Очистка вентиляционных выбросов
План
1. Властивості аерозолів: вільна енергія поверхні часток, гігроскопічність, здатність до змочування
2. Сили взаємодії часток пилу з поверхнями в полі електричних сил
3. Інерційна сепарація аерозольних часток в прямолінійних потоках
1. Властивості аерозолів: вільна енергія поверхні часток, гігроскопічність, здатність до змочування
Аерозолі і сипкі матеріали (порошки) - системи з газовим дисперсійним середовищем. Аерозолі - це дисперсні системи, в яких частинки дисперсної фази знаходяться в зваженому стані.
Сипкі матеріали можна розглядати як осад аерозолів з твердою дисперсною фазою, тобто як систему Т/Г.
Для аерозолів склалася своя класифікація залежно від агрегатного стану і розмірів частинок дисперсної фази. Ця класифікація приведена в табл. 6.5.1.1. Найпростішими є аерозолі, дисперсна фаза яких складається тільки з твердих частинок або з крапель. Кожний з різновидів аерозольних систем має свою назву. Високо - і середньодисперсні системи типу Т/Г прийнято називати димом, а грубодисперсні - пилом.
Окрім основних, існують менш поширені, але не менш важливі аерозольні системи. В аерозольних рідких (система Т, Г/Г) і твердих (система ж, Г/Г) пенах газовий пухирець оточений плівкою (рідкої і твердої). Рідкі аерозольні піни, в яких газовий пухирець обрамлений рідкою плівкою, застосовують для гасіння пожеж. Попіл і що вивергається вулканами лава складаються з частинок, пори яких заповнені газом. Аерозолі, сформовані з подібних частинок, можна розглядати як тверді піни.
Таблиця 6.5.1.1
Класифікація аерозолів
Дисперсна фаза | Позначення | Назва |
Тверда Рідка Тверда і рідка Піна Газові утворення | Т/Г Ж/Г Т, Ж/Г ЖЕ, Г/Г Т, Г/Г* Г/Г** | Дим, пил Туман, краплі Смог Рідка аерозольна піна Тверда аерозольна піна Клатрати, газові гідрати |
*Утворення такої системи маловірогідно.
Рис. Життя аерозольної системи
Для аерозолів, як і для інших дисперсних систем, характерна агрегативна і седіментація стійкість і нестійкість. В них протікають процеси коагуляції, коалесценції і осідання, що приводить до зміни складу і властивостей цих систем.
Концентрація і розмір частинок дисперсної фази аерозолів весь час змінюються: частинки виникають і зникають, укрупнюються і дробляться на більш дрібні, переміщаються - якась частина частинок аерозольної системи покидають її, що компенсується за рахунок притоки нових частинок (див. мал. 6.5.1.1).
Отримати частинки дисперсної фази аерозолів можливо диспергированием і конденсаційним способом.
Газове середовище аерозолів обусловлює відмінності їх властивостей від властивостей систем з рідким дисперсним середовищем. Одна з цих відмінностей пов'язана з електричним зарядом аерозольних частинок. Електричні заряди виникають в результаті тертя твердих частинок при утворенні аерозолів, при дробленні рідини, адсорбції іонів і унаслідок ряду інших причин.
Електричні властивості аерозолів принципово відрізняються від електричних властивостей золей і суспензій. Для систем типу Т/Ж електричний заряд виникає в результаті взаємодії між частинками дисперсної фази і дисперсійним середовищем. При цьому утворюється подвійний електричний шар, відбувається компенсація заряду частинок, а між частинками, що зближувалися, виникає електростатична сила відштовхування.
Заряд частинок аерозолів не компенсується, є надмірним, частинки можуть мати заряди різного знака (відсутній уніполярність). Частина частинок може мати заряд одного знака, а інша – протилежного, або навіть бути нейтральною.
Агрегативна стійкість аерозолів також в значній мірі обумовлена особливостями газового дисперсійного середовища. Рухливість частинок в газовому середовищі і відсутність електростатичних сил відштовхування призводить до того, що вірогідність e, яка характеризує кінетику коагуляції, рівна або близька до одиниці. Це означає, що процес йде по механізму швидкої коагуляції. В результаті коагуляції частинки укрупнюються і утворюють агрегати (див. рис.6.5.1.1).
Відносно аерозолів, що знаходяться в атмосфері, повною мірою виявляються оптичні властивості дисперсних систем.
В повітрі знаходиться безліч частинок різних розмірів, форм і походження; кожна з них розсіює і поглинає світло. Причому на склад атмосферних аерозолів роблять вплив аерозольні системи, що прийшли з космосу.
Характеризують оптичні властивості не окремих аерозольних частинок, а їх маси. До таких узагальнених характеристик аерозольних систем, що знаходяться в повітрі, відносяться інтенсивність розсіяння світла, коефіцієнт поглинання і оптична густина (екстинкция).
Інтенсивність релеевського розсіяння світла високодисперсними атмосферними аерозолями залежить від показника заломлення дисперсного середовища (повітря) і дисперсної фази. Показник заломлення повітря близький до одиниці, а показник заломлення дисперсної фази атмосферних аерозолів коливається в межах 1,34-1,54. Нижнє значення відноситься до крапель води, а верхнє - до сульфатних частинок.
В'язкість повітря приблизно в 1000 разів менше в'язкості води; тому стійкість седіментації аерозолів нижче, ніж суспензій. Для високодисперсних аерозолів характерний більш інтенсивний броунівський рух і дифузія, ніж для золей.
Для частинок диаметром> 0,5 мкм швидкість броунівського руху не може конкурувати із швидкістю седіментації. Для частинок діаметром менше 0,5 мкм (50 нм) швидкість броунівського руху перевищує швидкість седіментації, що означає встановлення седіментація-дифузійної рівноваги – високодисперсна система стає седіментація-стійкою.
Рис. Сили, що зумовлюють перехід частки в аерозольний стан (пунктир - рух частинок)
В результаті броунівського руху і дифузії високодисперсні частинки придбавають здатність переміщатися у вертикальному і горизонтальному напрямах. Коефіцієнт дифузії в рідкому середовищі може коливатися в межах 10-8-10-10 м2 /с. В повітряному середовищі він має більш високі значення і може досягати 10-6 м2/с, а це означає, що рух високодисперсних частинок одного і того ж розміру в повітрі буде інтенсивнішим, ніж в рідині.
В аерозолях в сильно розрядженій газовій атмосфері, а тим більше в безгазовому просторі відсутній броунівський рух, тобто мимовільний рух частинок під дією кінетичної енергії молекул дисперсійного середовища, і дифузія. Перевести частинки в аерозольний стан можна за допомогою механічних процесів або вибуху, при цьому одночасно може протікати процес диспергирования.
В атмосфері Землі виникнення аерозолів відбувається під дією повітряного потоку.
На частинку (див. мал. 6.5.1.2) з боку повітряного потоку діє аеродинамічна сила, залежна від швидкості цього потоку n і направлена вертикально. Необхідною умовою переходу частинок в повітряне середовище є перевищення горизонтально-направленої аеродинамічної сили Frаэ над сумарною дією сил аутогезій Fаут і ваги частинок P
Frаэ>m(Fаут+P)
де m - коефіцієнт внутрішнього тертя, що враховує різний напрям дії сил.
Якщо сила аутогезій набагато перевищує вагу, то умова спрощується:
Frаэ³mв Fаут
При турбулентній течії переміщення повітря супроводиться інтенсивним перемішуванням, і аеродинамічна сила, діюча на частинку, визначається по формулі:
Frаэ = схrВч(u2/2)
де сх – коефіцієнт опору частинок; r - густина повітря; Вч – площа перетину частинок; u - швидкість повітряного потоку.
Після відриву частинок під дією повітряного потоку виникає вертикальна складова аеродинамічної сили Fаэв. Горизонтально і вертикально направлені сили і обумовлюють перехід частинок в аерозольний стан; рух частинок в цих умовах на мал. 6.5.1.2 показаний пунктиром.
Враховуючи вищевикладене, швидкість повітряного потоку, необхідна для перекладу частинок в аерозольний стан:
У формулі не враховано утворення прикордонного шару, в якому швидкість повітряного потоку зменшується від певного значення до нуля.
Для руйнування аерозолів і уловлювання дисперсної фази застосовують різні методи. Крупні частинки осідають в пилових камерах. Широко застосовуються мокрі уловлювачі – скрубери, в яких частинки змочуються і осідають на дно. Ефективне очищення в електрофільтрах (апаратах Коттреля), в яких генеруються негативно заряджені газові іони і електрони на коронірующем електроді. Негативні іони, рухаючись до позитивного осадительному електроду, віддають частинкам аерозоля свій заряд, які, заряджаючи, починають переміщатися в тому ж напрямі. На позитивному електроді частинки втрачають заряд і осідають. Проте ефективність всіх методів зменшується із збільшенням дисперсності аерозолів, тому для руйнування високодисперсних аерозолів використовують методи попередньої коагуляції. Найбільш ефективний метод уловлювання аерозолів, заснований на конденсації пари рідини (води) в середовищі аерозоля, де частинки аерозоля виступають в ролі центрів конденсації, укрупнюються і коагулюють через конденсацію на них пари води.