2076

Вода для исследований находилась в баке 5, в дне которого имеется отверстие, из бака 5 насосом 1 раствор по трубопроводу 8 подавался в бак 11, на задней стенке которого имеется переливное устройство, соединенное трубопроводом с баком 5, для поддержания постоянного уровня раствора в баке 11. Из бака 11 исследуемый раствор транспортировался по вертикальному трубопроводу 10 в нижний бак 6, где производился замер объемным способом с помощью рисок на внутренней поверхности бака 6 и пьезометра 13. Кроме того, объемный способ замера дублировался весовым способом, для чего раствор сливался по трубопроводу 12 в сборный бак 3 и взвешивался с последующим сбросом в канализацию 15. Исследуемая вода подавалась по трубопроводу 10, который проходил через магнитное устройство 9 с различными магнитными напряженностями, которые изменялись с помощью регулятора 7 на щите управления 2.

Циркуляция жидкости в системе может осуществляться по замкнутому циклу. Для повторной обработки жидкости предназначалась регулировочная аппаратура 16, которая перебрасывала раствор из бака 6 в бак 5 с последующим забором 1, при этом процесс обработки повторялся.

Конструктивно все указанные емкости, трубопроводы и магнитное устройство размещены на раме 14, обеспечивающей требуемую прочность установки и смонтированной из неметаллических цветных материалов. Подача электроэнергии осуществлялась от электросиловой линии лаборатории и тщательно контролировалась измерительными приборами щита управления 2.

При оценке воздействия магнитного поля на процесс фильтрования исследовались поля с различной напряженностью, создаваемой электромагнитом – магнитным активатором. Схема магнитного активатора представлена на рис.2.3.

Рис.2.3. Магнитный активатор

31

Две обмотки 1 (каждая по 800 витков провода ПЭВ-2 или ПБДЖ диаметром 1,25 мм) расположены на Ш-образном сердечнике 2 с зазором 3. Сердечник выполнен из электротехнической стали Э-320 (толщина пластин 0,5 мм). В зависимости от схемы соединения выводов обмоток (катушек) изменялась сила тока в катушках и величина магнитной индукции в зазоре. При питании электромагнита от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц описанный магнитный активатор позволял получать магнитную индукцию в зазоре (в зависимости от схемы соединений) в интервале 0-3000 Гаусс.

Магнитная индукция (В) связана следующим известным [50] соотношением с напряженностью магнитного поля (Н):

Относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина) для воды и полиметилметакрилита, из которого выполнен трубопровод, проходящий через зазор в сердечнике электромагнита в области рассматриваемых полей (< 3000 Гаусс), незначительно отличается от единицы. Отсюда следует, что если магнитная индукция В выражена в Гауссах, то напряженность, соответствующая данному магнитному полю в указанных средах и выраженная в Эрстедах, количественно (с достаточной степенью приближения) определяется идентичным числом, т.е.

Таким образом, из соотношения (2.2) следует, что напряженность магнитного поля в зазоре магнитного активатора, в зависимости от схемы соединения катушек, лежит в интервале ~ 0-3000 Эрстед.

Габариты электромагнита – 260 335 205 мм, пропускная способность – до 8,0 м-3/ч.

Внешний вид магнитного активатора и пульта управления представлены на рис. 2.4. На пульте управления размещены контрольно-изме- рительные приборы (амперметр – М906 со шкалой от 0 до 50 А и вольтметр 330 со шкалой от 0–250 В и латором РНО250), позволяющие контролировать режим работы электромагнита, а также тумблеры, предназначенные для оперативного изменения схемы соединения выводов и, следовательно, изменения величины магнитного поля в зазоре. В зазоре, имеющем размеры 22 75 мм, располагался выполненный из оргстекла прямоугольный трубопровод, по которому двигалась вода. Внутреннее сечение трубопровода – 10 20 мм, общая длина 1,6 м.

32

На первом этапе были получены сопоставительные данные обработанных и необработанных водных растворов. В процессе опытов применялись малоэнергетические, малоемкие магнитные поля, напряженность которых изменялась в диапазоне (0,1185…2,37) 10 5 А/м (150…3000 Эрстед). Скорость движения жидкости и температура оставались постоянными.

2.2. Разработка методологии контроля за процессом омагничивания технологических вод

Для получения стабильных результатов электромагнитной обработки водных систем требуется непрерывный контроль эффективности действия аппаратов. Контроль осуществляется путем индикации степени магнитной обработки воды и водных систем, которая основана на сравнении тех или иных показателей исходной системы с теми же показателями после ее обработки.

Определить эффект обработки магнитным полем непосредственно в производственных условиях не всегда представляется возможным. Это достигается проведением лабораторных исследований. Однако единой унифицированной методики определения эффекта магнитной обработки не существует.

Известны следующие лабораторные методы индикации процесса, основанные на изменении ряда свойств: размеров и формы кристаллов выделяющихся веществ, угла поляризации света в продольном магнитном поле, времени осаждении порошка магнитита, вязкости, поверхностного натяжения, электропроводности, плотностидругихфизико-химическихсвойств.

Вопрос об характере изменения физико-химических свойств чистой воды после ее обработки магнитным полем в настоящее время является неоднозначными.

Установлено, что в результате «омагничивания» воды уменьшается ее диэлектрическая проницаемость, увеличивается диамагнитная восприимчивость, изменяется экстинкция света, и т.д.

Результаты исследований различных авторов об изменении вязкости, электропроводности и рН воды и водных систем часто не согласуются. Так, согласно магнитная обработка воды, движущейся со скоростью 0,5 м/с приводит, при определенных значениях напряженности магнитного поля, к увеличению вязкости воды на 3-3,5 %. При этом отмечено, что повышение происходит при увеличении напряженности поля до 0,633 105 А/м (800 Эрстед) и затем прекращается. Напротив, в ряде работ отмечается либо уменьшение вязкости при магнитной обработке, либо отсутствие влияния обработки на вязкость воды. Магнитное поле напряженностью 0,79 105 и 1,58 105 А/м (1000 и 2000 Эрстед) не изменяет свойств чистой воды. В тоже время по данным обработка воды как дистиллированной, так и

34

бидистиллированной в близких по напряженности полях, а именно 0,987 105 и 1,501 105 А/м (1250 и 1900рстед), приводит к изменению вязкости воды, двигавшейся со скоростью 0,03 м/с.

Из приведенных данных в целом можно сделать вывод о том, что в большинстве исследований наблюдается изменение (в пределах не более 5 %) вязкости воды при ее обработке в магнитном поле.

При изучении влияния магнитного поля на водные системы часто используется метод электропроводности. Так, авторы работы отмечают, что по их исследованиям электропроводность у намагниченной воды не изменяется; А.И. Евстюхин, Н.П. Федотьев [51], В.И. Миненко с соавторами [52] устанавливают зависимость электропроводности воды от напряженности магнитного поля, причем в последней работе установлена периодичность в изменении электропроводности воды от напряженности магнитного поля. Эти же исследователи обнаружили, что электропроводность под влиянием поля уменьшается тем больше, чем выше жесткость и содержание солей в воде, чем больше воздействие магнитного поля на воду. По данным же работы изменение электропроводности возрастает с увеличением напряженности магнитного поля, а также с повышением содержания солей в воде. Однако во всех опытах изменения электропроводности не превышают 1,3 %.

Многие исследователи указывают на изменение рН у воды и водных растворов солей от напряженности магнитного поля. По данным В.И. Миненко [52] величина рН бидистиллированной воды, выдержанной в течении пяти дней, составляет 6,63, а обработанной – 6,5. При нагревании также сохраняется более высокое значение рН для обработанной воды. У.Ш. Ахмеров [53] приводит данные о влиянии магнитной обработки на величину рН для воды с большим содержанием солей, значения рН для обработанной воды выше по сравнению рН необработанной.

Анализ и неоднозначность приведенных литературных данных служат поводом для проведения исследований, целью которых является разработка методологии контроля за процессом омагничивания технологических вод.

Наиболее простыми методами контроля являются измерения: рН, вязкости, электропроводности. Они доступны, просты, надежны при использовании, дешевы и обеспечивают наибольшую достоверность результатов.

2.2.1.Описание экспериментальных установок

иметодика проведения исследований

Для измерения рН воды и водных растворов смонтирована установка, схема которой показана на рис. 2.5.

35

Для определения активности ионов водорода в воде и водных растворах используется рН-метр миливольтметр рН-673 (2), который подключен к щиту автоматики (1). При измерении электродвижущейся силы, которая зависит от активности ионов в растворе, используются стеклянные электроды, помещенные в сосуд из стекла (3). Данный метод основан на измерении разности потенциалов на границе раздела стеклянный электрод – раствор.

Стеклянный электрод (6) представляет собой трубку с полым шариком

(5) на конце из специального электродного стекла. При погружении последнего в раствор между поверхностью его шарика и раствора происходит обмен ионами, в результате которого ионы лития в поверхностных слоях стекла замещаются ионами водорода, стеклянный электрод приобретает свойства водородного. Для создания электрической цепи при измерении применяются контактные электроды (7, 10). Для защиты от температурных воздействий, вспомогательный электрод (10) помещают вне контролируемого раствора (4) и связь с ним осуществляется с помощью электролитического ключа (9) – трубки с пористой перегородкой (8). Определяют рН исследуемого раствора, измеряя э.д.с. электродной системы с помощью электродного миливольтметра (2), шкала которого градуирована в единицах рН. Максимальная величина погрешности при измерении рН составляет: при диапазоне шкалы измерения от 4 до 9 – ±0,05 %, при минус 1 до +14 – ±0,4 %.

Определение кинематической вязкости воды и водных растворов производится с помощью капиллярных вискозиметров ВПЖ-1.

Кинематическую вязкость вычисляют по среднему (из нескольких опытов) времени истечения жидкости по следующей формуле

где η – кинематическая вязкость, сантистокс;– время истечения жидкости, с;

K – постоянная визкозиметра, сантистокс/с.

При измерении электропроводности применяется мостовая схема (рис. 2.6), где одним из плеч является сосуд с платиновым электродом, параллельного расположения.

Формула для определения электропроводности имеет вид:

где æ – электропроводность, Ом-1 см-1; K1 – сопротивление ячейки, Ом; R – постоянная ячейки, cм-1.

37

Рис. 2.6. Мостовая схема

38

Для получения значения сопротивления R снимаются показания с гальванометра и умножаются на показания шкалы переключения плеча сопротивления, т.е.

где R – определяемое сопротивление, Ом; m – отсчет по шкале реохорда;

Rср – сопротивление плеча сравнения, Ом.

Константу сосуда К рассчитывают, измеряя электропроводность стандартных растворов КС1 (0,1 н; 0,02 н; 0,01 н) и вычисляют по формуле

где K1 – постоянная ячейки, см-1;

æKC1 – удельнаяэлектропроводностьпризаданнойтемпературе, Ом-1 см-1; RKC1 – сопротивление стандартного раствора, Ом.

Максимальная погрешность измерения сопротивления и электропроводности раствора в сосуде на частоте 50 Гц составляет не более ±5 %. Реохордный мост может работать как на переменном, так и на постоянном токе.

Методика измерений физико-химических показателей воды и водноэмульсионных систем состоит в следующем. Исследуемая жидкость заливается в нижний бак (5) установки по схеме рис 2.1. Перед началом обработки электромагнитным полем производится отбор проб из нижнего бака в стеклянную емкость для последующего определения физико-хими- ческих свойств исходной (необработанной) жидкости. Оставшийся раствор насосом (1) перекачивается в верхний бак (11), пропускается через магнитное устройство (9) при заданной напряженности магнитного поля и поступает в бак (6). Обработанный указанным способом раствор далее отбирается небольшими порциями для определения вязкости, электропроводности и рН.

Испытуемая жидкость заливается в чистый вискозиметр до указанных отметок. Вискозиметр устанавливается вертикально в жидкостной термостат так, чтобы уровень термостатирующей жидкости доходил до верха вискозиметра. При температуре опыта выдерживают прибор не менее 15 минут. После чего измеряют время снижения уровня жидкости. Перед началом измерений электропроводности ячейку ополаскивают исследуемым раствором, затем заполняют ячейку до отметки, показывающей предел наполнения. Для опыта необходимо 50 мл обработанной жидкости. Раствор в ячейки термостатируется при температуре t=20 °С в течение 2030 минут, затем измеряется сопротивление R, подключая ячейку к реохордному мосту. Заменив раствор в ячейке, измерения повторяются. Величины сопротивлений совпадают с точностью 3-5 %.

39

Измерение рН воды и водных растворов проводятся следующим образом. Прогревают прибор в течении 3-5 минут. Заменив стакан с дистиллированной водой на исследуемую жидкость (в нерабочем состоянии электроды рН-метра должны быть постоянно погружены в дистиллят), стакан заполняют на 2/3 его части. Зафиксировав температуру раствора, устанавливают ее на температурной шкале рН-метра. Измерения рН как обработанной, так и необработанной жидкости производится в интервале температур t=18-22 °С.

Обычно производится отбор и измерение не менее 7 проб для обработанной магнитным полем заданной напряженности Н дистиллированной воды и 10 проб для обработанного связующего раствора. В это же время определяются физико-химические показатели исходной жидкости. С целью уменьшения влияния возможных систематических ошибок измерения проводятся при различных диаметрах капилляров вискозиметров и на различных ячейках. Ввиду возможного влияния на свойства воды, подвергнутой электромагнитной обработке, временного фактора, а также в связи с зависимостью физико-химических показателей от ее движения, температуры и т.д., описанные методики измерений во всех опытах выдерживались строго постоянными.

2.2.2. Результаты экспериментальных исследований и их анализ

Найденные экспериментальные значения по изменению вязкости, рН и электропроводности воды и водных растворов до и после магнитной обработки.

Из табл. П1-П2 приложения и рис. 2.7 видно, что физико-химические показатели воды без магнитной обработки, т.е. при Н=0 равны: вязкость – 1,046 и 1,124 Сантистокс (первый показатель приведен для дистиллированной воды, второй – для водного раствора связки с дистиллированной водой), электропроводность– 3,51 10-6 и1,56 10-5 Ом-1 см-1, рН– 6,20 и6,66.

Результаты приведенные для дистиллированной воды удовлетворительно совпадают с литературными данными [54], что говорит о достаточной надежности полученных экспериментальных данных при Н=0.

Анализ результатов говорит о том, что эффект влияния магнитной обработки дистиллированной воды на ее вязкость является незначительным, т.е. изменение вязкости не превышает – 1,1 %, в редких случаях – 2,5 %. Только при напряженности магнитного поля Н=0,276 105 А/м (350 Эрстед) изменение вязкости равняется 5,16 %. Но и эта величина сопоставима с результатами по изменению кинематической вязкости, которые близки к пределу чувствительности применяемых вискозиметров. Кроме того, становится ощутимым и такой фактор, как влияние колебаний температуры в течении опыта. Колебания температуры в пределах одного градуса приводят к изменению вязкости на ±1,24 %.

40