СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
METHOD OF PRODUCING FINE SYSTEMS

Изобретение относится к области термодинамики многофазных систем.
Известен способ выделения сероводорода из природных вод путем дегазации. С целью упрощения процесса при извлечении сероводорода из глубинных слоев естественных водоемов, дегазацию ведут путем воздействия на воду электрогидравлическими ударами (Авт. св. СССР №429026, МПК C02F 1/34, опубл. 25.05.1974).
Недостатком этого способа является потребность использования высокого напряжения от 5 до 100 кВ с одновременным наложением разряжения порядка 0,4 атмосферы. При этом должен быть исключен контакт воды и получаемых из нее продуктов (газов) с кислородом воздуха.
Также известен способ, заключающийся в ее термической обработке путем нагрева в объемных аппаратах до температуры кипения (Авт. св. СССР №426970, МПК C021F 1/02, опубл. 05.05.1974).
Недостатком этого способа является то, что вода подвергается термической обработке, что требует привлечения дополнительных энергоресурсов.
Известен способ дегазации жидкости путем десорбции газов под действием разности их парциальных давлений и увеличения поверхности раздела фаз кавитационным механическим воздействием на жидкость, при этом десорбцию осуществляют в объеме жидкости, имеющей естественную свободную поверхность, а кавитационному механическому воздействию подвергают только слой жидкости в пределах этой поверхности (Патент РФ №2079435, МПК C02F 1/34, опубл. 20.05.1997).
3
Недостатком перечисленных выше способов является то, что они потребляют дополнительные энергоресурсы. А также отсутствуют: инициирующий механизм образования зародышей СаСО; учет площади поверхности раздела фаз, основным образующим фактором которого является пузырьковая система; отсутствует анализ массообменных процессов, описываемых законом Генри.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности извлечения из жидкости растворенного в ней газа, т.е. дегазация жидкости, и, в частности, воды.
Технический результат достигается тем, что в способе получения микродисперсных систем при прохождении водного потока через мембрану растворенные в воде газы в соответствии с законом Генри выделяются из раствора при прохождении через отверстия в перегородке в виде пузырьков размером от 5 мкм и более, а определяемая средняя величина электрического потенциала в потоке составляет - 98,8 мВ, диаметр отверстий в перегородке определяется величиной частиц механических примесей, содержащихся в воде, до 300 мкм и составляет 400 мкм.
Так как величина заряда пузырьков не определяет суть заявки, поэтому данная величина не приводится в формуле заявки.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема экспериментальной установки, на фиг. 2 - зависимость количества воздушных пузырьков в 1 мл микропузырьковой жидкости от их диаметра.
Заявляемый способ реализуется в вертикальном или горизонтальном аппарате (фиг. 1), в котором перегородка-мембрана 1 имеет живое сечение от 5% и выше в зависимости от физико-химических свойств жидкой фазы, а диаметр отверстий начинается с 400 мкм и более с учетом наличия частичек твердой фазы, во избежание засорения перегородки-мембраны в процессе эксплуатации.
1
2
1
2
В поперечном сечении материального потока (фиг. 1) устанавливают перегородку-мембрану (1) с размером отверстий 400 мкм в корпус установки 2 с целью исключения засорения данных отверстий. Давление в системе обуславливается величиной рабочего давления сети (Р). После прохождения диафрагмы материальный поток поступал в открытую систему под атмосферным давлением (Р). Объемная скорость потока обуславливалась разницей (P) и (Р), а также сопротивлением перегородки-мембраны.
При этом происходит дегазация раствора жидкой фазы в соответствии с законом Генри, то есть растворенный в жидкой фазе газ, накопленный за десятки и сотни лет, высвобождается в окружающую среду. Из воды выделяются микропузырьки 3.
По ходу эксперимента регистрировались следующие показатели:
1. Размер выделяемых пузырьков из раствора при прохождении через отверстия в перегородке.
2. Знак заряда пузырьков.
3. Разность потенциала между корпусом установки и водным потоком.
4. Диаметр отверстий в перегородке с целью исключения засорения данных отверстий механическими примесями.
5. Объемная скорость потока в зависимости от давления водопроводной сети.
6. Скорость образования кристаллов солей временной жесткости в прошедшем через перегородку-мембрану растворе.
7. Количество микропузырьков на единичный объем жидкой фазы.
8. Материал перегородки-мембраны.
9. Химический состав газовой фазы, выделенной из воды, при получении микродисперсных систем.
Электрический потенциал Е в потоке измерялся вольтметром В7-22А.
Напряженность электростатического поля измерялась измерителем напряженности электростатического поля ИЭСП-7.
Е (Э.Д.С.) измерялась прибором: рН-метр-ионометр «Эксперт 001».
3
3
3
-
+
2-
По результатам проведенных исследований был разработан вероятный механизм, повышающий скорость образования зародышей СаСО, основанный на отрицательном знаке заряда поверхности микропузырька и диссоциации HCO  на Н и CO .
В результате прохождения водного потока через мембрану примеси, растворенные в электролите, распадались по механизму Гомберовской диссоциации, возникали пары свободных радикалов, знак энергии взаимодействия которых с окружающими молекулами положителен (Gomberg М. Ueber die Darstellung dess Triphenyl-chlor-metanes. // Ber. Dt. Chem. Ges. - 1900, p. 3144-3149, Bargon J., Fischer H., Johnsen U. Kernresonans-Emissionslinien waehrend rascher Radikal - reaktionen. 1 Aufnahmeverfahren und Beispiele. - «Z. Naturforsch», 1967, Bd. 22a, S. 1551-1556).
Состав газа, полученного при дегазировании водного потока, значительно отличается от состава воздуха, что подтверждается хроматографическим анализом. Состав газа полученного после дегазации и справочные данные по составу окружающего воздуха приведены в таблице 1.
1
1
Диапазоны эксперимента: температура T=+1…+90°С; давление в системе P=2…2,5 атм; периодичность проведения измерений 10 мин.
Результаты представлены в таблице 1.
3
Было установлено, что газовый микропузырек в отличие от газового пузыря, окруженного водой с диполями на его поверхности, в нашем случае имеет отрицательный заряд, что существенно меняет механизм образования микрозародышей СаСО на поверхности микропузырька в системе жидкость - газ.
Электрические показатели водного потока после прохождения через мембрану представлены в таблице 2.
Согласно экспериментальным данным имеем объем газовой фазы в воде 5-7% об.
3
г
Исходя из предположения, что в 1 мл (или 1 см) содержится 5-7% газа. Тогда объем газа V будет составлять
1 мл - 100%,
г
3
X мл - 5%, X=V=0,05 мл (см).
Предположим что диаметр d воздушных пузырьков - 100 мкм, или 0,01 см.
гп
.
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>г</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>6</mn></mfrac><mi>π</mi><msup><mi>d</mi><mn>3</mn></msup><mo>=</mo><mn>0,000000523</mn><mtext> </mtext><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow>
Тогда объем шара газового пузыря V
Определим число газовых пузырей n диаметром 0,01 см.
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>г</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>г</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
0,01
n=95602 шт.
Для воздушных пузырьков диаметром d - 50 мкм, или 0,005 см.
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>г</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>6</mn></mfrac><mi>π</mi><msup><mi>d</mi><mn>3</mn></msup><mo>=</mo><mn>0,00000006542</mn><mtext> </mtext><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow>
0,005
n=764292 шт.
Для воздушных пузырьков диаметром d - 10 мкм, или 0,001 см.
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>г</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>6</mn></mfrac><mi>π</mi><msup><mi>d</mi><mn>3</mn></msup><mo>=</mo><mtext>0</mtext><mtext>,000</mtext><mtext>.000</mtext><msup><mrow><mtext>.000523 ñм</mtext></mrow><mtext>3</mtext></msup></mrow>
0,001
n=95602294 шт.
На фиг. 2 представлена зависимость количества воздушных пузырьков в 1 мл жидкости от их диаметра.
Количество микропузырьков составляло от 5 до 8% от объема жидкой фазы.
В качестве материала перегородки-мембраны определяющим являлось использование материалов: органических - фторопласт-4, капрона и неорганических - латунь и нержавеющая сталь (данные материалы выбраны, т.к. они не подвергаются коррозии, не изменяются размеры отверстий).
Скорость потока, в зависимости от давления водопроводной сети, при 252 кПа, составила в одном отверстии - 20 м/с, а значения критерия Рейнольдса повышалось от 1400 до 3430.
3
3
3
-
+
2-
Предложен вероятный механизм, повышающий скорость образования зародышей СаСО, основанный на отрицательном заряде поверхности микропузырька и диссоциации НСО  на Ни СО .
За счет увеличения площади поверхности контакта фаз скорость образования кристаллов солей временной жесткости повышалась в 1,4 раза.
Под действием магнитного поля от 1,2 до 1,5 Тесла повышалось отклонение микропузырьков газовой фазы в направлении магнита, приставленного к стеклянному стакану, что подтверждало, исходя из закона Лоренца, отрицательный заряд поверхности микропузырька.
Изменялся химический состав газовой фазы, выделенный из воды, при получении микродисперсных систем, в отличие от известного состава по справочной литературе: азот повышается от 78,0% до 81,2%; кислород снижается от 20,9% до 15,9%. Это наблюдается в результате общего увеличения объема выделяемых газов, так и при перераспределении его по компонентам.