Экспериментальное исследование дисперсности заряженных частиц в потоке и на поверхности при электростатическом распылении

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

НАУКА. ИННОВАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ, №3, 2016

УДК 05.11.13 Степкина М. Ю. [Stepkina М. Y.],

Кудряшова О. Б. [Kudryashova О. В.], Антонникова A. A. [Antonnikova А. А.]

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ И НА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ РАСПЫЛЕНИИ*

Pilot study of change of dispersion of charged particles in the stream and on the surface at electrostatic dispersion

В работе описано два вида распыления мелкодисперсных порошков: пневматический и электростатический. Оба метода распыления способствуют измельчению агломератов используемого мелкодисперсного порошка на выходе устройства, однако принцип и степень разбиения различны. Проведены экспериментальные исследования, позволяющие оценить изменение дисперсности субмикронных аэрозольных сред как в процессе распыления, так и при осаждении на поверхности. В качестве методов анализа размера частиц в экспериментальных исследованиях использовались оптические измерения с помощью анализатора дисперсности частиц Malvern Spraytec, отслеживающего динамику распыления, а также оптического анализатора Pip 9.0, позволяющего рассматривать параметры распределения и концентрации конденсированной дисперсной фазы вещества, осажденной на поверхности. Результаты представлены в виде счетных функций распределения частиц по размерам для исследуемых веществ.

Ключевые слова: дисперсность, счетная функция распределения, распыление, осаждение, аэрозольные системы.

In work two types of dispersion of fine powders are described: pneumatic and electrostatic. Both methods of dispersion promote crushing of agglomerates of the used fine powder at the device exit, however the principle and extent of splitting are various. The pilot studies allowing to estimate change of dispersion of submicronic aerosol environments both in the course of dispersion are for this purpose conducted, and at sedimentation on a surface. As methods of the analysis of the size of particles in pilot studies optical measurements by means of the analyzer of dispersion of particles Malvern Spraytec, the tracking dispersion dynamic, and also the optical analyzer Pip 9.0 allowing to consider parameters of distribution and concentration of the condensed disperse phase of substance besieged on a surface were used. Results are presented in the form of calculating functions of distribution of particles by the sizes for the studied substances.

Keywords: dispersion, calculating function of distribution, dispersion, sedimentation, aerosol systems.

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант мол_а 1638-00581).

ВВЕДЕНИЕ

В промышленности, современной технике, технологии и

повседневной жизни необходимо учитывать процессы и явления, протекающие с участием аэрозольных систем и порошкообразных материалов. Аэрозольные системы широко применяются для предотвращения чрезвычайных ситуаций (эффективные порошковые составы для тушения пожаров, аэрозолеобразующие составы для воздействия на облака и туманы с целью предотвращения града и т. д.).

Большой практический интерес представляют аэрозоли с характерным размером частиц порядка одного микрометра и менее, причем в ряде задач требуется быстрое (практически, мгновенное) получение таких аэрозолей без изменения физико-химических свойств диспергируемых веществ. Аэрозоль в процессе своего существования претерпевает значительные изменения в части дисперсных и концентрационных характеристик, что обусловлено процессами испарения, коагуляции и осаждение частиц конденсированной фазы. При этом дисперсность аэрозоля зависит от способа его создания.

Цель настоящей работы заключается в исследовании влияния способа создания аэрозоля на его дисперсные характеристики. В качестве исследуемых способов выступают пневматический и электростатический.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В физике аэрозолей важную роль играют параметры, характеризующие совокупность частиц. К ним относятся концентрация частиц, дисперсный состав, а также пространственное распределение этих параметров. Конденсированные частицы в аэрозолях, как правило, полидисперсны, то есть, имеют различные размеры. Дисперсный состав совокупности частиц описывается дифференциальной функцией счётного распределения их по размерам/(£>) [1-3]:

00 о

где р[Ог < 1) < 1)21 - вероятность того, что диаметр частиц лежит в интервале

Условие нормировки: 00

{/(£>>¿0=1 о

Практически любое одномодальное распределение /(/)) можно аппроксимировать четырёхпараметрической формулой (так называемое обобщённое гамма-распределение):

/

где а, ¿>, а, (3 — положительные вещественные числа.

При

где а =--нормирующий множитель; /'- гамма-функция,

Г

Дисперсность образованного аэрозольного облака во многом зависит способа распыления вещества. Одной из основных задач распыления является разбиение агломератов исходного мелкодисперсного порошка, поскольку для большинства задач требуется получить высокую дисперсность продуцируемого аэрозоля [4]. В качестве способов распыления в настоящей работе рассмотрено: пневматическое распыление с помощью инжекторного пескоструйного аппарата (рисунок 1а) и создание аэрозольного облака посредством коронного разряда - электростатичес-

кое распыление (рисунок 16) [5]. В качестве исследуемых веществ выбраны сорбирующие порошки высокой дисперсности (порядка £>=10 мкм): псевдобемит (гидроксид алюминия) и оксид алюминия.

Измерения начальной дисперсности для модельных веществ с помощью выбранных систем распыления проводились с помощью системы измерения дисперсности Malvern Spraytec (рис. 1), позволяющей получать функцию распределения частиц по размерам при любом способе образования аэрозолей и спреев с высокой скоростью воспроизведения [6].

Определение функции распределения при осаждении частиц двухфазной среды на поверхности проводилось с помощью оптического анализатора Pip 9.0. Для измерений функции распределения и концентрации частиц аэрозоля в воздухе применялась установка на основе метода малоуглового рассеяния [1]. Измерения осуществляются с помощью специально разработанного программно-аппаратного комплекса [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведенных измерений установлено, что вид счетной функции распределения частиц по размерам в потоке воздуха, распыленных электростатическим способом, становится с более острым пиком и сосредоточен в области меньшей дисперсности для псевдо-бемита и оксида алюминия (рис. 1).

Далее, при осаждении аэрозольной системы на поверхности дисперсность определяется с помощью оптического анализатора Pip 9.0 в виде функций распределения/ (D), представленных на рисунке 2 Для тех же веществ распределение по поверхности после электростатического нанесения уменьшает средний размер частиц, практически, в два раза. Таким образом, можно предполагать, что электростатический способ распыления приводит к разбиению агломератов частиц, что способствует уменьшению их размеров и увеличению удельной поверхности [5].

Для того чтобы определить изменение размеров при встречном потоке, использовалось два распылителя, направленных друг на друга на одной оси, при этом в первом случае - это два пневмораспылителя, во

а) 1 - при пневматическом распылении;

2 - при электростатическом распылении.

f

35

30

25

20 2

15 1

10

5 Vi

0

10 20 30 40 50 D, мкм

1 - при пневматическом распылении;

2 - при электростатическом распылении.

Рис.1. Функции распределения частиц псевдобемита (а) и окси-

да алюминия (б) в потоке (измерения с помощью Malvern Spray tec).

втором - совмещение иневмо- и электрораспылителя. Измерения дисперсности производились с помощью Ма1 \ crnSpraytcc. Результаты представлены в виде счетных функций распределения частиц по размерам для выбранных веществ на рисунке 3.

Из анализа рисунка 3 можно сделать вывод, что при распылении заряженных частиц в потоке нейтральных максимумих функций распре-

f

35

30

а) 1 - при пневматическом распылении;

2 - при электростатическом распылении.

35 2

30 \

25

20 / \

15 / \

10 / \

5 / V

0 / ^^

2 4 6 D, мкм

5} 1 - при пневматическом распылении;

2 - при электростатическом распылении.

Рис. 2. Функции распределения порошкапсевдобемита (а) и окси-

да алюминия (б) на поверхности подложки, полученные с помощью оптического анализатора Pip 9.0.

деления смещается в сторону более крупных размеров, что объясняется-ускорением процесса коагуляции в результате взаимодействия между частицами с разным зарядом. Так, у частиц псевдобемита (рисунок За, кривая 1) при пневматическом распылении пик кривой функции распределения находится в районе 2 мкм, в то время как при втором виде распыления

f

35

30

а) 1 - при пневматическом распылении;

2 - при электростатическом распылении.

f

35

30

25

15 К1 2

10

5 V

0

20 40 60 80 D, мкм

б>

1 - при пневматическом распылении;

2 - при электростатическом распылении.

Рис. 3. Функции распределения частиц псевдобемита (а) и оксида

алюминия (б) во встречном потоке, полученные с помощью Malvern Spraytec.

(рисунок За, кривая 2) пик кривой функции распределения находится в районе 4 мкм. Примерно та же картина наблюдается и при исследовании второго вещества - оксида алюминия: пик кривой функции распределения на кривой 2 смещен вправо на величину, вдвое большую, чем на кривой 1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

— Электростатическое распыление позволяет увеличить дисперсность частиц (разбить агломераты) как в процессе распыления, так и после осаждения на поверхность.

— Если в условиях распыления электрически заряженные частицы встречаются с потоком электрически нейтральных аэрозольных частиц, это приводит к обратному процессу - коагуляции частиц и увеличению их размеров.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Берснев С.А.Физика атмосферных аэрозолей / С.А. Берснев, В.И. Грязин. Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2008. 227 с.

2. Архипов В.А. Аэрозольные системы и их влияние на жизнедеятельность / В.А. Архипов, У.М. Шереметьева. Томск: ГТПУ, 2007. 136 с.

3. Архипов В. А.Лазерные методы диагностики гетерогенных потоков/В. А. Архипов. Томск, 1987. 139 с.

4. Кудряшова О.Б. Распыление нанопорошков для адсорбции токсичных веществ /О. Б. Кудряшова, М.Ю. Степкина, Н.В. Коровина, A.A. Антонникова, Е.В. Муравлев, A.A. Павленко // Инженерно-физический журнал. Томск, 2015. Т. 88, № 4. С. 808-813.

5. Степкина М.Ю. Исследование взаимодействия частиц модельного порошка сорбента на поверхности при электростатическом нанесении / М.Ю. Степкина, О.Б. Кудряшова // Рабочая группа «Аэрозоли Сибири»: тезисы докладов XXII Рабочей группы «Аэрозоли Сибири». Томск: ИОА СО РАН, 2015. С. 23-24.

6. Ахмадеев И.Р. Метод и быстродействующая лазерная установка для исследования генезиса техногенного аэрозоля по рассеянию луча в контролируемом объеме: дис. ... канд. техн. наук. Бийск, 2008. С. 34-43.