Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Удаление микрочастиц и микроорганизмов электрофильтрованием

Значительная часть примесей, загрязняющих воду, находится в коллоидно-дисперсном состоянии. Наиболее распространенным методом выделения дисперсной фазы является коагуляция с последующим отстаиванием и фильтрованием. Метод отличается малой скоростью, громоздкостью оборудования, возможностью загрязнения дисперсной фазы и дисперсионной среды коагулянтами. В ряде случаев (например, при работе с защищенными коллоидами или высокочистыми жидкостями) метод вообще неприемлем.

Между тем известно, что ионообменные смолы задерживают коллоидные частицы и, в частности, микроорганизмы, однако, емкость ионообменных смол по коллоидным частицам невелика. Это объясняется тем, что поглощение коллоидных частиц ионитами происходит благодаря электростатическому взаимодействию противоположно заряженных поверхностей ионита и частицы. Такой механизм взаимодействия обеспечивает образование только монослоев частиц на поверхности ионита. Второй и последующие слои частиц не могут образоваться по тем же причинам, которые обусловливают стабильность коллоидных растворов: слипанию отдельных частиц препятствует электростатическое отталкивание одноименно заряженных двойных электрических слоев. Поэтому ионообменные смолы практически не применяются для улавливания коллоидных частиц. Вместе с тем иониты являются питательной средой для развития разнообразной микрофлоры; после обработки на ионитах в жидкости, как Правило, содержится микроорганизмов больше, чем до обработки. Понятен интерес исследователей к разработке таких методов ионного обмена, которые бы исключали заражение обрабатываемых растворов микрофлорой.

Еще в 1960 г. было замечено, что в электродиализаторах происходит отложение частиц песка и глины. Это дало основание Уилсону сравнить электродиализаторы с электрофильтрами, что принципиально неверно. В газовых электрофильтрах осаждение частиц аэрозоля сопровождается их разрядом. Гидрозоли, попадая на ионообменные материалы, не разряжаются. Поэтому сходство между газовым электрофильтром и электродиализатором чисто внешнее (к сожалению, путаницу вносит само название описываемого процесса — электрофильтрование жидкостей).

В процессе электрофильтрования жидкостей можно выделить две стадии: транспорт дисперсных частиц и их удерживание коллектором. Транспорт дисперсных частиц осуществляется за счет сил электрофореза, электроосмоса и диполофореза.

Во внешнем электрическом поле практически все коллоидные частицы приобретают некоторый наведенный дипольный момент.

Электрическое поле в системе ионит — раствор оказывается неоднородным. Максимум электрического поля всегда локализован между зернами ионитов, причем его положение зависит от соотношения электропроводимости ионита и среды. Попадая в неоднородное электрическое поле, ориентированный по полю диполь начинает двигаться в сторону максимума поля. Диполь, ориентированный против поля в неоднородном электрическом поле, движется в сторону минимума поля. Так как и величина наведенного дипольного момента, и скорость движения постоянного диполя (диполофорез) пропорциональны напряженности электрического поля, в целом эффект диполофореза квадратичен по полю.

Вблизи зерен ионита коллоидные частицы могут транспортироваться за счет электроосмотического потока жидкости через ионообменный материал. Если знаки заряда частиц и противоионов совпадают, электроосмос способствует образованию осадка коллоидных частиц на ионообменном коллекторе. Если же знаки зарядов частиц и противоионов противоположны, электроосмос препятствует осаждению коллоидов. Роль электроосмотического потока особенно велика в непосредственной близости от границы раздела ионит — раствор. Дело в том, что по мере утоньшения пленки жидкости, разделяющей частицы и коллектор, вязкость жидкости возрастает. В связи с этим убывает скорость электрофореза и диполофореза. Непрерывное «отсасывание» высоковязкой пленки внутрь гранулы ионита существенно ускоряет доставку коллоидных частиц к границе раздела ионит—раствор.

Удерживание дисперсных частиц в системе нонит — раствор возможно вследствие образования полислоев осевших частиц на ионите и вследствие их фокусировки в зазорах между зернами. Образование полислоев частиц объясняется тем, что дисперсные частицы в электрическом поле приобретают наведенные дипольные моменты и определенным образом (по полю или против поля) ориентируются по отношению к силовым линиям поля. Таким образом, первый слой частиц удерживается благодаря силам электростатического притяжения противоположно заряженных поверхностей ионита и частицы. Второй и последующий слои удерживаются благодаря диполь — дипольному взаимодействию, возникающему между наведенными диполями дисперсных частиц. При выключении электрического поля наведенные дипольные моменты исчезают, и частицы (кроме локализованных в первом слое) вымываются потоком жидкости. Таким образом осуществляется регенерация ионообменного электрофильтра.

Возможна также диполофоретическая фокусировка дисперсных частиц в узких зазорах между зернами ионита в областях максимума электрического поля. Но она возможна только для частиц, дипольные моменты которых ориентированы по полю, и заряд которых противоположен заряду противоионов ионита.

При сочетании двух условий дисперсные частицы силами диполофореза и электрофореза будут затягиваться в области максимума электрического поля, но осесть на зернах ионита не смогут, так как этому препятствует противоположно направленный электроосмотический поток растворителя. Концентрированию дисперсных частиц в областях максимума электрического поля благоприятствует также то обстоятельство, что эти области являются застойными в гидродинамическом отношении. При выключении электрического поля наведенные дипольные моменты исчезают, и частицы вымываются потоком раствора.

Осаждению дисперсных частиц на ионообменном материале способствует также эффект усиления поля. С принимающей стороны ионита создается слой обедненного по солевым ионам раствора; градиент потенциала в нем растет по мере приближения к границе раздела ионит — раствор. В результате увеличивается скорость электрофореза и диполофореза частиц, дипольные моменты которых ориентированы по полю. В диффузионном слое увеличивается диполь — дипольное взаимодействие как между осевшими слоями частиц, так и между отдельными частицами в растворе. При этом возможно образование агрегатов частиц и их необратимая коагуляция. Если учесть, что скорость диполофореза и дипольное взаимодействие для крупных частиц много больше, чем для мелких, следует ожидать положительного влияния эффекта усиления поля на электрофильтрование.

В то же время эффект усиления поля на границе раздела принимающая сторона ионита — раствор связан с возникновением конвективных потоков жидкости, затрудняющих формирование осадка дисперсных частиц на поверхности ионообменного материала.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики