Теоретические основы безреагентной обработки воды электромагнитными полями с частотами 106-500·106 Гц Текст научной статьи по специальности «Физика»

4. Временная типовая методика определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды: одобрена Постановлением Госплана СССР, Госстроя СССР, Президиума АН СССР от 21 октября 1983 г. № 254/284/134.

5. Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах: утв. Минтопэнерго РФ 1 ноября 1995 г., согласована с Департаментом государственного экологического контроля Минприроды РФ.

6. Порядок определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами: утв. председателем Комитета РФ по земельным ресурсам и землеустройству 10 ноября 1993 г.

7. Методика определения размеров ущерба от деградации почв и земель: утв. министром охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ В. И. Даниловым-Данильяном 11 июля 1994 г.. председателем Комитета РФ по земельным ресурсам и землеустройству Н. В. Комовым, 1994 г.

8. Методические рекомендации по выявлению деградированных и загрязненных земель: утв. Роскомземом 28 декабря 1994 г., Минсельхозпродом РФ 26 января 1995 г. и Минприроды РФ 15 февраля 1995 г.

9. Методика оценки вреда и исчисления размера ущерба от уничтожения объектов животного мира и нарушения среды их обитания: утв. Госкомэкологией РФ 28 апреля 2000 г.

УДК 502.5:537.8 С. П. Зубрилов,

д-р техн. наук, проф., СПГУВК

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БЕЗРЕАГЕНТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ С ЧАСТОТАМИ 106-500 106 ГЦ

TEORETICAL BASES NONREAGENT WATER PROCESSING BY ELEKTROMAGNETIC FIELDS WITH FREQUENCIES 106-500 106 HZ

Реагентная водоподготовка приводит к вторичному загрязнению водоемов, которое в экономических обоснованиях проектов не учитывается. Предлагается очистку воды осуществлять электромагнитными полями с частотами 106-500106 Гц (СВЧ).

Reagentic water preparation results in secondary pollution reservoirs which in economic substantiations of projects is not considered. It is offered to carry out water treating by electromagnetic fields with frequencies 106-500106 hz.

Ключевые слова: энергия Гиббса, резонанс, кинетическая энергия, потенциальный барьер

Key words: Gibb’s energy, a resonance, kinetic energy, a potential barrier

СОЗДАНИЕ новых экологически чистых безреагентных (взамен реагент-ных) технологий очистки воды возможно только при знании процессов физических, химических, взаимодействий на границе фаз [1, 2].

Воде, водным растворам, а также методам очистки вод посвящена обширная литература, на основании которой можно сделать

следующие выводы:

1) законченная теория строения воды, объясняющая всю экспериментальную информацию, отсутствует;

2) очистка и обеззараживание питьевых и сточных вод осуществляется в основном с применением химических реагентов (коагулянтов, флокулянтов и т. д.), приводящих ко вторичному загрязнению воды;

3) наметилась устойчивая тенденция в сторону безреагентных методов очистки воды с использованием физических полей. Первая классификация безреагентных методов приведена в [3] (ультрафиолет, ультразвук, электрические, электромагнитные поля и т. д.).

Запишем обобщенное уравнение первого и второго начал термодинамики через энергию Гиббса (О):

сЮ = -Бс1Т + Ус1р + <5<Ъ + т^йщ + \dq, (1)

где:

5” — энтропия;

Т — температура;

V — объем;

р — давление;

0 — поверхностное натяжение;

5 — площадь поверхности;

М. — химический потенциал г компонентов;

т — число молей г компонентов;

2 — электрический потенциал;

q — количество электронов.

Анализ уравнения (1) показывает, что член ^тёп. относится к реагентным методам очистки вод. Член 2dq — к безреагентным методам очистки вод.

Все безреагентные методы воздействия можно свести к трем основным видам воздействия: механическое, тепловое, электромагнитное. Как отмечалось в [4], в основе безреагентных методов очистки воды лежат процессы, обусловленные силами взаимодействия, которые в элементарных объемах раствора и на границах контактов определяются числом всех частиц — (п0) и числом частиц, вступивших во взаимодействие, — (пк), не вступивших во взаимодействие — (п0), за время взаимодействия (0: ёп = - фпШ, (2)

где: ф — подвижность частицы (молекулы, атома) — величина обратная, так называемому времени ее «оседлой жизни» 0, в течение которого частица находится в данной точке ' 1ч

ф =

е

Жидкости по характеру теплового движения частиц занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами (считается, что они ближе к твердым телам).

В жидкости тепловые колебания частиц совершаются вокруг некоторых положений равновесия, причем колеблющиеся частицы жидкости скачкообразно перемещаются из одного положения в другое со временем «оседлой жизни» (т) [5]:

Е

Т =ТГ

(3)

где: т0 — для воды т0 = 1,4 ■ 10-12 [4];

Е — энергия, необходимая для перемещения частицы из одного положения равновесия в другое;

К — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура.

При комнатной температуре т = 1,7 ■ 10-9 каждая молекула воды совершает перед очередным «скачком» в другое положение около тысячи колебаний. Частицы жидкости ведут в основном «оседлый образ жизни». Температурная зависимость коэффициента самодиф-фузии:

Е

Б = г -бГг

(4)

где г — среднее расстояние между частицами жидкости.

Количество оставшихся в свободном состоянии молекул воды, не вступивших во взаимодействие (п), в данный момент времени (0 определяется после интегрирования уравнения (2) (при t = 0, п = п0): п = п0 ■ в~ф, (5)

а количество, вступившее во взаимодействие, — (п):

пк = п0 - п = п0(1 - е-ф ). (6)

Взаимодействие двух частиц характеризуется известной зависимостью:

Щг) = Щг0) +

с/и

(1г

(13и

йгъ

\

/ ч 1

■(г-го) +2

с1 и йг1

;г=га

(7)

(г-г0)3+...:

где: и — энергия взаимодействия;

^ — сила (притяжения-отталкивания) между молекулами (частицами) в зависимо -сти от расстояния (г) между ними. При г = г0 состояние равновесно и и = и .

1 Ш1П

Разложим и в ряд по степеням смещения и ограничимся четвертым членом разло-

жения. В соответствии с (7) имеем гс1и л

кс1гу

Г ,2 Л а и

= 0,

= в > 0,

= -2у < 0,

с!г2

с1ги

\ / тогда

С/(г) = £/^+-|к2--^3.

(8)

(9)

(10)

(11)

Независимо от направления смещения (х > 0; х < 0) энергия системы возрастает {Ш = Щг)-и^> 0), т. е. отклонение от положения равновесия вызывает термодинамическую неустойчивость. Для образования термодинамической устойчивой системы (х = 0) необходимым условием является обеспечение строго определенного количества взаимодействующих частиц в единице объема пк = п которые располагаются на расстояниях г = г0. В этом случае каждая связь будет характеризоваться предельной прочностью (например, прочностью контакта частицы примеси с поверхностью газового пузырька при флотации).

Рис. 1. Схема взаимодействия двух частиц:

1 — система неустойчива (между частицами

преобладает энергия притяжения);

2 — система имеет высокий потенциальный

барьер и вторичный максимум;

3 — система устойчива (имеет более высокий потенциальный барьер, но при отсутствии

вторичного максимума)

Теория устойчивости и коагуляции лиофобных дисперсных систем (ДЛФО), как известно, дает возможность получить зависимость энергии взаимодействия частиц от расстояния между ними для дисперсных систем с разной степенью и характером устойчивости (рис. 1). В сложных многокомпонентных водных системах, например в сточных водах, встречаются все три вида коллоидных систем.

Прежде чем перейти к некоторым количественным оценкам воздействия физических полей на дисперсные системы, рассмотрим физико-химический состав таких вод. Они условно делятся на две основные группы:

1) воды с основными примесями — нефтепродукты и масла;

2) фекально-бытовые стоки.

Сбор и очистка таких вод может осуществляться, например, отдельно каждой группой1. Первая группа — эмульсии. Представляют собой микрогетерогенные системы с размером частиц от 10-5 - 10-3 см, в которых капельки жидкости дисперсной фазы (нефтепродукты, масла) по свойствам сходны с частицами гидрофобного коллоида, т. е. имеют некоторый потенциал.

При оценке экономической целесообразности физического модифицирования вод первой группы необходимо иметь в виду:

1. Теоретически термодинамически устойчивые и самопроизвольно образующиеся эмульсии — это эмульсии очень высокой дисперсности. Частицы размером от 10-5 до 10-3 см дают эмульсии термодинамически неустойчивые, слипающиеся в капли с последующей коалисценцией при длительном хранении. Не исключена возможность существования микроэмульсий (размер частиц 10-1000 Нм) вблизи частиц микрогетерогенных эмульсий вследствие турбулентности в их приповерхностных слоях. Микроэмульсии могут выступать в роли своеобразного стабилизатора, замедляющего коагуляцию основной эмульсии.

1 К сожалению, в городах России в системах городской канализации эти группы вод смешиваются, что приводит к большим экономическим затратам на их очистку.

2. Подбору метода безреагентной очистки должны предшествовать исследования дисперсного состава эмульсии ССВ первой группы, в том числе и микроэмульсий. Известны адсорбционно-сольватные, энтропийные и структурно-механические микроэмульсии. Разрушить микроэмульсии можно реагентами — электролитами с поливалентными ионами, которые не только сжимают двойной электрический слой, но и переводят эмульгатор в дисперсной среде в малорастворимую в воде форму. При этом спирты (амиловый и др.) могут вытеснять эмульгаторы с растворением их пленок. Можно создавать эмульсии обратного типа. Но тогда возникает проблема вторичного загрязнения вод, которую сегодняшние экономисты, как «простодушные Кандиды» (Вольтер), проблемой не считают (у них одна проблема: «Нет денег»).

Вторая группа вод — ультрамикрогете-рогенные системы с размером частиц от 10-7 до 10-5 см. Пока эта группа вод подвергается очистке методами, например, флотации с последующим обеззараживанием воды ультрафиолетом перед ее сбросом в водоем. В качестве реагента часто используется коагулянт Л12(804)3. При реакции А13+ + ЪН2О <=> А1{ОН)ъ+ 3Н+ образуются малорастворимые в воде и имеющие положительный заряд гидроксиды, которые выделяются на гетерогенных частицах примесей, способствуя их укрупнению.

К гетерокоагуляции можно отнести и процесс ионной флотации. Использование А12(8О4)3 можно исключить. На принципиальную возможность управления процессом коагуляции с помощью физических полей указывал еще Дарсинг, а на использование их в качестве обеззараживающего средства — И. Е. Эль-пинер [6].

Анализ влияния ультразвуковых полей различной интенсивности (в докавитационных и кавитационных режимах) на процессы ускоренной коагуляции дан в работе [1]. При этом преодоление отталкивания и коагуляция возможны лишь тогда, когда амплитуда колебания частиц (X) сравнима с расстоянием между ними (см. рис. 1). В этом случае происходит перемещение части частиц из вторичного потенциального минимума в первичный и наоборот, в зависимости от X.

Следует учитывать (И. Ф. Ефремов), что в физических полях потоки жидкости, обтекающие большую частицу, деформируют двойной ионный слой с возникновением индуцированного диполя с большим электрическим моментом поляризующего двойной электрический слой малой частицы с увеличением вероятности дальней агрегации [7].

Стабилизация локальных объемов водных систем, упорядочение структуры граничного слоя под действием физических полей [1,

2] обеспечивают возможность дальней агрегации, обусловленной дальнодействующими силами притяжения между индуцированными диполями. Доказано, что обработка физическими полями водных систем оказывает как агрегатирующее, так и стабилизирующее действие, т. е. может быть эффективным средством управления процессами очистки сточных вод любого состава.

Например, уплотнение в ультразвуковых полях цементных паст, оксидных пленок на поверхности алюминия является проявлением этих сил. Так же можно объяснить высокую плотность цементного камня (с прочностью 1500 кг/см2), получаемую с помощью ультразвуковых полей, в результате радиационного давления, разделяющего крупные и мелкие частицы в цементных пастах в узлы и пучности стоячей ультразвуковой волны.

Известно, что частицам, находящимся во вторичном потенциальном минимуме (см. рис. 1), для перехода в первичный (коагуляция) необходимо сообщить энергию, равную высоте потенциального барьера, о чем говорилось в начале статьи. Если допустить, что между сферическими частицами одинаковой природы действуют молекулярные силы притяжения Ван-дер-Ваальса-Лондона и электростатические силы отталкивания, возникающие при перекрытии ионных атмосфер, то энергию межмолекулярного взаимодействия можно вычислить по теории Дерягина-Ландау-Фер-вея-Овербека (ДЛФО):

^+5е5г1п[1+е-1Н1 (12)

12# 2 т J

где К — константа молекулярных сил;

г — радиус частиц до 5-5 - 105 см;

Н — расстояние между внутренними

поверхностями (наибольшее взаимодействие

0

при Н = 200 - 400 Л);

2 — диэлектрическая проницаемость; у — потенциал поверхности до 25 В (или 25-103 В);

е — заряд электрона; х — параметр теории Дебая-Хюккеля:

х -

(13)

где

Z — валентность противоионов;

N — счетная концентрация частиц;

к — константа Больцмана;

Т — температура по абсолютной шкале.

Опуская промежуточные вычисления, получаем значение энергии взаимодействия между частицами, находящимися на расстоянии 200-400 Л, порядка 10-5 - 10-7 Дж. Средние значения необходимой мощности резонансных колебаний физического воздействия на две частицы, находящиеся на расстоянии друг от друга ~200 Л, должны быть равны 10-2Дж, а отнесенные на время единичного взаимодействия (т ~ 10-9) — 10-5 Дж.

Сопоставление позволяет предположить, что энергия физического воздействия может быть достаточна для преодоления потенциального барьера частиц между вторичным и первичным потенциальными минимумами, так как порядок цифр сопоставим.

Как облегчить процесс диффузии и мас-сопереноса, который определяет в первую очередь снижение термодинамической неустойчивости системы? Рассмотрим элементарный объем, в котором содержится п0 частиц атомов. Если концентрация частиц в различных сечениях, расположенных на расстоянии Лх друг от друга, будет убывать п1 > п2 > п3 > .. пП, то, очевидно, общий диффузионный поток будет направлен слева направо. Этот поток будет продолжаться до тех пор, пока концентрация частиц в разных элементарных объемах не станет одинаковой или же образующиеся новые связи не заблокируют процесс диффузии. Если принять, что каждая частица находится в потенциальной яме глубиной и, которая и определяет состояние жидкости, то, накапливая избыточную энергию в течение времени, частица может преодолеть трансля-

ционный барьер. Вероятность такого перехода вправо или влево за время t(dt / 20 = фdt / 2), а число частиц, переходящих вправо из области концентрации п будет п1 ■ фdt / 2. Результирующий поток в единицу времени:

А Л щ-щ ,

«1Ф — - и2ф — =

(14)

или

Ап щ—щ

— = ---------. (15)

Л 2

Рассматривая последовательность границы 2 слоев (п1 - п2), (п2 - п3) и вводя непрерывную переменную X, запишем уравнение для диффузии:

йп _ г0 (I п

= -гф-

(16)

Л 2 т сЬс1

Из уравнения видно, что равновесное состояние г0 для определенных водных систем (коллоидных, ионных растворов и т. д.) есть величина постоянная, единственной характеристикой, определяющей скорость процесса диффузии, является подвижность (р = —

0

[5], которая в свою очередь пропорциональна

_и /КТ

распределению Максвелла е .

Для увеличения подвижности необходимо или увеличить кинетическую энергию частиц, или уменьшить величину потенциального барьера. Как уже отмечалось, эта энергия может быть механической, тепловой или электрической.

Из общих соображений ясно, что независимо от состояния вещества (жидкое или твердое) процессы переноса могут быть активированы за счет воздействия механических колебаний, из-за возрастания кинетической энергии частиц при постоянной величине потенциальных барьеров.

Если энергия тепловая — повышение температуры также приводит к повышению кинетической энергии частиц.

Рассмотрим случай воздействия на систему электромагнитного поля. Для плотности тока в случае переменного напряжения имеется, как известно, активная и реактивная составляющие.

Причем наличие активной составляющей ведет к разогреву системы пропорционально электромагнитному полю, т. е. пере-

менное электрическое поле позволяет комплексно воздействовать на систему, вызывая как повышение кинетической энергии частиц, так и равномерный разогрев самой системы, что в свою очередь ускоряет различные химические реакции между веществами, содержащимися в системе. Частота поля в данном случае является инструментом управления процессом (коагуляции, флотации, сорбции, кристаллизации и т. д.), обеспечивающим эффективную безреагентную очистку водных систем.

В случае использования полей с частотой (у) 106 ■ 5006 Гц следует учитывать так называемый скин-слой (слой (X) толщиной, на которую проникает электромагнитное излучение):

X = С(17Ю|КО)2, (17)

где: С — скорость света, м/с; о — проводимость, си/см; ц — магнитная восприимчивость системы.

(ц и о в свою очередь зависят от у.)

Для частот 106 - 500 -106 Гц скин-слой составляет для воды порядка 20 см, что позволяет предположить возможность обработки воды в промышленных объемах (как и в случае ультрафиолетового облучения).

Выше было сказано, что в реальных растворах частицы имеют разные размеры и, естественно, разные резонансные частоты. Обработка таких систем (питьевых или сточных вод) должны быть поличастотной, как в последовательном, так и в совмещенном режимах.

В настоящее время в СПГУВК на кафедре охраны водных ресурсов и БЖ Д происходит экспериментальная апробация изложенных в статье теоретических предпосылок методов ультразвуковой и высокочастотной обработки воды. Кафедра готова к сотрудничеству с заинтересованными фирмами и производственными организациями. В настоящее время создаются соответствующие генераторы СВЧ (сверхвысоких частот) и готовится экспериментальная база.

Список литературы

1. Зубрилов С. П. Физическая активация растворов. — Л.: Внешториздат, 1989.

2. Зубрилов С. П. Физико-химические свойства воды и прикладные аспекты гидродинамической кавитации. — СПб.: СПГУВК, 2008.

3. Зубрилов С. П. Ультразвуковая обработка воды и водных систем. — Л.: Транспорт, 1973.

4. Зубрилов С. П. Физические основы обобщенного подхода к процессам очистки загрязненных вод // Экология: сб. науч. тр. / СПГУВК. — СПб.: СПГУВК, 1999.

5. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. — М.: Изд-во АН СССР, 1945.

6. Эльменер И. Е. Ультразвук. — М.: Фазматгиз, 1963.

7. Ефремов И. Ф. Периодические коллоидные структуры. — Л.: Химия, 1971.