УДК 628.543:66.066
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ГЕТЕРОАДАГУЛЯЦИИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ МИКРОКАПЕЛЬ И ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ C ТВЕРДЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ © 2010 г. В. В. Тарасов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
valeri_tarasov@mail.ru Поступила в редакцию 27.10.2008 г., после доработки 10.02.2010 г.
Рассмотрено применение метода гидродинамической гетероадагуляции для очистки воды от микрокапель органических жидкостей размером 0.8—10 мкм и концентрацией 0.02—2.0%. Предложена математическая модель процесса. Обсуждена роль материала для гетероадагуляции, частоты вращения роторов диспергатора и мешалки гетероадагулятора, а также водородного показателя. Установлено, что очистка от микрокапель происходит на ~93—99% за 5—25 мин. Обнаружена и объяснена причина ступенчатости "кинетических" кривых гидродинамической гетероадагуляции, а также значительное ускорение или замедление ее при введении второго множества капель, которые в 300—500 раз крупнее первых.
ВВЕДЕНИЕ
Метод гетероадагуляции (адсорбционной коагуляции) исследуется давно [1, 2]. Однако гетероада-гуляция стала применяться для очистки воды от микрокапель путем их укрупнения лишь в последние годы, когда она начала использовать потоки эмульсий, т.е. превратилась в гидродинамическую адсорбционную коагуляцию [3—11]. Такой процесс был назван гидродинамической гетероадагуляцией.
Зарастание труб при прокачке через них нефти и пищевых масел, представляющих собой эмульсии (например, маргарин), хорошо известно практикам. Такие процессы играют, в основном, негативную роль. Негативную роль играют и "медузы" — сложные образования коллоидного характера, накапливающиеся в смесителях-отстойниках при экстракции, например редких и радиоактивных элементов. Медузы могут давать различные осложнения, среди которых ядерная опасность — самая грозная из всех опасностей. Она возникает, если процесс связан с экстракционной очисткой ядерного топлива. Тогда медузы строятся из микрокапель, связи которых друг с другом усиливаются при наличии гидролизуе-мых элементов центральной части периодической системы Д.И. Менделеева [12, 13]
Известно, что процесс коагуляции нуждается в преодолении энергетических барьеров. Мы предложили метод преодоления таких барьеров, который осуществляется в результате правильной организации потоков, т.е. без применения реагентов и тепла. В этом методе решающую роль играют столкновения микрочастиц с неподвижными предметами, покрытыми волокнистыми материалами. Теоретической основой такого процесса является теория Дерягина,
Ландау, Фервея и Овербека (ДЛФО) [1, 2], а также развитые Б.В. Дерягиным представления о расклинивающем давлении и его энтропийной составляющей. Это означает, что спокойно пребывающие разбавленные эмульсии сохраняют неагрегированное состояние довольно долго, а организация движения в такой эмульсии и столкновений ее капель с неподвижными предметами может в 100—1000 раз [6, 7] ускорить процесс укрупнения капель, их последующие седиментацию или всплывание и отделение от дисперсионной среды. Исключительно важным является сродство материала неподвижных предметов к микрокаплям и отделяемым частицам.
Можно сказать, что, фактически, мы имеем дело с трансформатором размеров капель. Этот трансформатор, использующий принцип гидродинамической гетероадагуляции, может быть сосредоточенным в одном месте (реакторе) или распределенным в пространстве в виде трубы.
В данной работе представлен обзор исследований автора по кинетике гидродинамической гете-роадагуляции микрокапель различной природы и, как правило, имеющих практическое значение. Обзор включает также значительное число впервые публикуемых данных, имеющих принципиальный характер.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Представления о процессе очистки воды от микроскопических капель масел методом гидродинамической гетероадагуляции пока еще несовершенны. Нас будут интересовать два процесса: 1) приготовления квазиустойчивых эмульсий типа "масло в
Рис. 1. Вид установки и ее деталей. Левая часть фото — установка в сборе. Самый верхний правый снимок — дисковая мешалка гетероадагулятора. Самый нижний правый снимок — сетка и сетка, обмотанная углеродной тканью.
воде" методом дробления органической жидкости и 2) укрупнение микрокапель этих эмульсий методом гидродинамической гетероадагуляции до таких размеров, когда становится возможной их всплывание.
Методика приготовления и фотографирования микрокапель. Мы называем квазиустойчивыми такие эмульсии, которые сохраняют свое поглощение света на ~70% и более в течение суток. Установка приготовления квазиустойчивых эмульсий состоит из диспергатора марки 1КА DI25, снабженного распыляющим инструментом марки S25N-18G, и стеклянного сосуда объемом 500 см3 прямоугольного сечения с гранями, обеспечивающими развитие турбулентности и уменьшающими негативную роль центральной воронки. В процессе получения эмульсий эмульгаторы и стабилизаторы не применялись.
Работа диспергатора "1КА DI 25" основана на принципе прерывания потока эмульсии с частотой 1333—4000 Гц, что достигалось вращением трубки-ротора со щелями относительно трубки-статора с таким же количеством щелей с частотой 8000— 24000 мин-1. Это обеспечивало исключительно эффективное, но локальное перемешивание. С помощью шприца производили впрыск 0.5-3.0 см3 эмульгируемого органического вещества в объем перемешиваемой диспергатором водной фазы. Процесс диспергирования проводили в течение 30 мин. Образующиеся в таких условиях эмульсии имели хорошо воспроизводимые светопоглощающие характеристики и обладали постоянным дисперсионным составом. С точки зрения гидродинамики эти эмульсии можно рассматривать как гомогенные жидкости, поскольку процессы, протекающие в них, чувствительны только к очень малым масштабам турбулентных пульсаций [14].
Полученные микроскопические эмульсии регистрировались фотокамерой Nikon Coolpix 4500 и обрабатывались скоростным персональным компьютером. Общее увеличение оптической системы равно 384. Ширина линейного поля зрения микроскопа при данном увеличении составляет 140 мкм.
Установки и метод исследования кинетики гидродинамической гетероадагуляции. Гидродинамическая гетероадагуляция микроскопических капель проводилась на двух реакторах-гетероадагуляторах, общий вид одного из них показан на рис. 1. Левая часть фотографии — установка в сборе. Самый верхний правый снимок — дисковая мешалка адагулятора. Самый нижний правый снимок — сетка и сетка, обмотанная углеродной тканью. Установка в сборе содержит реактор, выполненный из нержавеющей стали. Над ним находится электродвигатель с цанговым патроном, фиксирующим центральную ось с дисками, которые видны на верхней части правого снимка. Нижняя часть правого снимка изображает цилиндрическую сетку, вплотную входящую в реактор для гетероадагуляции. На левой части снимка виден электронный прибор для установления частоты вращения дисковой мешалки гетероадагуля-тора и отсчета времени вращения мешалки. Подробнее можно найти информацию в статье [6].
Вид второго реактора отличается только внутренним устройством. Реактор вместо дисковой мешалки содержит двухъярусную лопастную мешалку, а вместо насадки из волокнистых тканей — три отражательных перегородки из полиэтиленовых пластин, обработанных наждачной шкуркой для придания им шероховатости.
Частота вращения мешалки гетероадагулятора всегда была намного ниже частоты вращения ротора диспергатора и составляет 400—2000 мин-1. Применение насадки из волокнистых тканевых материалов, расположенной за металлической сеткой вплотную к стенке реактора-гетероадагулятора, позволяло легко заменять тканевые материалы. Остановка мешалок производилась для отбора пробы и измерения величины поглощения света на фото-электроколориметре КФК. Эти остановки не сказывались на результатах, т.к. время седиментации было намного больше времени гидродинамической гетероадагуляции. Таким образом, методология исследования гидродинамической гетероадагуляции микрокапель ничем не отличается от той, которая подробнее описана в статьях [6, 7].
Легко объяснить и выбор той или иной мешалки. Процесс гетероадагуляции микрокапель при использовании двухъярусной четырехлопастной мешалки описывается кривой с максимумом. В этом случае труднее достичь 100% гетероадагуляции. Необходимо работать на максимуме (рис. 2), который все время смещается влево по мере уменьшения концентрации крупных капель. Происхождение максимума имеет простое объяснение: лопастная
мешалка способствует гидродинамической гетеро-адагуляции только до определенной частоты ее вращения, достигнув которую, она начинает процесс все ускоряющегося редиспергирования. Это приводит к уменьшению степени очистки. Вместе с тем, двухъярусная лопастная мешалка позволяет создавать и поддерживать эмульсию макрокапель при небольших частотах ее вращения, что необходимо в экспериментах по изучению действия макрокапель на микрокапли.
Преимущества дисковой мешалки очевидны: она легко позволяет достичь высоких линейных скоростей без редиспергирования. При этом создаются наиболее оптимальные условия гидродинамической гетероадагуляции (рис. 2).
Важными дополнениями в случае применения дисковой мешалки, введенными в последних работах [6, 7], являются покрытие стенок реактора слоем из углеродной ткани, а также использование электронной схемы привода и остановки мешалок гете-роадагулятора. Выбор ткани из углеродного материала обусловлен причинами, описанными в [6]. Расположение ткани вплотную к стенкам устраняет возможность фильтрации эмульсии сквозь углеродную ткань, что исключает механизм, который действует в фильтрующих патронах и приводит к короткому времени их действия.
Калориметрические измерения скорости диссипации энергии. Калориметрические измерения проводились с целью определения скорости диссипации механической энергии в дьюаре объемом 1 литр путем измерения скорости возрастания температуры в адиабатических условиях. Измерения производились при различных интенсивностях вращения ротора диспергатора, который погружался в дьюар.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ М
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.