CC BY
109
УДК 53.072.621.317.329:53.097:538.9:51-74
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ОСАЖДЕНИЯ КОНДЕНСИРУЕМОЙ ФАЗЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Степкина Мария Юрьевна,
аспирант, мл. науч. сотр. лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов Института проблем химико-энергетических технологий СО РАН, Россия, 659322, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1.
E-mail: [email protected]
Кудряшова Ольга Борисовна,
д-р физ.-мат. наук, доцент, ст. науч. сотр. лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов Института проблем химико-энергетических технологий СО РАН, Россия, 659322, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1. E-mail: [email protected]
Актуальность работы связана с исследованием эффективности использования электрического поля для осаждения конкретных веществ с целью очистки помещения от аэрозольных загрязнений. Развитие методов обеспечения чистоты среды и поверхности в закрытых рабочих помещениях, особенно в условиях развивающихся технологий производства, медицины и условий жизнеобеспечения человека, всегда актуальны и своевременны.
Цель работы: экспериментальное и теоретическое исследование процесса осаждения при взаимодействии электрического поля с частицами мелкодисперсных аэрозолей и разработка на основе этих исследований эффективных способов сбора различных вредных веществ из воздуха и очистки поверхности рабочих помещений.
Методы исследования: оптическая диагностика аэрозоля, основанная на методе малоуглового рассеяния с использованием лазерного измерительного комплекса ЛИД-2М и технологии лазерной дифракции (анализатор Malvern Spraytec); тензометри-ческий метод измерения веса; эжекционный метод распыления; метод механического измельчения диспергируемых порошков. Результаты. Показана зарядка аэрозольных частиц при возникновении коронного разряда. Проведены экспериментальные исследования распыления модельных веществ с воздействием на них электрического поля и без него. Получены результаты изменения дисперсности и массовой концентрации продуцируемого аэрозоля в ходе эксперимента с помощью лазерной измерительной установки ЛИД-2М. В результате экспериментально установлено, что скорость осаждения аэрозольных частиц при воздействии электрического поля увеличивается в несколько раз, но не для всех исследуемых веществ - так, крупные частицы аэросила быстрее осядут под действием гравитации. Проведен расчет характерных скоростей, возникающих в процессе эволюции аэрозоля, для модельных веществ. Представлен сравнительный анализ скоростей конвективного распространения частиц в пространстве, гравитационного осаждения и дрейфа частиц аэрозольного облака под действием электрических сил. На основе данного анализа можно установить, насколько эффективно использование электрического поля для осаждения конкретного вещества с определенной дисперсностью. Полученные расчетным путем данные следует также учитывать при проектировании новых установок электрофильтров.
Ключевые слова:
Аэрозольное облако, конденсированная фаза, коронный разряд, гравитационное осаждение, скорость дрейфа частиц, коэффициент диффузии, электростатическое поле.
Один из известных способов осаждения аэрозолей, в том числе вредных и опасных, основан на применении электрического поля. При этом эффективность воздействия электрического поля на аэрозоли различных физико-химических свойств и дисперсности может быть различна. Цель данной работы - с помощью экспериментальных исследований и теоретических расчетов характерных скоростей установить, в каких именно случаях применение электрического поля будет эффективным для осаждения аэрозолей.
Зарядка аэрозольных частиц под действием электрического поля происходит при возникновении коронного разряда между электродами (рис. 1). При этом выделяют две характерные зоны. Активная зона (зона чехла короны) предполагает активный ионизационный процесс столкновения нейтральных частиц аэрозоля с заряженными ионами, покидающими коронирующий электрод. Вторая - это пассивная зона, представляющая со-
бой все межэлектродное пространство, за исключением зоны чехла короны, в которой частицы движутся по силовым линиям и продолжают взаимодействовать с частицами воздуха. Напряженность, при которой возникает коронный разряд, называется критической [1-4]. Величина критической напряженности для отрицательной короны, учитывая конструктивные параметры используемого электрофильтра, определяется по эмпирической формуле Пика [5]:
(
E0 = 3,041 Р + 0,0311 —
(1)
где Я1 - радиус коронирующего электрода; ¡5 - относительная плотность газов.
Отношение плотности газов в рабочих условиях к их плотности в стандартных условиях (при температуре 20 °С и давлении 1,013-105Н/м2) определяет относительную плотность газов [5]:
ß =
А ± pt 273 + 20
1,013-105 273 +1
где t - температура; Б±р1 - абсолютное давление газов, для воздуха 1,01325-105Н/м2.
Рис. 1. Зоны короны и изменения напряженности в межэлектродном промежутке: 1) коронирующий электрод; 2) активная зона; 3) пассивная зона; 4) внешний заземленный электрод; 5) зависимость напряженности от координат
Fig. 1. Crown regions and changes in stress in interelectrode gap: 1) corona electrode; 2) active zone; 3) passive zone; 4) external ground electrode; 5) stress coordinate dependence
Экспериментальное исследование
При экспериментальном исследовании воздействия электрического поля на аэрозольную среду в качестве модельных веществ, подвергаемых диспергированию, приняты следующие: насыщенный раствор соли, мелкодисперсный порошок аэросила, тальковая пыль. Выбор данных веществ обусловлен следующим. Известно [6], что вдыхание пыли аэросила и накопление ее в легких может вызвать заболевание - силикоз. Вдыхание пыли таль-
ка в больших объемах может вызывать талькоз -доброкачественное заболевание из группы пневмо-кониозов. Поэтому особенно важно исследовать способы фильтрации таких веществ для сохранения здоровья человека, имеющего непосредственный контакт с подобными аэрозолями.
При проведении эксперимента по осаждению конденсированной фазы аэрозольной среды контролировались дисперсность и концентрация изучаемого аэрозоля, как во времени, так и в пространстве. Для этих целей использовали лазерную измерительную установку ЛИД-2М, разработанную в ИПХЭТ СО РАН [7, 8].
В качестве устройства для создания электрического поля использовался электрофильтр, внутреннее устройство которого показано на рис. 2 [9].
В качестве устройств диспергирования выбран краскопульт для распыления насыщенного раствора соли и пескоструй для распыления твердофазных веществ.
Полный лабораторный стенд для проведения экспериментальных исследований приведен на рис. 3.
Источник
оптического излучении
1-1-
/ /
0
i / / r' —
/
Источник
аэрозоля
Приемник опического излучения
Аэрозольная камера
Электрофильтр
Рис. 3. Схема экспериментального стенда
Fig. 3. Test bench diagram
Первая серия экспериментов проводится при нормальных условиях, без каких-либо внешних воздействий, после чего проводятся эксперименты с использованием электрофильтра.
Рис. 2. Внутреннее устройство используемого в эксперименте электрофильтра: 1) вентилятор; 2) автомобильная катушка; 3) корпус прибора; 4) схема регулировки; 5) пластмассовые клеммы; 6) металлические электроды; 7) стеклянная пластина; 8) активная зона
Fig. 2. Internal design of the electrical filter used in the experiment: 1) fan; 2) vehicle coil; 3) device body; 4) adjustment scheme; 5) plastic terminals; 6) metal electrodes; 7) glass plate; 8) active zone
D31 мкм 9
а/а
б/b
Ин
2
0,2
Fig. 4.
200
400
600 Время, с
200
400
800 Время, с
Зависимость среднего объемно-поверхностного диаметра Д:2 (а) и относительной концентрации частиц аэрозоля Ст (б) от времени для насыщенного раствора соли: 1) без воздействий; 2) при воздействии электрического поля
Dependence of average space-volumetric diameter D32 (a) and relative concentration of Cm (b) aerosol particles on time for saturated salt solution: 1) without; 2) with electric field
Время распыления насыщенного раствора соли массой 10 г составило 35 с. На второй минуте после распыления насыщенного раствора соли, когда в воздушной среде остались преимущественно частички соли (вода испарилась), включается электрофильтр. Время воздействия электрофильтра на аэрозоль составило 7 мин. Результаты экспериментальных измерений на установке ЛИД-2М для насыщенного раствора соли представлены на рис. 4.
Масса мелкодисперсного порошка аэросила составила 3 г, время распыления - 20 с. При проведении экспериментов с воздействием электрофильтра, который был включен сразу после момента распыления аэросила, время его работы составило 5 минут. Изменение среднего объемно-поверхностного диаметра Л32 и относительной концентрации Ст в процессе эксперимента при воздействии и без влияния электрофильтра для аэросила представлено на рис. 5.
Как показано на рис. 5, б относительная концентрация аэросила на первых минутах эксперимента с воздействием электрофильтра и без него незначительно отличаются, но аэрозольные частицы дольше задерживаются в среде, в то время как осаждаются эти частицы под действием гравитации уже при ¿>1000 с [10].
В экспериментах при распылении присыпки из талька массой 3 гр за 10 с электрофильтр был включен через 40 с после распыления на 7 минут. Результаты эксперимента представлены на рис. 6 [11].
Как следует из проведенных экспериментов, электрическое поле быстрее осаждает частицы меньших размеров (солевой раствор, отчасти тальк), а более крупные частицы (аэросил) осаждаются под действием гравитации. Чтобы оценить влияние различных процессов на динамику частиц аэрозоля под действием электрического поля, проведем расчеты характерных скоростей этих процессов.
20 18 16 14
12
£>32= МКМ
а/а
1,2
0,8
0,6
0,4
0,2
500
1000
1500 _ 20' (|
Время, с
б/b
1.
Ч 2
■■■Л, 1
500
1000
1500
, 201
Рис. 5. Зависимость среднего объемно-поверхностного диаметра D32 (а) и относительной концентрации частиц Cm (б) от времени для аэросила: 1) без воздействий; 2) при воздействии электрического поля
Fig. 5. Dependence of average space-volumetric diameter D32 (a) and relative concentration of Cmaerosol particles (b) on time for ae-rosil: 1) without; 2) with electric field
Dsa 1ими 20 |-
18 [
16
14
12
10
8
6
4
2
0 0
Рис. 6. Fig. 6.
а)
, 1
500
1000
1500
1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2
2000 Время, с
б)
'й
f
«н
I U-l I I I -*- t I -fa. f -L. I I -i-l I -i- I
ГЖ1 I ■ I I Я I I *i ■Г I ж1 is I
200
400
600
800 „ 1000 Время, с
Зависимость среднего объемно-поверхностного диаметра D32 (а) и относительной концентрации частиц Cm (б) от времени для тальковой пудры: 1) без воздействий; 2) при воздействии электрического поля
Dependence of average space-volumetric diameter D32 (a) and relative concentration of Cm aerosol particles (b) on time for talk powder: 1) without; 2) with electric field
Теоретические расчеты
Эволюция аэрозольного облака происходит за счет дрейфа частиц под действием электрических сил, а также за счет гравитационного осаждения частиц и конвективной диффузии. Какой механизм воздействия на конкретное вещество определенной дисперсности является ведущим, предстоит выявить с помощью математических соотношений.
Целесообразно начать с простейшего случая -равномерного движения частиц под действием гравитационной силы. Наиболее изучено как теоретически, так и экспериментально движение шарообразных частиц.
Стационарная скорость оседания частиц выражается формулой Стокса [12]:
2г2 я (р-р„)
V = --
(2)
где ¡ле - коэффициент динамической вязкости газа; г - радиус частицы; У0 - скорость оседания частиц; g - ускорение свободного падения; р, ре - плотности частицы и среды соответственно.
Движение аэрозольных частиц, находящихся в униполярной ионной атмосфере при отсутствии внешнего электрического поля, во многом определяется диффузией ионов. Для оценки времени диффузионного распространения частиц в пространстве необходимо решить задачу о диффузии аэрозоля и экспериментально определить коэффициент диффузии. Коэффициент броуновской диффузии взвешенных в воздухе частиц определяется соотношением Эйнштейна-Смолуховского, формула [13, 14]:
кТ
(3)
Db =
6njl r
где £=1,38Ч-1023 Дж/К - постоянная Больцмана; T - термодинамическая температура.
Однако на практике броуновским движением самих частиц при распространении аэрозольного облака пренебрегают, так для частиц радиусом гр«10 мкм коэффициент броуновской диффузии, согласно (3), имеет порядок Д~10~12мУс. При этом значении коэффициента диффузии за время порядка нескольких часов аэрозольное облако не распространилось бы заметно от источника, что противоречит результатам измерений. Следовательно, превалирующим механизмом распространения облака является конвективная диффузия. В результате экспериментальных исследований для частиц водного аэрозоля с диаметром порядка нескольких микрометров установлено, что величина коэффициента диффузии составляет 5=0,0016 м2/с, что более чем в ~1000000 раз превышает коэффициент броуновской диффузии. Коэффициент диффузии зависит, прежде всего, от размеров частиц, поэтому в расчетах для аэрозоля с той же дисперсностью можно принимать значение коэффициента диффузии, равное 0,0016 м2/с. Среднюю скорость диффузии можно рассчитать, используя формулу: _ 12 Б
H
(4)
где 5 - значение коэффициента конвективной диффузии; Н - расстояние, пройденное частицей в результате диффузии (в нашем случае Я=1 м). Значение средней скорости диффузии ^=0,0192 м/с.
Зависимости скорости осаждения от радиуса для модельных веществ, рассчитанные по формуле (2), представлены на рис. 7. В последующих расчетах скоростей диапазон значений размеров частиц соответствует экспериментальным данным, приведенным на рис. 4-6 [12].
Зависимости скоростей диффузии от радиуса для модельных веществ, рассчитанные по формуле (4), представлены на рис. 8.
Следующим механизмом распространения в пространстве диспергируемых частиц является
и. =
электрическое поле. Характер распределения аэрозольных частиц под действием электрических полей вдоль осадительного электрода представлен на рис. 9.
0,03
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
Скорость оседания, м/с
Скорость оседания, м/с 0,0018
Скорость оседания, м/с 0,024
а/а
/
15 20
1)ч; МКМ
б/b
5 7 I}.; МКМ
в/С
Скорость диффузии, м/с 0,00007
а/а
Скорость диффузии, м/с 0,00018
Скорость диффузии, м/с 0,0000205
15 20
D31, МКМ
б/b
в/С
17 18
I )ч; МКМ
Рис. 7. Зависимость скорости гравитационного осаждения частиц от диаметра частиц распыляемого порошка талька (а), раствора соли (б), аэросила (в)
Fig. 7. Dependence of speed of particle gravitation sedimentation on diameter of particles of pulverizable powder of talk (a), salt solution (b), aerosil (c)
17 18
I МЖ
Рис. 8. Зависимость скорости диффузии частиц от диаметра частиц распыляемого порошка талька (а), раствора соли (б), аэросила (в)
Fig. 8. Dependence of particle diffusion rate on diameter of particles of pulverizable powder of talk (a), salt solution (b), aerosil (c)
Как видно из рис. 9, в процессе заряжения отрицательные ионы и свободные электроны при контакте с частицей заряжают её отрицательно, при этом электроны уходят в частицу [15—18].
Перед расчетом скорости дрейфа, с которой частицы, получившие заряд, будут распространяться в измерительном объеме, необходимо учиты-
вать параметры конкретного используемого электрофильтра (таблица).
Рис. 9. Упрощенная схема зарядки и осаждения частиц пыли в электрофильтре: 1) коронирующие элементы; 2) ос-адительный электрод; 3-4) траектория движения крупной (3) и мелкой (4) отрицательно заряженных частиц пыли; 5) траектория положительно заряженной частицы; 6) характер распределения пыли (Р, кг) по длине осадительного электрода (L/м)
Fig. 9. Simplified diagram of charge and sedimentation of dust particles in electrical filter: 1) corona elements; 2) precipitation electrode; 3, 4) path of a large (3) and small (4) negatively charged dust particles; 5) path of a positively charged particle; 6) mode of dust distribution (Р, kg) over the precipitation electrode length (L/m)
Таблица. Конструктивные параметры электрофильтра, используемого в экспериментах Table. Design values of the electric filter applied in the experiments
Параметр Parameter Значение Values
Площадь осаждения S, мм2 Sedimentation area, S, mm2 1000
Длина коронирующего элемента, длина активной зоны l, м Length of the corona element, active zone length l, m 0,085
Расстояние между коронирующими электродами d, м Distance between the corona electrodes d, m 0,01
Расстояние между плоскостями осадительных и ко-ронирующих электродов H, м Distance between the planes of precipitation and corona electrodes, H, m 0,005
Динамическая вязкость воздуха *10-6 Па*с Dynamic air viscosity л, *10-6 Рэ*с 17,2
Средняя длина пути свободного пробега молекулы, для газов X, м Average length of a molecule free path, for gases X, m 10-7
Напряжение (среднее значение) U, В Voltage (average value) U, V 8000
Радиус коронирующего электрода R, м Corona electrode radius R, м 0,004
Одним из расчетных параметров является критическое напряжение, которое можно определить, предварительно рассчитав критическую напряженность Е0 по формуле (1), используя выражение [5]:
U0 - E0R1
nH, , 2nR,
-1 - ln-1
d
d
где Н1 - расстояние между осадительным и коро-нирующим электродом; й - расстояние между ко-ронирующими электродами.
Линейная плотность тока короны (мА/м) будет определяться выражением [5]:
=---и ^
° 9.ю'^(¡Е_1 0
V d d
где V - коэффициент, зависящий от расположения электродов Н/й; и - напряжение (среднее значение); к=2,1Ч-10-4м2/(В с).
Напряженность электрического поля (В/м) составит:
E -
!/0 H
4ns0kd'
где £0 - диэлектрическая постоянная распыляемого вещества.
Тогда скорость дрейфа частиц диаметром от 2 до 50 мкм определяется по формуле:
О - -
(5)
А для частиц диаметром от 0,1 до 2 мкм - по формуле:
а=а+[\ + АЯяЯ^, (6)
где А = 0,815...1,63; Я - средняя длина свободного пробега молекулы для газов Я=107 [5, 19].
На рис. 10 представлены зависимости рассчитанной по формулам (5), (6) скорости дрейфа от размера частиц 532.
Из рис. 11-13 видно, что наибольшие значения имеет скорость дрейфа для талька (0,04-0,12 м/с) и для раствора соли (0,02-0,07 м/с), а скорость оседания для этих веществ имеет наименьшие значения (менее 0,025 м/с для талька, менее 0,0016 м/с для раствора соли). Для крупных частиц аэросила картина обратная: значительной является скорость оседания (от 0,015 до 0,025 м/с), а наименьшие значения имеет скорость дрейфа (0,005 м/с). Следовательно, эффективным является использования электрофильтра для частиц с диаметром менее 15 мкм (порошок талька и раствора соли), а аэросил быстрее осядет под действием гравитации, чем при воздействии электрического поля [20].
0.118 -10-10 E2
r.
Скорость дрейфа, м/с 0,14
а/а
Сюрость дрейфа, м/с 0,08
0,03
Скорость дрейфа, м/с 0,0062
0,0058 0,0056 0,0054 0,0052 0,005
16 18
D32, мкш
б/b
6 7
I )ч МКМ
в/С
17 18
Г)з2= МКМ
Рис. 11. Зависимость скоростей движения частиц от диаметра D32 для порошка талька
Fig. 11. Dependence of particle motion velocity on diameter D32 for talk powder
Рис. 12. Зависимость скоростей движения частиц от диаметра D32 для раствора соли
Fig. 12. Dependence of particle motion velocity on diameter D32 for salt solution
Рис. 10. Зависимость рассчитанной скорости дрейфа частиц от диаметра D32 для порошка талька (а), раствора соли (б), аэросила (в)
Fig. 10. Dependence of the calculated particle drift velocity on diameter D32 for the powder of talk (а), salt solution (b), aerosil (c)
На следующих рисунках совмещены рассчитанные скорости гравитационного оседания, диффузии, дрейфа для частиц порошка талька (рис. 11), аэросила (рис. 12) и раствора соли (рис. 13).
Рис. 13. Зависимость скоростей движения частиц от диаметра D32 для аэросила
Fig. 13. Dependence of particle motion velocity on diameter D32 for aerosil
Заключение
В статье рассмотрены основные принципы зарядки аэрозольных частиц под действием электрического поля; установлено, что большинство аэрозольных частиц получают отрицательный электрический заряд в поле коронного разряда. Коронный разряд характеризуется значением критической напряженности, которая в свою очередь зависит от параметров используемого электрофильтра и относительной плотности газов.
Для проведения экспериментальных исследований использовалась лазерная измерительная установка на основе метода малоуглового рассеяния, позволяющая фиксировать динамику изменения аэрозольного облака по дисперсности и концентрации в объеме измерительной камеры. С помощью этой установки получены данные эксперимента, позволяющие оценить дисперсионный состав и убыль массовой концентрации в ходе опыта для модельных веществ: насыщенного водного раствора соли, порошка талька и аэросила. Определено, что влияние электрического поля значительно увеличивает время, при котором массовая концентрация аэрозольного облака в измерительном объеме стремиться к нулю, для частиц соли и талька (рис. 4, 6). Напротив, воздействие электрического поля на частицы аэросил с диаметром боль-
ше 15 мкм заставляет частицы дольше парить в воздухе, в то время как при гравитационной седиментации аэросил осел уже на 1000 с (рис. 5).
Для тех же модельных веществ был проведен расчет скоростей гравитационного оседания, диффузионного распространения и скорости дрейфа под действием электрического поля. При расчете скорости дрейфа необходимо учитывать параметры используемого в эксперименте электрофильтра (таблица). Как видно из полученных графиков (рис. 11-13), ведущим механизмом осаждения для частиц талька и раствора соли является скорость дрейфа частиц под действием электрического поля, а для более крупных частиц аэросила гравитационная и диффузионная скорость оказались выше, чем скорость дрейфа при воздействии электрофильтра (рис. 13). Данный вывод полностью подтвержден проведенными экспериментами (рис. 4-6). Таким образом, предложенная математическая модель процесса является адекватной, и расчеты на ее основе позволяют заранее определить эффективность использования электрофильтра для осаждения выбранного аэрозоля. Это дает возможность существенно упростить выбор параметров электрофильтра при планировании его использования для улавливания веществ в производственных целях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Modeling and Validation of Nanoparticle Charging Efficiency of a Single-Wire Corona Unipolar Charger / Chih-Liang Chien, Chu-en-Jinn Tsai, Hui-Lin Chen, Guan-Yu Lin, Jong-Shinn Wu // Aerosol Science and Technology. - 2011. - № 45. - P. 1468-1479.
2. Penetration of Monodisperse, Singly Charged Nanoparticles through Polydisperse Fibrous Filters / A. Podgorski, A. Maiber, W.W. Szymanski, A. Jackiewicz, L. Gradon // Aerosol Science and Technology. - 2011. - № 45. - P. 215-233.
3. Санаев Ю.И. Обеспыливание газов электрофильтрами. - Семи-братово: Кондор-Эко, 2009. - 163 с.
4. Уайт П. Высокоэффективная очистка воздуха. - М.: АТОМИЗ-ДАТ, 1967. - 311 с.
5. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами. - М.: Химия, 1967. -344 с.
6. Архипов В.А. Аэрозольные системы и их влияние на жизнедеятельность. - Томск: ГТПУ, 2007. - 136 с.
7. Ахмадеев И.Р. Метод и быстродействующая лазерная установка для исследования генезиса техногенного аэрозоля по рассеянию луча в контролируемом объеме: дис. ... канд. техн. наук. - Барнаул, 2008. - 98 с.
8. Remote optical diagnostics of nonstationary aerosol media in a wide range of particle sizes / O. Kudryashova, A. Pavlenko, B. Vorozhtsov, S. Titov, V. Arkhipov, S. Bondarchuk, E. Maksimenko, I. Akhmade-ev, E. Muravlev // Photodetectors. - 2012. - № 15. - P. 341-364.
9. A method for measurement of disperse composition and concentration of aerosol particles / O.B. Kudryashova, I.R. Akhmadeev, A.A. Pavlenko, V.A. Arkhipov, S.S. Bondarchuk // Proceedings of ISMTII-2009. - Saint-Petersburg, Russia, 2009. - P. 178-183.
10. Степкина М.Ю., Ахмадеев И.Р., Ворожцов Б.И. Экспериментальное исследование способа ускорения осаждения мелкодисперсного аэрозольного облака под действием электрического поля // Ползуновский вестник. - 2014. - № 3. - С. 134-138.
11. Степкина М.Ю., Кудряшова О.Б. Экспериментальные исследования воздействия электрического поля на микро- и наноча-
стицы аэрозоля // HEMs-2014: Тезисы X Междунар. конф. -Бийск, 2014. - С. 169.
12. Степкина М.Ю. Исследование влияния физических свойств распыляемого вещества на динамику седиментации и электростатического осаждения частиц продуцируемого аэрозоля с учетом его дисперсности // Аэрозоли Сибири: Сб. тезисов докладов XX Рабочей группы. - Томск, 2013. - С. 109.
13. Берснев С.А. Физика атмосферных аэрозолей. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2008. - 227 с.
14. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. - М.: Академия наук СССР, 1955. - 353 с.
15. Panich Intra, Artit Yawootti, Nakorn Tippayawong. Evaluation of a unipolar diffusion and field charger of aerosol particles by a corona discharge // Particulate Science and Technology. -2013.- №47. - P. 621-631.
16. Chaolong Qi, Pramod Kulkarni. Miniature dual-corona ionizer for bipolar charging of aerosol // Aerosol Science and Technology. - 2013. - №47. - P. 81-92.
17. Deposition of charged aerosol particles on a substrate by collima-ting through an electric field assisted coaxial flow nozzle / Ja-ehong Park, Jimin Jeong, Chul Kim, Jungho Hwang // Aerosol Science and Technology - 2013. - № 47. - P. 512-519.
18. Review of spark discharge generators for production of nanoparticle aerosols / B.O. Meuller, M.E. Messing, D.L.J. Engberg, A.M. Jans-son, L.I.M. Johansson, S.M. Norlen, N. Tureson, K. Deppert // Aerosol Science and Technology. - 2012. - № 46. - P. 1256-1270.
19. Островский Г.М. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. Ч. II. - СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2006. - 916 c.
20. Моделирование процессов осаждения конденсируемой фазы под действием электрического поля / М.Ю. Степкина, О.Б. Кудряшова, Н.В. Коровина, Е.В. Муравлев // Аэрозоли Сибири: Сб. тезисов докладов XXI Рабочей группы. - Томск, 2014. - С. 30.
Поступила 16.02.2015 г.
UDC 53.072.621.317.329:53.097:538.9:51-74
CONTROL OF CONDENSED PHASE SEDIMENTATION USING THE ELECTRIC FIELD
Mariya Yu. Stepkina,
Institute for Problems of Chemical & Energetic Technologies of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 1, Socialisticheskaya street, Biysk,
659322, Russia. E-mail: [email protected]
Olga B. Kudryashova,
Dr. Sc., Institute for Problems of Chemical & Energetic Technologies of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 1, Socialisticheskaya street, Biysk, 659322, Russia. E-mail: [email protected]
Relevance of the work is related to the research of efficiency of using electric field for sedimentation of concrete substances to clean the room of aerosol pollution. Development of methods of ensuring purity of the environment and surface in closed working rooms, especially in the conditions of the developing production technologies, medicine and conditions of a person life support, are always actual and timely
The aim of the research is pilot and theoretical study of sedimentation at electric field interaction with particles of fine aerosols; based on the research to develop the effective ways of collecting various harmful substances from air and cleaning working room surface. Research methods: the optical diagnostics of an aerosol based on a method of low-angle dispersion with use of the laser measuring LID-2M complex and technology of laser diffraction (Malvern Spraytec analyzer); the tensometric method of weight measurement; the ejector dispersion method; the method of mechanical crushing of the dispersed powders.
Results. The paper demonstrates the charge of aerosol particles at crown category. The authors have carried out the pilot studies of the model substances dispersion affected by the electric field and without it. The values of change in dispersion and mass concentration of the produced aerosol were obtained during the experiment by means of the laser LID-2M measuring machine. It was experimentally determined that the speed of aerosol particles sedimentation affected by the electric field increases several times, but not for all studied substances, large particles of aero force will quicker settle under gravitation. The authors calculated the characteristic speeds arising in the course of aerosol evolution for model substances. The paper introduces the comparative analysis of speeds of particle convective distribution in space, gravitational sedimentation and drift of aerosol cloud particles under electric forces. Based on the analysis it is possible to establish the effectiveness of using the electric field for sedimentation of concrete substance with certain dispersion. The data obtained should be considered as well when designing new installations of electric precipitators.
Key words:
Aerosol cloud, condensed phase, crown category, gravitational sedimentation, speed of particle drift, diffusion coefficient, electrostatic field.
REFERENCES
1. Chih-Liang Chien, Chuen-Jinn Tsai, Hui-Lin Chen, Guan-Yu Lin, Jong-Shinn Wu. Modeling and Validation of Nanoparticle Charging Efficiency of a Single-Wire Corona Unipolar Charger. Aerosol Science and Technology, 2011, no. 45. pp. 1468-1479.
2. Podgorski A., Maiber A., Szymanski W.W., Jackiewicz A., Gra-don L. Penetration of Monodisperse, Singly Charged Nanopartic-les through Polydisperse Fibrous Filters. Aerosol Science and Technology, 2011, no. 45. pp. 215-233.
3. Sanaev Yu.I. Obespylivanie gazov elektrofiltrami [Dust removal of gases with electric precipitators]. Semibratovo, Kondor-Eko Publ., 2009. 163 p.
4. White P. Vysokoefektivnaya ochistka vozdukha [Highly effective air purification]. Moscow, ATOMIZDAT Publ., 1967, 311 p.
5. Uzhov V.N. Ochistkapromyshlennykh gazov elektrofiltrami [Purification of industrial gases with electric precipitators]. Moscow, Khimiya Publ., 1967, 344 p.
6. Arkhipov V.A. Aerosolnye sistemy i ikh vliyanie na zhiznideya-telnost [Aerosol systems and their influence on activity]. Tomsk, TGPU Press, 2007. 136 p.
7. Akhmadeev I.R. Metod i bystrodeystvuyushchaya lazernaya usta-novka dlya issledovaniya genezisa tekhnogennogo aerosolya po rasseyaniyu lucha v controliruemom obeme. Dis. Kand. nauk [Method and the high-speed laser machine for researching the genesis of a technogenic aerosol on a beam dispersion in controlled volume. Cand. Diss.] Barnaul, 2008, 98 p.
8. Kudryashova O., Pavlenko A., Vorozhtsov B., Titov S., Arkhipov V., Bondarchuk S., Maksimenko E., Akhmadeev I., Mura-
vlev E. Remote optical diagnostics of nonstationary aerosol media in a wide range of particle sizes. Photodetectors, 2012, no. 15. pp. 341-364.
9. Kudryashova O.B., Akhmadeev I.R., Pavlenko A.A., Arkhipov V.A., Bondarchuk S.S. A method for measurement of disperse composition and concentration of aerosol particles. Proceedings of ISMTII-2009. Saint-Petersburg, Russia, 2009. pp. 178-183.
10. Stepkina M.Yu., Akhmadeev I.R., Vorozhtsov B.I. Experimental-noe issledovanie sposoba uskoreniya osazhdeniya melkodisper-snogo aerozolnogo oblaka pod deystviem elektricheskogo polya [Pilot study of a way of acceleration of fine aerosol cloud sedimentation under the influence of electric field]. Polzunovskiy Vest-nik, 2014. no. 3, pp. 134-138.
11. Stepkina M.Yu., Kudryashova O.B. Experimentalnye issledova-niya vozdeystviya elektricheskogo polya na micro- i nanochastit-sy aerosolya [Pilot studies of electric field influence on aerosol micro- and nanoparticles]. HEMs-2014. Vysokoenergeticheskie materialy: demilitarizatsiya, antiterrorism i grazhdanskoe pri-menenie [High-energy materials: demilitarization, anti-terrorism and civil application]. Biysk, 2014. pp. 169.
12. Stepkina M.Yu. Issledovaniya vliyaniya fizicheskikh svoystv ras-pylyaemogo veshchestva na dinamiky sedimentatsii i elektrosta-ticheskogo osazhdeniya chastits produtsiruemogo aerozolya s uchetom ego dispersnosti [Research of influence of the sprayed substance physical properties on dynamics of sedimentation and electrostatic sedimentation of particles of the produced aerosol taking into account its dispersion]. Aerozoli Sibiri. Proc. [Aerosols of Siberia]. Tomsk, 2013. pp. 109.
13. Bersnev S.A. Fizika atmosfernykh aerozoley [Physics of atmospheric aerosols]. Ekaterinburg, Ural University Press, 2008. 227 p.
14. Fuks N.A. Mekhanikaaerosoley[Mechanics of aerosols]. Moscow, USSR Academy of sciences Press, 1955. 353 p.
15. Panich Intra, Artit Yawootti, Nakorn Tippayawong. Evaluation of a unipolar diffusion and field charger of aerosol particles by a corona discharge. Particulate Science and Technology, 2013, no. 47. pp. 621-631.
16. Chaolong Qi, Pramod Kulkarni. Miniature dual-corona ionizer for bipolar charging of aerosol. Aerosol Science and Technology, 2013, no. 47. pp. 81-92.
17. Jaehong Park, Jimin Jeong, Chul Kim, Jungho Hwang. Deposition of charged aerosol particles on a substrate by collimating through an electric field assisted coaxial flow nozzle. Aerosol Science and Technology, 2013, no. 47. pp. 512-519.
18. Meuller B.O., Messing M.E., Engberg D.L.J., Jansson A.M., Johansson L.I.M., Norlen S.M., Tureson N., Deppert K. Review of spark discharge generators for production of nanoparticle aerosols. Aerosol Science and Technology, 2012, no. 46. pp. 1256-1270.
19. Ostrovskiy G.M. Novy spravochnik khimika i tekhnologa. Protses-sy i apparaty khimicheskikh tekhnologiy [New reference book of the chemist and technologist. Processes and devices of chemical technologies]. Saint-Petersburg, Professional Publ., 2006. P. II, 916 p.
20. Stepkina M.Yu., Kudryashova O.B., Korovina N.V., Myravlev E.V. Modelirovanie protsessov osazhdeniya kondensiruemoy fazy pod deystviem electricheskogo polya [Modeling of the condensed phase sedimentation under the influence of electric field]. Тезисы Aerozoli Sibiri [Aerosols of Siberia]. Tomsk, 2014. p. 30.
Received: 16 February 2015.
