CC BY
32
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
«наука. инновации. технологии», № 1, 2018
УДК 53.097 Степкина М.Ю. [Stepkina M.Yu.],
Кудряшова О.Б. [Kudryashova O.B.], Муравлев Е.В. [Muravlev E.V.]
взаимодействие распыленных заряженных мелкодисперсных порошков с электронейтральными жидкофазными и твердофазными аэрозольными средами
Interaction sprayed of charge fine powders with electroneutral liquid-phase and solid-phase aerosol environments
В работе рассмотрено взаимодействие твердофазного мелкодисперсного аэрозольного облака заряженных частиц, созданного посредством электростатического распылителя, с жидкофазными и твердофазными частицами аэрозоля, распыленными в воздухе импульсным и пневматическим способом соответственно. Каждый метод распыления позволяет формировать поток конденсированных частиц для моделирования реальных ситуаций образования вредных мелкодисперсных аэрозольных сред, возникающих при авариях на промышленности, чрезвычайных природных катаклизмах, террористических актах, проведении военных действий и т.п. Именно введение заряженных частиц в нейтральный поток вредного аэрозоля вызывает явление электростатической коагуляции, ускоряя процесс осаждения такого аэрозоля. С целью определения скорости осаждения за счёт возникновения эффекта электростатической коагуляции проведены экспериментальные исследования, позволяющие оценить изменение дисперсности и концентрации мелкодисперсных аэрозольных сред в замкнутом объеме. Для наблюдений за возникновением и развитием коагуляции в аэрозолях использовался лазерный измерительный комплекс ЛИД-2М. В установке ЛИД-2М реализована модификация оптического метода малоуглового рассеяния, связанная с решением серии прямых задач оптики аэрозолей в задаче о рассеянии лазерного луча дисперсной средой под малыми углами.
In work the interaction of a solid-phase fine aerosol cloud of charged par-ticlesatomized by means of the electrostatic spray with the liquid-phase and solid-phase weighed particles aerosol created in the pulse and pneumatic way is considered. Each method of dispersion allows to form a stream of the condensed particles for modeling real situations of formation of the harmful fine aerosol environments arising at accidents on the industry, extraordinary natural cataclysms, acts of terrorism, conducting military operations, etc. Introduction of charged particles to a neutral stream of a harmful aerosol causes the phenomenon of electrostatic coagulation, accelerating process sedimentation of such aerosol. For the purpose of determination of speed of sedimentation due to emergence of effect of electrostatic coagulation the pilot studies allowing to estimate change of dispersion and concentration of fine aerosol environments in the closed volume are conducted. Observation of emergence and development of coagulative processes in aerosols the laser measuring LID-2M complex was used. In the LID-2M installation the modification of an optical method of low-angle dispersion connected with the solution of a series of direct problems of optics of aerosols in a task about dispersion of a laser beam the disperse environment under small corners is realized.
Ключевые слова: дисперсность, относительная концентрация, распыление, осаждение, аэрозольные среды
Key words: dispersion, relative concentration, dispersion, sedimentation, aerosol environments
Введение
На динамику движения частиц в замкнутом объеме существенное влияние оказывает процесс коагуляции. Частицы, налипая друг на друга, увеличиваются в размерах, и далее гораздо быстрее оседают под действием гравитационных сил. Процессы коагуляции широко распространены в природе, и их изучение представляет несомненный научный и практический интерес. С необходимостью рассмотрения этих процессов встречаются в различных областях науки и техники (например, в физической и химической кинетике, биофизике, астрономии, в химической технологии, при решении проблемы очистки от аэрозольных или коллоидных загрязнений и т.п. [1]). Особое значение коагуляция имеет для атмосферного аэрозоля, поскольку именно этот процесс является одним из основных физико-химических механизмов эволюции аэрозоля в атмосфере [2].
В контексте настоящей работы особый интерес представляет взаимодействие разноименно заряженных частиц или взаимодействие между нейтральными частицами и частицами с зарядом любого знака. Такое явление называют электростатической коагуляцией.
На процесс коагуляции влияют факторы двух видов. Первые обуславливают вероятность столкновения между частицами - это размер, распределение частиц по размерам, распределение электрического заряда частиц, температура и давление газа. Вторые факторы определяют, слипнутся ли они или диффундируют. К этим факторам относятся форма и структура частиц и адсорбционные свойства [3].
Цель настоящей работы заключается в экспериментальном исследовании изменения дисперсных характеристик и концентрации аэрозольных сред при электростатической коагуляции в зависимости от рода распыляемого вещества и способа распыления.
Методы исследования
Рассмотрим подробнее электростатическую коагуляцию. Частицы с противоположными зарядами коагулируют быстрее, чем частицы без заряда, но нейтральные частицы имеют выше скорость коагуляции, чем одинаково заряженные. Анализируя экспериментальные константы (табл. 1) для различных типов аэрозолей при нормальных условиях исследований можно сделать вывод, что процесс коагуляции незначительно зависит от рода вещества [4]. Однако электростатическая коагуляция наиболее заметна при заряжении частиц с малым (до 10 Ом-м) и большим (более 20 Ом-м) удельным сопротивлением частиц [5].
При проведении экспериментальных исследований использовалось три способа распыления: электростатический, пневматический, импульсный.
Электростатический способ распыления позволяет создавать облако заряженных частиц вещества и свободных (неприсоединившихся) ионов
физико-математические науки
Взаимодействие распыленных заряженных мелкодисперсных порошков.
Таблица 1. ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА КОАГУЛЯЦИИ
ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
Вещество Константа коагуляции*109 , см3/с
Хлорид аммония 0,60
Оксид железа 0,66
Оксид магния 0,83
Оксид кадмия 0,80
Стеариновая кислота 0,51
/7* V- --
^■в--
иг щ ш
г*
электрод коронирующий;
поток заряженных частиц вещества;
ионы;
создаваемое электрическое поле; силовые линии.
Зарядка мелкодисперсных частиц в потоке коронного разряда.
1 -2 -
3 -
4 -
5 -
Рис. 1.
(рис. 1) между распылителем и объектом. Совокупный заряд порошкообразных частиц и ионов, составляющих облако, образуют «пространственный заряд». При этом «пространственный заряд» формирует собственное электрическое поле, которое действует на аэрозольные частицы совместно с полем высоковольтного электрода и приводит к осаждению мелкодисперсных частиц порошка на заземленную подложку.
Пневматический способ распыления заключается в образовании аэрозоля при дроблении мелкодисперсных частиц порошка струей сжатого газа.
Организуется высокая скорость вылета частиц из отверстия и образуется густой туман аэрозоля. Такой способ более пригоден при моделировании твердофазных аэрозольных образований. При этом распыление порошка происходит в течение относительно долгого времени, например, несколько минут для нескольких десятков грамм [6].
Перспективным методом создания облака мелкодисперсного аэрозоля является импульсный (за счет энергии высокоэнергетических материалов (ВЭМ)). Такой метод обладает рядом преимуществ по сравнению с другими. Во-первых, дешевизна и простота реализации, во-вторых, малые габариты распылителей, что позволяет реализовывать импульсный метод диспергирования на разных объектах без предварительной сложной подготовки [7].
После распыления и в процессе дальнейшего осаждения аэрозолей в качестве показателя электростатической коагуляции выступает изменение дисперсных параметров и концентрации аэрозоля во времени (средний объемно-поверхностный диаметр частиц D32 и относительная массовая концентрация аэрозоля Ст). Для отображения данных характеристик в данной работе применялся модифицированный метод малоуглового рассеяния, основанный на нахождении функции распределения частиц по размерам путем решения серии прямых задач оптики аэрозолей [8]. Сущность метода заключается в определении спектра размеров аэрозольных частиц по измеренной малоугловой индикатрисе рассеяния путем перебора соответствующих параметров функции распределения. Данный метод позволяет определить дисперсность и концентрацию частиц аэрозоля в диапазоне размеров частиц от 1 до 100 мкм. Поэтому с помощью него определялись размеры только тех частиц, которые находятся в этом диапазоне [9]. Погрешность измерений данным методом составляет около 10 % в отсутствии нестационарных потоков частиц.
Результаты исследований и их обсуждение
Экспериментальные исследования проводились в измерительной камере объемом 1 м3. Внутри и за пределами камеры установлены (рис. 2): устройства электростатического распыления заряженных частиц (1), распыления электронейтрального твердофазного (2) и жидкофазного аэрозольного облака (3), оптический комплекс измерения дисперсности и концентрации частиц аэрозоля внутри камеры во времени. В качестве системы распыления жидкости в измерительном объеме камеры используется импульсный метод [6].
В качестве модельной жидкости для распыления импульсным способом были выбраны 18 %, 50 % и 70 %-ные растворы глицерина массой 3 мл. Средний объемно-поверхностный диаметр частиц полученного аэрозоля растворов глицерина составляет 20-25 мкм. Распространение аэрозоля в пространстве происходило в течение 1 минуты. Затем распылялся порошок талька, оксида алюминия или псевдобемита (гидроксида алюминия), в первом
Рис. 2.
Схема расположения приборов и устройств измерительной экспериментальной камеры.
а) Рз2, мкм
35
30
25
20 V ' '
15 » ) 1 '■..., "'' ' V.? ' / VI
10 4
5 Аэрозоль глицерина заряженные частицы порошка
0 ||| | Время, с
40
40
60
80
0
Рис. 3. Средний объемно-поверхностный диаметр йэ2 (а) и отно-
сительная концентрация ^ (б) частиц в зависимости от времени для талька, псевдобемита, оксида алюминия при взаимодействии с растворами глицерина.
Заряженный оксид алюминия
Рис. 4. Средний объемно-поверхностный диаметр йэ2 (а) и отно-
сительная концентрация ^ (б) в зависимости от времени для электронейтральных частиц метиленовой сини и частиц оксида алюминия (заряженных и без заряда).
опыте масса талька - 50 граммов, во втором - масса псевдобемита - 28 граммов, в третьем - масса оксида алюминия составила 7 граммов. Время распыления составляло 20 секунд. Результаты экспериментальных измерений среднего объемно-поверхностного диаметра и концентрации частиц полученного аэрозоля представлены на рисунке 3.
Анализируя рисунок 3, можно сделать вывод, что характер изменения кривой среднего объемно-поверхностного диаметра частиц и относительной
физико-математические науки
Взаимодействие распыленных заряженных мелкодисперсных порошков.
а)
Рз2, мкм
25
20
1 1 \ 1 \ 1 \ /
V X \ 1
4 1
Оксид алюминия Псевдобемит
1 ! ! Время, с
50
100
150
15
10
5
0
0
б)
40
Ст Г/М3
35
30
25
20
Оксид алюминия
1 \ _
Псевдобемит V \
Л \ / V / \
1 — 1 1 " / \ Время, с ' 1 ~ 1------------1
50
100
150
200
15
10
5
0
0
Рис. 5. Средний объемно-поверхностный диаметр частиц йэ2 (а) и
относительная концентрация частиц ^ (б) в зависимости от времени для нейтральных частиц оксида алюминия и заряженных частиц псевдобемита.
концентрации носят идентичный характер для различных веществ, следовательно, коагуляционные процессы несущественно зависят от физико-химических свойств распыляемых частиц, что подтверждает ранее представленные выводы теоретического исследования.
Следующая серия экспериментов касалась взаимодействия твердофазных порошков - электронейтральных и заряженных. При этом моделировалась ситуация наличия в воздухе загрязняющего твердофазного аэрозоля и
его слипания с частицами заряженного, специально распыленного поглощаемого вещества (сорбента). В качестве имитатора загрязняющего вещества взята метиленовая синь, в качестве сорбента - оксид алюминия.
Пневматическим способом в камере распылена масса 1,2 г метилено-вой сини в течение 10 секунд, и затем, через 10 секунд, электростатическим способом распылена масса 20 граммов порошка оксида алюминия в течение 30 секунд (рис. 4). Результат измерений контрольных параметров, в которых распыление оксида алюминия происходило без зарядки, также представлен на рисунке 4.
Порошок метиленовой сини, распределённый в измерительном объеме камеры, в первые 30 секунд регистрации процесса имеет высокую дисперсность D32 ~ 5 мкм. После электростатического распыления сорбента, в момент времени около 60 секунд, образуется резкий скачок - до D32 ~ 40 мкм, обусловленный электростатической коагуляцией. В контрольном эксперименте с незаряженными частицами коагуляция не выражена. Уже после 150 секунд концентрация аэрозольных частиц (порошка метиленовой сини, оксида алюминия и их агломератов) в камере стремится к нулевому значению, если оксид алюминия распылялся электростатически. При распылении оксида алюминия без заряда концентрация частиц стремилась к нулю только после ~ 300 секунд наблюдения.
Можно отметить высокую скорость процесса осаждения аэрозольных частиц за время 50 секунд (рис. 5, б), поскольку без применения электрических полей подобный процесс осаждения занимает более 150 секунд [6].
Выводы
Таким образом, электростатическая коагуляция вносит значительный вклад в ускорение процессов осаждения как твердофазных, так и жидкофазных аэрозолей, вне зависимости от физико-химических свойств распыляемых конденсированных сред.
Применение электростатического распыления существенно увеличивает скорость осаждения веществ различной природы и позволяет в течение короткого времени осадить распыленный продукт на стенки измерительного объема.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант мол_а 16-38-00581).
физико-математические науки
Взаимодействие распыленных заряженных мелкодисперсных порошков.
Библиографический список
1. Эрнст М. Фракталы в физике // Тр. VI Междунар. симпозиума по фракталам в физике. М.: Мир, 1988. С. 399-429.
2. Довгалюк Ю. А., Ивлев Л. С. Физика водных и других атмосферных аэрозолей. СПб.: СПбГУ, 1998.
3. Санаев Ю.И. Обеспыливание газов электрофильтрами. Семи-братово: Кондор-Эко, 2009.
4. Пискунов В. Н. Теоретические модели кинетики формирование аэрозолей: монография. Саратов: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2000. 209 с.
5. Коровина Н. В. Распыление жидкости при импульсном воздействии / Н. В. Коровина, О. Б. Кудряшова, А. А. Антоннико-ва, Б.И. Ворожцов // Известия вузов. Физика. 2013. № 9/3(56). С. 169-172.
6. Степкина М.Ю. Создание аэрозоля мелкодисперсных электростатически заряженных частиц и его применение в технологических процессах: дис ... канд. тех. наук. АлтГТУ: Бийск, 2016. 163 с.
7. Муравлев Е.В. Исследование процессов диспергирования компактированных порошков / Е.В. Муравлев, А.А. Павленко, И.Р Ахмадеев, О.Б. Кудряшова, М.Ю. Степкина, Н.В. Коровина // Ползуновский Вестник. 2016. №4. Т. 1 С. 64-67.
8. Kudryashova O.B., Pavlenko A.A., Vorozhtsov B.I., Titov S.S., Arkhipov V.A., Bondarchuk S.S., Maksimenko E.A., Akhmadeev I.S., Muravlev E.V. Remote optical diagnostics of nonstationary aerosol media in a wide range of particle sizes. Photodetectors, Croatia: InTech, 2012. Pp. 341-364.
9. Кудряшова, О.Б. Распыление нанопорошков для адсорбции токсичных веществ / О.Б. Кудряшова, М.Ю. Степкина, Н.В. Коровина, А.А. Антонникова, Е.В. Муравлев, А.А. Павленко // Инженерно-физический журнал. 2015. Т. 88. № 4. С. 808-813.
References
1. Ernst M. Fraktaly v fizike // Tr. VI Mezhdunar. simpoziuma po frak-talam v fizike (Fractals in physics). M.: Mir, 1988. S. 399-429.
2. Dovgalyuk Yu. A., Ivlev L.S. Fizika vodnykh i drugikh atmosfernykh aerozolei (Fizik of water and other atmospheric aerosols). SPb: SP-bGU, 1998.
3. Sanaev Yu. I. Obespylivanie gazov elektrofil'trami (Dust removal of gases electric precipitators). Semibratovo: «Kondor-Eko», 2009.
4. Piskunov V. N. Teoreticheskie modeli kinetiki formirovanie aerozolei: monografiya (Theoretical models of kinetics formation of aerosols). Saratov: RFYaTs-VNIIEF, 2000. 209 s.
5. Korovina N. V. Raspylenie zhidkosti pri impul'snom vozdeistvii (Dispersion of liquid at pulse influence) / N. V. Korovina, O. B. Kudryas-
hova, A. A. Antonnikova, B. I. Vorozhtsov // Izvestiya vuzov. Fizika. 2013. № 9/3(56). S. 169-172.
6. Stepkina M.Yu. Sozdanie aerozolya melkodispersnykh elektro-staticheski zaryazhennykh chastits i ego primenenie v tekhno-logicheskikh protsessakh (Creation of an aerosol of fine electrostatic charged particles and its application in technological processes): dis ... kand. tekh. nauk. AltGTU: Biisk, 2016. 163 s.
7. Muravlev E.V. Issledovanie protsessov dispergirovaniya kompak-tirovannykh poroshkov (A research of the processes of dispergating compacted powders) / Muravlev E.V., Pavlenko A.A, Akhmadeev I.R., Kudryashova O.B., M. Yu. Stepkina, Korovina N.V. // Polzu-novskii Vestnik. 2016. №4. T. 1 S. 64-67.
8. Kudryashova O.B., Pavlenko A.A., Vorozhtsov B.I., Titov S.S., Arkh-ipov V.A., Bondarchuk S.S., Maksimenko E.A., Akhmadeev I.S., Muravlev E.V. Remote optical diagnostics of nonstationary aerosol media in a wide range of particle sizes. Photodetectors, Croatia: InTech, 2012. Pp. 341-364.
9. Kudryashova, O.B. Raspylenie nanoporoshkov dlya adsorbtsii tok-sichnykh veshchestv (Dispersion of nanopowders for adsorption of toxic substances) / O.B. Kudryashova, M.Yu. Stepkina, N.V. Korovina, A.A. Antonnikova, E.V. Muravlev, A.A. Pavlenko // Inzhenerno-fizicheskii zhurnal. 2015. T. 88. № 4. S. 808-813.
