависимость приведена на рис. 1.
Установлено, что электростатическая память воды составляет около 700 часов. Это свойство целесообразно использовать в производстве для повторного применения воды после очистки, то есть в замкнутом цикле [1].
Выяснено, что вода обладает еще одним свойством «повторение - мать учения», то есть инкубационным периодом. Это значит, что оседание твердых частиц начинается не сразу, а через некоторое время после окончания обработки. Инкубационное время - время до начала осаждения тно зависит от напряженности электрического поля Е (В/см). Это время используют для перелива обработанной воды в место ее осветления-осаждения взвешенных частиц. Номограмма для определения этого времени в зависимости от напряженности электрического поля в пределах от 0,65 В/см до 5,00 В/см представлена на рис. 2.
Самая большая энергоемкость обработки была получена при непрерывной обработке воды. Более эффективной является периодически повторяемая с суммарным временем равным постоянной обработке.
Выявлено оптимальное минимальное значение для времени инкубации
Т = 2,8 (в - вшк1 )2 + 4,71д2 ГТ-) + 0,25 ч,
\ шт /
где тно - инкубационное время, ч; в-отношение времени обработки то к времени повторяемости (периоду Т)
втт - минимальное значение, равное 0,40; Т - период повторяемости обработки; Ттп - период равный 4 ± 1 минута; 2,8 - размерный коэффициент, ч; 4,7 - размерный коэффициент, ч; 0,25 - минимальное время инкубации, час (15 мин.).
Описанная зависимость представлена на рис. 3. Как видно из графика вода лучше всего запоминает воздействие при спокойном, не торопливом режиме с повторяемостью 4 ± 1 минута, и отношении воздействия к величине периода равном « 0,40 ± 0,05.
На основании исследований, изложенных кратко выше, стало возможным проектировать установки пропускающие до 720 м3/ час шламовых вод при обработке их прерывно-повторным электрическим полем в течении 45 минут, достигая при этом увеличение скорости оседания микронных взвесей в 15-20 раз.
Выгрузка осевшего материала ^ > 0,5 мм) ведут с помощью специально оборудованного конвейера [2, 3], а микронные фракции осаждают в сменные контейнеры, при этом используют различные варианты тонкослойного осаждения частиц или осаждение на встречных жалю-зях, установленных в проточных каналах. Выбор применяемого способа и устройства осаждения зависит от требований дальнейшего использования осевшего шлама, его переработки, утилизации или захоронения.
Заметим, что при обработке шламовой воды электрическим периодическим постоянным полем в воде существенно снижается содержание фосфатов (~ в 7 раз), нитратов азота
0,25
Т = 0,15 ± Т = 25 ± 5 0,05 мин > мин /
г 1 / (Т = 0,9±0,Ь [Г = 10± 2ми! ИН у/ І
1 / . = 4 ± 1 мин
Ж
0,25
0,50
0,75
І 6 = -±
Рис. 3. Зависимость времени инкубации от режима обработки воды
(~ в 4 раза), кремния (~ в 5 раз), цин- железа (~ в 5 раз). Вода становится ка (~ в 10 раз), магния (~ в 2 раза), кристально прозрачной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент РФ № 2152343. Скребковый конвейер для обезвоживания транспортируемого материала. /Сенкус В. В., Фомичев С.Г., Сенкус В.В., Фомичев К.С. МКИ С1 Подано 06.11.1998 Опубл. 10.07.2000. Бюл. № 19.
2. Патент РФ 2082661 от 02.1293. Скребковый конвейер для предварительного обезвоживания транспортируемого материа-
ла М.кл.3 В 65 в 19/00. /А.А. Атрушкевич, А.И. Кравченко, В.А. Атрушкевич, О.А. Атрушкевич./
3. Патент РФ № 2157348. Способ обезвоживания сыпучих материалов. / Сенкус В.В., Фомичев С.Г., Сенкус В.В., Фомичев К.С. МКИ С 02 Р 11/12. Подано 06.11.1998. Опубл. 10.10.2000. Бюл. № 28. ШИН
— Коротко об авторах-------------------------------------------------------
Сенкус В.В., Стефанюк Б.М. - Новокузнецкий филиал-институт Кемеровского государственного университета, г. Новокузнецк.
