СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Российский патент 2016 года по МПК C02F1/20 B01D19/00 

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).

Недостатком перечисленных выше способов является то, что они потребляют дополнительные энергоресурсы. А также отсутствуют: инициирующий механизм образования зародышей СаСО₃; 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.

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 (Р₁). После прохождения диафрагмы материальный поток поступал в открытую систему под атмосферным давлением (Р₂). Объемная скорость потока обуславливалась разницей (P₁) и (Р₂), 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».

По результатам проведенных исследований был разработан вероятный механизм, повышающий скорость образования зародышей СаСО₃, основанный на отрицательном знаке заряда поверхности микропузырька и диссоциации HCO₃ ^- на Н⁺ и CO₃ ^2-.

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.

Диапазоны эксперимента: температура T₁=+1…+90°С; давление в системе P₁=2…2,5 атм; периодичность проведения измерений 10 мин.

Результаты представлены в таблице 1.

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 СаСО₃ 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.

Исходя из предположения, что в 1 мл (или 1 см³) содержится 5-7% газа. Тогда объем газа V_г будет составлять

1 мл - 100%,

X мл - 5%, X=V_г=0,05 мл (см³).

Предположим что диаметр d воздушных пузырьков - 100 мкм, или 0,01 см.

Тогда объем шара газового пузыря V_гп $$V_{гп}=\frac{1}{6}\pi d^3=\mathrm{0,000000523}с{м}^3$$ _.

Определим число газовых пузырей n диаметром 0,01 см.

$$n=\frac{V_{г}}{V_{гп}}$$ n_0,01=95602 шт.

Для воздушных пузырьков диаметром d - 50 мкм, или 0,005 см.

$$V_{гп}=\frac{1}{6}\pi d^3=\mathrm{0,00000006542}с{м}^3$$

n_0,005=764292 шт.

Для воздушных пузырьков диаметром d - 10 мкм, или 0,001 см.

$$V_{гп}=\frac{1}{6}\pi d^3=\text{0}\text{,000}\text{.000}{\text{.000523 ñм}}^{\text{3}}$$

n_0,001=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.

Предложен вероятный механизм, повышающий скорость образования зародышей СаСО₃, основанный на отрицательном заряде поверхности микропузырька и диссоциации НСО₃ ^- на Н⁺и СО₃ ^2-.

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.

Изобретение относится к области термодинамики многофазных систем и может быть использовано для получения микродисперсных систем. Растворенные в воде газы в соответствии с законом Генри выделяются из нее при прохождении через отверстия в перегородке в виде пузырьков размером от 5 мкм и более. Определяемая средняя величина электрического потенциала в потоке составляет - 98,8 мВ. Диаметр отверстий в перегородке определяется величиной частиц механических примесей до 300 мкм и составляет 400 мкм. Изобретение позволяет повысить эффективность извлечения растворенного в воде газа. 2 ил., 2 табл.

Способ получения микродисперсных систем, отличающийся тем, растворенные в воде газы в соответствии с законом Генри выделяются из раствора при прохождении через отверстия в перегородке в виде пузырьков с 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 до 300 мкм и составляет 400 мкм.