RU2597318C2 - Method of producing fine systems - Google Patents

Abstract

FIELD: physics; chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to thermodynamics of multiphase systems and can be used for production of fine systems. Gases dissolved in water according to Henry's law are released therefrom when passing through holes in partition in form of bubbles with size of 5 mcm or more. Determined average value of electric potential in flow is 98.8 mV. Diameter of holes in partition is determined by value of particles of mechanical impurities of up to 300 mcm and is equal to 400 mcm.

EFFECT: higher efficiency of extraction of gas dissolved in water.

1 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области термодинамики многофазных систем.The invention relates to the field of thermodynamics of multiphase systems.

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).A known method of separating hydrogen sulfide from natural water by degassing. In order to simplify the process when removing hydrogen sulfide from the deep layers of natural reservoirs, degassing is carried out by exposure to water by electro-hydraulic shocks (Aut. St. USSR No. 429026, IPC C02F 1/34, publ. 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.The disadvantage of this method is the need to use high voltage from 5 to 100 kV while applying a vacuum of about 0.4 atmosphere. In this case, contact of water and the products (gases) obtained from it with oxygen should be excluded.

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).Also known is a method consisting in its heat treatment by heating in volumetric apparatus to a boiling point (Aut. St. USSR No. 426970, IPC C021F 1/02, publ. 05.05.1974).

Недостатком этого способа является то, что вода подвергается термической обработке, что требует привлечения дополнительных энергоресурсов.The disadvantage of this method is that the water is subjected to heat treatment, which requires the attraction of additional energy.

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).There is a method of degassing a liquid by desorption of gases under the influence of the difference of their partial pressures and increasing the interface between the cavitational mechanical effects on the liquid, while desorption is carried out in the volume of the liquid having a natural free surface, and only a liquid layer within this surface is subjected to cavitation mechanical impact ( RF patent No. 2079435, IPC C02F 1/34, publ. 05.20.1997).

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.The disadvantage of the above methods is that they consume additional energy. And also absent: initiating mechanism of CaCO ₃ nucleation; taking into account the surface area of the interface, the main generating factor of which is the bubble system; there is no analysis of the mass transfer processes described by Henry's law.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности извлечения из жидкости растворенного в ней газа, т.е. дегазация жидкости, и, в частности, воды.The technical result of the invention is to increase the efficiency of extraction from a liquid of gas dissolved in it, i.e. degassing of liquids, and in particular water.

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.The technical result is achieved by the fact that in the method of producing microdispersed systems when a water stream passes through a membrane, gases dissolved in water in accordance with Henry's law are released from the solution when passing through holes in the partition in the form of bubbles with a size of 5 μm or more, and the average electric value determined potential in the stream is - 98.8 mV, the diameter of the holes in the septum is determined by the particle size of mechanical impurities contained in the water, up to 300 microns and is 400 microns.

Так как величина заряда пузырьков не определяет суть заявки, поэтому данная величина не приводится в формуле заявки.Since the value of the bubble charge does not determine the essence of the application, therefore, this value is not given in the application formula.

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.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a diagram of an experimental setup; FIG. 2 - dependence of the number of air bubbles in 1 ml of microbubble fluid on their diameter.

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.The inventive method is implemented in a vertical or horizontal apparatus (Fig. 1), in which the septum-membrane 1 has a living cross section of 5% or more, depending on the physicochemical properties of the liquid phase, and the diameter of the holes starts from 400 microns or more, taking into account the presence particles of the solid phase, in order to avoid clogging of the septum-membrane during operation.

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.In the cross section of the material flow (Fig. 1), a membrane-membrane (1) with a hole size of 400 μm is installed in the casing of installation 2 in order to prevent clogging of these holes. The pressure in the system is determined by the value of the operating pressure of the network (P ₁ ). After passing through the diaphragm, the material flow entered the open system under atmospheric pressure (P ₂ ). The volumetric flow rate was determined by the difference (P ₁ ) and (P ₂ ), as well as the resistance of the membrane-membrane.

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.In this case, the solution of the liquid phase is degassed in accordance with Henry's law, that is, the gas dissolved in the liquid phase, accumulated over tens and hundreds of years, is released into the environment. Micro bubbles 3 are emitted from water.

По ходу эксперимента регистрировались следующие показатели:During the experiment, the following indicators were recorded:

1. Размер выделяемых пузырьков из раствора при прохождении через отверстия в перегородке.1. The size of the emitted bubbles from the solution when passing through holes in the septum.

2. Знак заряда пузырьков.2. The sign of the charge of the bubbles.

3. Разность потенциала между корпусом установки и водным потоком.3. The potential difference between the installation casing and the water flow.

4. Диаметр отверстий в перегородке с целью исключения засорения данных отверстий механическими примесями.4. The diameter of the holes in the partition to prevent clogging of these holes with mechanical impurities.

5. Объемная скорость потока в зависимости от давления водопроводной сети.5. The volumetric flow rate depending on the pressure of the water supply network.

6. Скорость образования кристаллов солей временной жесткости в прошедшем через перегородку-мембрану растворе.6. The rate of formation of crystals of salts of temporary stiffness in the solution passed through the membrane-membrane.

7. Количество микропузырьков на единичный объем жидкой фазы.7. The number of microbubbles per unit volume of the liquid phase.

8. Материал перегородки-мембраны.8. The material of the septum membrane.

9. Химический состав газовой фазы, выделенной из воды, при получении микродисперсных систем.9. The chemical composition of the gas phase extracted from water upon receipt of microdispersed systems.

Электрический потенциал Е в потоке измерялся вольтметром В7-22А.The electric potential E in the flow was measured with a V7-22A voltmeter.

Напряженность электростатического поля измерялась измерителем напряженности электростатического поля ИЭСП-7.The electrostatic field strength was measured with an IESP-7 electrostatic field strength meter.

Е (Э.Д.С.) измерялась прибором: рН-метр-ионометр «Эксперт 001».E (E.D.S.) was measured with an instrument: pH meter-ionometer Expert 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-.The results of the studies were designed probable mechanism that increases the rate of nucleation of CaCO _3, based on the negative sign of the surface charge of the microbubble and dissociation HCO ₃ ^- to H ⁺ and CO ₃ ^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).As a result of the passage of the water flow through the membrane, the impurities dissolved in the electrolyte decayed according to the Gomber dissociation mechanism, pairs of free radicals appeared, the sign of the interaction energy of which with the surrounding molecules is positive (Gomberg M. 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.The composition of the gas obtained by degassing a water stream is significantly different from the composition of air, as evidenced by chromatographic analysis. The composition of the gas obtained after degassing and reference data on the composition of the ambient air are shown in table 1.

Диапазоны эксперимента: температура T₁=+1…+90°С; давление в системе P₁=2…2,5 атм; периодичность проведения измерений 10 мин.The ranges of the experiment: temperature T ₁ = + 1 ... + 90 ° C; system pressure P ₁ = 2 ... 2.5 atm; frequency of measurements 10 min.

Результаты представлены в таблице 1.The results are presented in table 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.It was found that a gas microbubble, in contrast to a gas bubble surrounded by water with dipoles on its surface, has a negative charge in our case, which significantly changes the mechanism of formation of CaCO ₃ micronuclei on the surface of a microbubble in a liquid-gas system.

Электрические показатели водного потока после прохождения через мембрану представлены в таблице 2.The electrical indicators of the water flow after passing through the membrane are presented in table 2.

Согласно экспериментальным данным имеем объем газовой фазы в воде 5-7% об.According to experimental data, we have the volume of the gas phase in water 5-7% vol.

Исходя из предположения, что в 1 мл (или 1 см³) содержится 5-7% газа. Тогда объем газа V_г будет составлятьBased on the assumption that 1 ml (or 1 cm ³ ) contains 5-7% of gas. Then the volume of gas V _g will be

1 мл - 100%,1 ml - 100%

X мл - 5%, X=V_г=0,05 мл (см³).X ml - 5%, X = V _g = 0.05 ml (cm ³ ).

Предположим что диаметр d воздушных пузырьков - 100 мкм, или 0,01 см.Assume that the diameter d of the air bubbles is 100 μm, or 0.01 cm.

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

_. Then the volume of the ball of the gas bubble is V _gp $$V_{gP}=\frac{\mathrm{one}}{6}\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="\pi \; d"\; filenames="00000007.png"\; state="\{\{state\}\}">\pi \; </figure-callout>}{d}^{}{}^3=0.000000523\mathrm{from}{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="m"\; filenames="00000007.png"\; state="\{\{state\}\}">m</figure-callout>}}^3$$

_.

Определим число газовых пузырей n диаметром 0,01 см.We determine the number of gas bubbles n with a diameter of 0.01 cm.

$$n=\frac{V_{г}}{V_{гп}}$$

n_0,01=95602 шт. $$n=\frac{V_g}{V_{gP}}$$

n _0.01 = 95602 pcs.

Для воздушных пузырьков диаметром d - 50 мкм, или 0,005 см.For air bubbles with a diameter of d - 50 microns, or 0.005 cm.

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

$$V_{gP}=\frac{\mathrm{one}}{6}\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="\pi \; d"\; filenames="00000007.png"\; state="\{\{state\}\}">\pi \; </figure-callout>}{d}^{}{}^3=0.00000006542\mathrm{from}{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="m"\; filenames="00000007.png"\; state="\{\{state\}\}">m</figure-callout>}}^3$$

n_0,005=764292 шт.n _0.005 = 764292 pcs.

Для воздушных пузырьков диаметром d - 10 мкм, или 0,001 см.For air bubbles with a diameter of d - 10 microns, or 0.001 cm.

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

$$V_{gP}=\frac{\mathrm{one}}{6}\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="\pi \; d"\; filenames="00000007.png"\; state="\{\{state\}\}">\pi \; </figure-callout>}{d}^{}{}^3=\text{0}\text{000}\text{.000}{\text{.000523 <figure-callout id="3" label="cm" filenames="00000007.png" state="{{state}}">cm</figure-callout>}}^{\text{3}}$$

n_0,001=95602294 шт.n _0.001 = 95602294 pcs.

На фиг. 2 представлена зависимость количества воздушных пузырьков в 1 мл жидкости от их диаметра.In FIG. 2 shows the dependence of the number of air bubbles in 1 ml of liquid on their diameter.

Количество микропузырьков составляло от 5 до 8% от объема жидкой фазы.The number of microbubbles ranged from 5 to 8% of the volume of the liquid phase.

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).The use of materials: organic - fluoroplast-4, kapron and inorganic - brass and stainless steel (the materials selected because they do not corrode, do not change the size of the holes) as the material of the partition-membrane.

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.The flow rate, depending on the pressure of the water supply network, at 252 kPa, was 20 m / s in one hole, and the Reynolds criterion value increased from 1400 to 3430.

Предложен вероятный механизм, повышающий скорость образования зародышей СаСО₃, основанный на отрицательном заряде поверхности микропузырька и диссоциации НСО₃ ^- на Н⁺и СО₃ ^2-.A probable mechanism is proposed that increases the rate of CaCO ₃ nucleation, based on the negative charge of the surface of the microbubble and the dissociation of HCO ₃ ^— on H ⁺ and CO ₃ ^2– .

За счет увеличения площади поверхности контакта фаз скорость образования кристаллов солей временной жесткости повышалась в 1,4 раза.Due to the increase in the surface area of the contact of phases, the rate of formation of crystals of salts of temporary hardness increased by 1.4 times.

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.Under the influence of a magnetic field, from 1.2 to 1.5 Tesla, the deviation of the microbubbles of the gas phase increased in the direction of the magnet attached to the glass beaker, which confirmed, based on the Lorentz law, the negative charge on the surface of the microbubble.

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.The chemical composition of the gas phase isolated from water was changed upon receipt of microdispersed systems, in contrast to the known composition in the reference literature: nitrogen rises from 78.0% to 81.2%; oxygen decreases from 20.9% to 15.9%. This is observed as a result of a general increase in the volume of emitted gases, as well as during its redistribution among the components.

Claims (1)

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. A method of producing microdispersed systems, characterized in that gases dissolved in water in accordance with Henry's law are released from the solution when passing through holes in the partition in the form of bubbles with a size of 5 microns or more, and the determined average electric potential in the stream is 98.8 mV, the diameter of the holes in the partition is determined by the particle size of mechanical impurities up to 300 microns and is 400 microns.

Images