CC BY
48
УДК 630*532.5; 66.29.17; 66.087.92 В.И. Патякин, В.А. Соколова
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ БИПОЛЯРНОГО ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ РАЗЛИЧНЫХ ПОРОД. ВЛИЯНИЕ МАТЕРИАЛА АНОДА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ
В статье рассматриваются результаты экспериментов биполярного электрокинетического обезвоживания древесины различных пород. Биполярное истечение жидкости из древесины наблюдается при использовании анода из титана, алюминия, олова, свинца и ряда сплавов, содержащих эти материалы. Установлено, что скорость обезвоживания зависит от напряженности поля.
Ключевые слова: сушка, обезвоживание, пропитка, электроды, электроосмос.
V.I. Patyakin, V.A. Sokolova EXPERIMENTAL RESEARCH RESULTS OF BIPOLAR ELECTROKINETIC DEWATERING THE WOOD OF VARIOUS KIND ANODE MATERIAL INFLUENCE ON DEWATERING INTENSITY
Theexperiment results of bipolar electrokinetic dewatering the wood of various kind are considered in the article. The bipolar liquid effluent from wood is observed in case of applying the anode of titan, aluminum, tin, lead and the alloys containing these materials. It is determined that dewatering speed depends on field intensity.
Keywords: drying, dewatering, impregnation, electrodes, electroosmosis.
В результате эксперимента установлено, что в случае применения в качестве анода меди, углерода, нержавеющей стали, железоникелевых сплавов перенос жидкости к аноду не наблюдался. Истечение жидкости происходило только к катоду. После прекращения процесса распределение влажности по длине образца было неравномерное - содержание влаги нарастало по направлению от анода к катоду (рис.1).
p, кг/м3
р, кг/м3
4б
Анод
67
L, см I
720
700
680
660
640
620 0 600 580 560
II
0—2
катод I
катод
14-
-16—18—^2 0
Анод
рН
1
670
660
650
640
0
2
з
8
б
а
Рис. 1. Распределение плотности древесины и рН по длине образцов (материал электродов: анод - медь; катод - олово): а - в прианодной части; б - по всей длине образца;
1 - плотность образцов; 2 - рН раствора
Прекращение процесса обезвоживания в рассматриваемом случае объясняется высыханием прианодной области вследствие отвода от него жидкости. Электрическое сопротивление сухой древесины существенно выше, чем сырой, поэтому увеличение сопротивления древесины приводит практически к полному прекращению процесса сушки.
Эксперименты показывают, что после некоторого роста ток резко падает, становится равным нулю и процесс прекращается при высокой средней влажности образца (70%).
Нарастание тока через диафрагму объясняется некоторым увеличением числа носителей в поровом пространстве капиллярно-пористого тела, связанным с электрохимическими реакциями на электродах.
Биполярное истечение жидкости из древесины наблюдается при использовании в качестве материала анода титана, алюминия, олова, свинца и ряда сплавов, содержащих эти материалы: дуралюмина, сплава карбида, вольфрама с титаном, оловянно-свинцовых сплавов.
При использовании этих металлов происходило истечение жидкости на оба электрода. Но соотношение между количеством вытекающей жидкости на анод и катод различно в зависимости от металла и оценивается коэффициентом эффективности анода Кэ=Уа/Ук, равным отношению объемов жидкостей, вытекающих на анод Уа и катод Ук.
Исследование количества жидкости, вытекающей из сосновых образцов при напряженности поля 15 В/см, показали следующие значения коэффициентов активности анода (табл. 1).
Таблица 1
Анод Титан Алюминий Олово Свинец
Титан Кэ 5 о~ 0,5 СО о~ ,5 о~ 0,2 и менее
Для свинцового анода и оловянного катода количество жидкости, вытекающей на анод, составило в 5 раз меньше, чем на катод.
Можно предположить, что положение металлов обусловлено их адсорбционной способностью. Известно, что адсорбционная способность иона увеличивается с увеличением его заряда, а для разнозарядных ионов увеличивается с уменьшением радиуса гидратированного тока. Алюминий и титан имеют большие отрицательные значения стандартных электродных потенциалов, и можно предположить, что их ионы проявляют в водных растворах свои высшие валентности.
Характерной особенностью для кривой зависимости силы тока от времени при напряженности 20 В/см является более длительное время прохождения тока через сосновый образец по сравнению с опытами, когда в качестве анода применяли медные электроды (рис. 2, кривая 1).
I цД
1, мин
Рис. 2. Зависимость силы тока от времени обезвоживания:
1 - анод-медь; катод-олово; 2 - анод-сплав карбида вольфрама с титаном; катод-олово
Это связано с наличием составляющей переноса жидкости к положительному полюсу источника тока, которая препятствует высыханию прианодной части образца. При этом конечная влажность образцов после прекращения процесса составляла около 28-30%, т.е. соответствовала пределу гигроскопичности.
Эксперименты показали, что плотность тока, проходящего через образец, при биполярном истечении изменяется во времени: сначала нарастает, достигает максимального значения и потом уменьшается. При этом линейная зависимость плотности тока от приложенного напряжения выполняется только в начальный период и в период достижения максимума тока. В остальные промежутки времени закон Ома для образца не выполняется. Отмечается зависимость проводимости образца от напряженности поля. Наряду с изменением
плотности тока, проходящего через образец, установлена зависимость коэффициента эффективности анода от времени (рис. 3).
мин
Рис. 3. Зависимость коэффициента эффективности анода от времени
Интенсивность электрокинетического обезвоживания образцов древесины различных пород (табл. 2) достаточно хорошо согласуется с теоретическими представлениями механизма биполярного истечения жидкости из порового пространства образцов древесины.
Таблица 2
Характеристика образцов Режим обезвоживания Плотность, кг/м3 Кол-во экстрагированной жидкости*
Поро- да Размер, см Кол-во, шт. Напряжение, В Напряженность, В/см Время обезвоживания, 1, с начальная рн конечная рк мл кг/м3
Длина Сечение
Лиственница б 2х2 5 1200 200 15 1000 б90 - 310
10 2х2 15 2000 200 18 860 б90 - 170
15 2х2 5 2000 133 20 950 720 - 230
14,5 4х2 5 1000 70 125 950 740 - 210
1B 4х3 3 1000 55 140 980 720 - 2б0
10 2х2 15 2000 200 30 850 720 - 130
10 2х2 20 1000 100 45 750 бб0 - 90
10 2х2 20 2000 100 45 760 б50 - 110
Сосна 50 d=5-1B 5 1000 20 2400 - - 300 -
50 5 400 B 1500 880 б40 - 0,190
B0 3 B00 10 5400 890 б20 4б0 0,270
Береза 50 10 B00 1б 3000 860 б10 - 0,250
45 5 1000 22 1200 - - 1B0 -
30 5 1200 40 1800 - - 230 -
30 5 400 13 1800 - - 120 -
30 5 б00 20 1800 710 5B0 - 0,130
50 10 1200 24 4200 - - B5 -
_Q ш 50 10 1000 20 6600 - - 250 -
50 3 B00 1б 1800 - - 250 -
B0 5 1200 15 6000 - - 435 -
* Результаты анализа экстракта, извлеченного из лиственницы: сухой остаток (% к объему): катод 15,6, анод 21,1; содержание смолистых (% к сухому остатку): катод 41,1, анод 28,2; суммарное содержание смолистых веществ (% объема жидкости) 6.
Приведенные на рисунке 4 данные о количестве истекающей жидкости от напряженности поля показывают, что линейная зависимость между интенсивностью переноса жидкости и величиной напряженности электрического поля, исчисляемой по уравнению Гельмгольца-Смолуховского, не выполняется.
V, мл/мин-цА 2 -|
1,8 1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
0 40 80 120 160 200 Е, В/см
Рис. 4. Зависимость количества вытекающей жидкости от напряженности поля
для лиственничного образца
Поскольку результаты экспериментов согласуются с рассмотренным механизмом возникновения биполярного истечения, по которому анодная и катодная составляющие переноса имеют электроосмотический характер, то для объяснения факта нелинейности скорости переноса от напряженности можно воспользоваться исследованиями Н.Ф. Бондаренко [1], который обнаружил зависимость коэффициента электроосмоса от напряженности поля.
Исследованиями установлено, что наиболее эффективно обезвоживание производится не вдоль волокон, а поперек, особенно при поштучной обработке круглых лесоматериалов. В этом случае при больших напряженностях поля (но при малой потребляемой мощности и сравнительно малом напряжении) можно на один - два порядка сократить время обезвоживания.
При наложении электрического поля вдоль волокон сопротивление движению будет меньше, но условия подпитки (рис.5) сложнее, так как подпитывающая влага из боковых пор должна преодолевать большие капиллярные силы.
Рис. 5. Схема движения и условия подпитки продольных и поперечных капилляров: 1 - течение вдоль волокон; 2 - течение поперек волокон; а, в - открытые трахеиды; б - тупиковые трахеиды
В случае наложения электрического поля поперек волокон сопротивление увеличивается, так как радиус меньше, но улучшаются условия подпитки, так как боковые поры имеют большие размеры. Поэтому интенсивность обезвоживания в продольном и поперечном направлениях будет определяться структурными параметрами капиллярно-пористого тела.
Так как в поперечном направлении возможность увеличения напряженности поля существенно больше, то при сравнительно небольшом напряжении источника можно получить необходимую скорость обезвоживания в этом направлении.
Таким образом, результаты экспериментальных исследований позволили сделать следующие выводы:
1. Подтвердить механизм биполярного истечения жидкости из древесины: в древесных капиллярах могут существовать два механизма разделения раствора на компоненты (перераспределение веществ в результате различного значения химического потенциала молекул в щелочной и кислой средах или в результате изменения знака поверхностного скачка потенциала).
2. Установить основные закономерности процесса.
Основные закономерности электрокинетического обезвоживания древесины заключается в следующем:
1. Эффект биполярного истечения жидкости из древесины зависит только от материала анода и не зависит от породы.
2. Обезвоживание древесины может осуществляться при напряженности поля более 8 В/см.
3. Скорость обезвоживания зависит от напряженности поля: чем выше напряженность, тем интенсивнее протекает процесс.
4. Потребляемый от источника ток в процессе обезвоживания пропорционален площади поперечного сечения образцов и напряженности поля (например, для напряженности 100 В/см плотность тока составляет в среднем 2 мА/см2).
5. При любой начальной влажности образцов процесс обезвоживания заканчивается при влажности 22-70%.
6. Распределение влажности по длине образца при биполярном истечении жидкости в любом режиме имеет один и тот же характер - минимум влажности в средней части образца и нарастание влажности к торцам.
7. Коэффициент эффективности анода составляет 0,2-1,1 в зависимости от материала.
8. Расчетный удельный расход энергии в зависимости от вида обрабатываемых лесоматериалов и размеров составляет 0,011-0,11 кВт/кг удаляемой влаги.
Дальнейшие исследования целесообразно проводить в следующих направлениях: определение интенсивности обезвоживания в зависимости от материала и формы электродов, напряженности поля, режимов подачи напряжения в древесину, длины и размеров поперечного сечения лесоматериалов, температуры и предварительной магнитной обработки древесины;
изыскание способов обеспечения электрического контакта между электродами и жидкостью в поровом пространстве древесины с различной влажностью лесоматериалов;
исследование физико-механических свойств древесины, подверженной обезвоживанию; исследование химического состава экстрагированных жидкостей и области их применения; исследование пропитки древесины ионами металлов с целью создания защитных свойств в древесине и изменения ее цвета.
Литература
1. Бондаренко Н.Ф. Исследование электроосмоса в глинистых грунтах в связи с проблемой регулирования их строительных свойств: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Л., 196 с.
