Исследования однополярной и биполярной электроосмотических пропиток

УДК 630.532.5 В.И. Патякин, В.А. Соколова

ИССЛЕДОВАНИЯ ОДНОПОЛЯРНОЙ И БИПОЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКИХ ПРОПИТОК

В статье приведены результаты исследований однополярной и биполярной электроосмотических пропиток, проведенных в лаборатории Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии. Сделаны выводы, которые представляют практический интерес для специалистов.

Ключевые слова: сушка, обезвоживание, пропитка, электроды, электроосмос.

V.I. Patyakin, V.A. Sokolova RESEARCH OF THE UNIPOLAR AND BIPOLAR ELECTROOSMOTIC IMPREGNATIONS

The results of the unipolar and bipolar electroosmotic impregnation research conducted in the laboratories of St.-Petersburg State Timber Academy are given in the article. The conclusions which are of practical interest for the experts are drawn.

Key words: drying, dewatering, impregnation, electrodes, electroosmosis.

Электроосмос как явление движения воды относительно твердого скелета капилляра от анода к катоду известно давно. При движении жидкости по древесным капиллярам область анода быстро обезвоживается и процесс прекращается при высокой средней влажности древесины.

Биполярное истечение жидкости, заполняющей поровое пространство гетерокапиллярных систем, может происходить при создании по их длине областей с различными знаками электрокинетического потенциала. Изменение знака электрокинетического потенциала по длине диафрагм достигается в результате создания неравновесной концентрации продуктов электрохимических реакций, происходящих на электродах. Процесс биполярного истечения может наблюдаться только при применении определенных материалов в качестве электродов.

В данном направлении в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова были проведены экспериментальные исследования. Экспериментальная установка для исследований процессов электрокинетической пропитки состоит из источника питания, измерительных приборов и устройств крепления бревен и модельных диафрагм (рис.). Источник питания предназначен для получения постоянного напряжения, регулируемого в пределах от 0 до 2500 В. Блок питания представляет собой выпрямитель, выполненный по мостовой схеме, и состоит из автотрансформатора АТР-1, предназначенного для регулирования напряжения на первичной обмотке трансформатора Тр-1, со вторичной обмотки которого напряжение подавалось на мостовую схему, выполненную из полупроводниковых кремниевых диодов типа КТ203Д, включенных по пять штук последовательно в каждое плечо моста. Выходное напряжение и ток, проходящие через образцы, контролировались при помощи стрелочных измерительных приборов. Устройство для крепления бревен представляет собой конструкцию, выполненную из стального уголка, на которой размещаются узлы крепления образцов и электродов. Образец закрепляется в установке на двух подставках, выполненных из изоляционного материала, высота которых регулируется при помощи винтов, что позволяет ориентировать образец в горизонтальном положении. Электроды крепятся к образцу с помощью пружинных контактов. Сбор истекавшей жидкости производится в колбы, установленные непосредственно у торцевых частей образцов.

В состав установки для обезвоживания древесины входит высоковольтный источник постоянного тока. Конструктивно источник выполнен в виде модульной конструкции, каждый модуль размером 600x600x550 мм содержит определенные части электрической схемы.

В нижнем модуле размещен 3-фазный высоковольтный трансформатор. В верхнем модуле расположены элементы защиты, коммутации и измерения выходных параметров.

Вестник^КрасТЛУ. 2011. №6

220

мА

7

7

Схема экспериментальной установки: 1 - регулятор переменного напряжения; 2 - трансформатор; 3 - выпрямитель; 4 - миллиамперметр; 5 - вольтметр; 6 - электроды; 7 - сборники вытекающей

жидкости; 8 - исследуемый образец

Электрическая схема источника питания разрабатывалась исходя из требования получения постоянного напряжения с коэффициентом пульсации не более 8 %.

Исходя из возможностей экспериментальной установки был ограничен верхний предел мощности, равный 10 кВт. В связи с этим был выбран 3-фазный трансформатор типа 4.457.010. Для защиты от возможных аварийных состояний был выбран автоматический выключатель типа АЕ 2046 на номинальный ток 31,5 А, что позволяет работать с небольшой перегрузкой некоторое время, после чего происходит автоматическое выключение. Для проведения более детального исследования процесса электрокинетического обезвоживания древесины был подключен светолучевой осциллограф.

В данном источнике применен ступенчатый способ регулирования выходного напряжения. Выходное напряжение регулируется от 625 до 5000 В с шагом 625 В. В качестве выпрямляющих диодов были выбраны лавинные диоды типа ВЛ-10-12 с обратным напряжением 1200 В.

Для биполярной пропитки древесины был разработан специальный бандаж, позволяющий подводить краситель в область, где происходит изменение знака ^-потенциала - изоэлектрическая точка. В качестве электродов использовались металлы ПМУ группы периодической таблицы Д.И. Менделеева в виде пластин.

По окончании экспериментов по выяснению возможности создания биполярного истечения жидкости, заполняющей ее поровое пространство, с целью интенсификации процесса осушки древесины и одновременного с процессом осушки экстрагирования веществ, находящихся в поровом пространстве образцов, и исследованию влияния материала, из которого изготовлялся анод на характер истечения жидкости из поро-вого пространства диафрагмы при наложении на нее внешнего постоянного электрического поля были получены следующие результаты.

При применении в качестве анодов меди, углерода, нержавеющей стали, железоникелевых сплавов перенос жидкости к положительному полюсу источника тока не наблюдался. Эксперименты с перечисленными материалами, применявшимися в качестве анода, были проведены на диафрагмах, изготовленных из древесины ели, сосны, березы и осины. Истечение жидкости в описываемых экспериментах было однонаправленное - только к отрицательному полюсу источника тока. После прекращения процесса истечения жидкости распределение влажности по длине диафрагмы было неравномерным. Содержание жидкости по длине образца нарастало по направлению от анода к катоду.

После некоторого нарастания тока от величины, соответствующей первоначальной проводимости образца, до некоторого максимального значения происходило резкое его уменьшение до практически нулевого значения. При этом истечение жидкости прекратилось. Средняя влажность образца составила 70 %.

8

Прекращение процесса истечения жидкости при применении перечисленных выше материалов в качестве анода с высыханием части диафрагмы, прилегающей к положительному полюсу источника тока, объясняется оттоком жидкости, обусловленного явлением электроосмоса к отрицательному полюсу источника. Обезвоженная часть диафрагмы ввиду большой величины электрического сопротивления сухой древесины практически не проводит электрический ток, следовательно, в диафрагме прекращается и процесс электро-осмотического переноса жидкости к катоду.

Аналогичное распределение влажности по длине диафрагмы наблюдалось и при исследовании истечения из порового пространства древесины березы, сосны и осины, если в качестве электродов применялись указанные выше материалы.

Когда в прианодную зону подводят жидкость, происходит непрерывный процесс движения жидкости от анода к катоду.

При применении металлических анодов, выполненных из титана, алюминия, свинца, олова, а также сплавов, содержащих эти металлы, наблюдалось биполярное истечение жидкости из порового пространства диафрагм.

Среднее значение конечной влажности образцов в случае биполярного истечения составило 30 %. Было отмечено, что для прохождения тока через образец потребовалось значительно более длительное время, чем при однонаправленном переносе жидкости, имеющем место при применении медного анода. Это объясняется наличием двух составляющих переноса, направленных к положительному и отрицательному полюсу источника тока, которые препятствуют быстрому высыханию части диафрагмы, прилегающей к аноду.

Для организации непрерывного биполярного процесса течения жидкости в серединную часть образца подводилась жидкость. Плотность тока, проходящего через диафрагму, с течением времени изменяется и имеет нелинейный характер. Нарастание величины электрического тока через древесные диафрагмы со временем как в случае однонаправленного, так и биполярного истечения жидкости, свидетельствует об увеличении числа носителей в поровом пространстве диафрагмы. Можно сделать вывод, что жидкость в процессе ее эксплуатации движется не по всем капиллярам, а только по некоторым из них, заполнение которых остается постоянным.

При биполярном электроосмосе наблюдается различие в соотношении количеств жидкости, истекавшей из прианодного и прикатодного пространств диафрагм, изготовленных из древесины при применении в качестве анодов различных материалов. Для определения степени эффективности применения в качестве анода того или иного материала были проведены серии экспериментов на идентичных образцах с применением в качестве катода олова. Проведенные исследования показали, что влияние материала катода при применении в качестве его алюминия, меди, нержавеющей стали, титана, олова, углерода и ряда других материалов при применении алюминиевого, оловянного и медного анода на характер истечения жидкости заметного влияния не оказало.

Как и в случае оловянного катода, при применении перечисленных катодов наблюдалось биполярное истечение жидкости для случаев оловянного и алюминиевого анода, и только катодное истечение жидкости при применении медного анода.

Выводы

1. При однополярном течении жидкости в случае, когда в качестве анода применяется медь, а в качестве катода, например, олово, процесс быстро прекращается. В результате прианодная область быстро обсыхает, сила тока при этом снижается из-за роста сопротивления среды.

2. В случае подпитки анода влажность древесины по длине образца становится практически постоянной, что позволяет производить пропитку.

3. Величина электрического тока от времени практически не изменяется и процесс стабилизируется.

4. Установлено, что в случае подпитки процесса биполярного истечения путем установки бандажа в область изоэлектрической точки происходит биполярная пропитка. При этом истечение жидкости, увлекаемой ионами, происходит на оба электрода и скорость увеличивается.

5. В процессе биполярной пропитки плотность тока растет по времени от напряженности.

6. В случае биполярного течения жидкости сила тока по времени растет как при обезвоживании, так и при пропитке. При этом происходит рост плотности тока от напряженности и времени процесса.