Нанотехнологии в биохимии. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 158 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Рисунок – 9. Устройство для получения наночастиц электропроводных материалов: реактор – 1, перфорированное днище – 2, электроды 3 и 4, гранулы – 5, генератор импульсов – 6, магнит – 7, вибрационный механизм – 8, подвижной элемент – 9, патрубок – 10.

Импульсы электрического тока поступают на электроды, установленные в реакторе. В реактор поступает рабочая жидкость. В зонах контакта металлических гранул между собой и с электродами возникают искровые разряды, образующие электроэрозионные промежутки, в которых осуществляется диспергирование металла. В каналах искровых разрядов температура достигает 10 тыс. градусов. При этом за счет электрической эрозии осуществляется образование металлического порошка. Под действием электрических разрядов в жидкой среде развиваются значительные гидродинамические силы и возникают ультразвуковые волны, которые приводят к кавитации и сонолюминесценции. Температура плазмы при сонолюминесценции составляет десятки тысяч градусов. Возникающее при кавитации сверхзвуковое движение порождает мощные ударные волны в жидкости. Эти факторы усиливают интенсивность диспергирования металлических гранул. Снаружи реактора установлен магнит (электромагнит), который охватывает реактор с торцов. Магнит установлен в поперечной

плоскости относительно электродов, а полюса магнита так расположены в смежных, по отношению к приэлектродным, стенках сосуда, что силовые линии магнитного поля направлены горизонтально. Это приводит к тому, что силовые линии магнитного поля направлены поперек линий протекания тока. В результате металлические гранулы находятся в магнитном поле, которое создает внешний магнит или электромагнит, охватыватывающий диэлектрический сосуд с торцов. Во время прохождения импульсов тока через цепочки, образованные металлическими гранулами, н а них действует сила электродинамического взаимодействия, направленная против вектора силы тяжести. Величина силы тем больше, чем больше величина тока, который протекает по токопроводящим цепочкам. Возникающая сила выталкивает из магнитного поля те кусочки металла, которые образуют проводящие цепочки. В результате металлические гранулы, находящиеся в цепочках тока, приобретают ускорение и двигаются вверх, после чего они под действием силы тяжести двигаются вниз, что приводит к возникновению псевдоожиженного кипящего слоя, который напоминает «кипение» металлических гранул в холодной жидкости. За счет случайного характера появления электроэрозионных промежутков между металлическими гранулами сопротивление токопроводящих цепочек изменяется в широких пределах, вплоть до короткого замыкания. При появлении коротких замыканий резко увеличивается величина тока через проводящие цепочки, образованные металлическими гранулами. Это приводит к резкому увеличению силы, которая выталкивает именно те металлические гранулы, которые образуют короткозамкнутые цепочки, что, как следствие, приводит к разрыву цепочек и, соответственно, к устранению коротких замыканий. Поскольку сила, которая выталкивает кусочки вверх, имеет наибольшую величину именно при коротких замыканиях, то она эффективно устраняет возникающие короткие замыкания. В момент разрыва токопроводящих цепочек между гранулами возникают электроэрозионные промежутки, в которых происходит пробой и искровой разряд, что приводит к интенсификации диспергирования металла. Таким образом, короткие замыкания, возникающие хаотически, в итоге не снижают интенсивность диспергирования металла, а, наоборот, приводят к его интенсификации при разрывах токопроводящих цепочек. Металлические гранулы дополнительно перемешиваются потоком

рабочей жидкости, которая двигается снизу вверх сквозь слой кусочков металла для вынесения готового продукта — ультрадисперсного порошка. Это еще больше усиливает эффект «кипящего» слоя. «Кипящий» слой возникает при скорости подачи жидкости выше определенной скорости, достаточной для увлечения жидкостью металлических кусочков, получивших ускорение при электродинамическом взаимодействии. Под днищем реактора расположен вибрационный механизм. На гранулы влияет принудительная механическая вибрация в направлении вектора силы электродинамического взаимодействия, которое также приводит к увеличению интенсивности псевдосжижения. Магнитодинамическое воздействие на слой гранул используется также в устройстве, где с помощью именно этого воздействия в значительной степени решается задача создания практически одинаковых условий электроимпульсного диспергирования металла по всей высоте псевдоожиженного слоя для различного размера гранул.

Устройство (рис. 10) содержит генератор импульсов 1, электроды 2 и 3, подключенные к генератору импульсов, разрядную камеру 4 с гранулами 5, заполненную водой 6. Разрядная камера 4 посредством упругих элементов 8 связан а с основанием

16. В качестве упругих элементов 8 могут быть использованы пружины или упругие прокладки, например, резиновые. На смежных гранях раз рядной камеры 4 установлены элементы из магнитомягкого материала 13. На основании 16 установлены электромагниты 9 и 11 с сердечниками 10 и 12. Электромагниты 9 и 11 имеют управление 15 частотой вибрации. Разрядная камера 4 имеет отверстие 7 для слива жидкости с порошком. При вибрации камеры на поверхности жидкости 6 возникают стоячие волны 14.

Рисунок 10 - Устройство для получения нано- и улътрадисперсного порошка электропроводных материалов: генератор импульсов – 1; электроды – 2 и 3; разрядная камера – 4 с гранулами – 5 и водой – 6; отверстие – 7 для слива жидкости с порошком; упругие элементы – 8; основание – 16; элементы из магнитомягкого материала 13; электромагниты – 9 и 11, управление – 15 частотой вибрации; сердечники – 10 и 12 электромагнитов – 9 и 11; стоячие волны – 14 на поверхности жидкости – 6.

Устройство дополнительно содержит элементы из магнитомягкого материала 13, установленные на смежных гранях разрядной камеры 4, а его вибратор выполнен из двух электромагнитов 9 и 11, которые установлены на основании приблизительно взаимно-ортогонально и сердечники 10 и 12, которые расположены напротив элементов 13 из магнитомягкого материала с зазором к ним. При этом электромагниты 9 и 11 устанавливают так, чтобы их продольные оси были расположены на линии, проходящей через центр тяжести заполненной разрядной камеры 4, а управлением 15 частотой выбрации электромагнитов добиваются появления резонанса и стоячих волн 14 на поверхности жидкости 6. Это повышает производительность устройства и качество получаемого порошка за счет расширения спектра частот механических

колебаний системы, уменьшения механического сопротивления и более эффективной передачи энергии колебаний по цепи «разрядная камера-гранулы».

Показательным примером применения принудительной механической вибрации гранул является устройство для диспергирования металлов, приведенное на рисунке 11. Вибрационный механизм является платформой и основой, соединенными между собой пружинами. На платформе снизу подвешен электродвигатель с эксцентриком. Частотой и амплитудой вибрации управляют путем изменения частоты вращения в ала двигателя и выбором эксцентрика.

Рисунок 11- Устройство для диспергирования металлов: реактор – 1, перфорированное днище – 2, электроды – 3 и 4, гранулы – 5, генератор импульсов – 6, патрубок – 7, виброплатформа – 8, вибратор – 9, упругие элементы – 10, основа – 11, упругие подвески 12 и 13, токопроводы – 14 и 15, блок управления частотой и амплитудой колебаний.

Принудительная механическая вибрация увеличивает псевдосжижение слоя металлических гранул в реакторе, созданное восходящим потоком жидкости, эффективно устраняет возникающие короткие замыкания. Диспергирование гранул осуществляют электрическими импульсами, которые формирует генератор импульсов. Прокачка рабочей жидкости через перфорированное днище и межэлектродную зону реактора создает начальный эффект псевдосжиженного слоя. Для усиления эффекта псевдосжижения слоя металлических гранул используется виброплатформа с установленным под ней вибратором. Виброплатформа установлена на упругих элементах, которые опираются на основу. Центр тяжести вибратора совпадает с центром тяжести виброплатформы с установленным на ней реактором. Это создает условия для вибрации преимущественно вдоль вектора силы тяжести и поперек токопроводящих цепочек, образованных металлическими гранулами.

Колебания вибратора передаются виброплатформе и приводят к вибрации реакторас металлическими гранулами. Управляя частотой колебаний вибратора, добиваются резонанса для системы – виброплатформа, вибратор, реактор с гранулами. В местах контакта металлических гранул одна с одной и с электродами возникают искровые разряды, в которых осуществляется диспергирование металла. Управление амплитудой колебаний вибратора позволяет получить необходимую эффективность псевдосжижения при диспергировании металлов, которые имеют разный удельный вес.

Таким образом, за счет эффективного псевдосжижения создаются практически одинаковые условия электроэрозионного диспергирования металла по всей высоте псевдосжиженного слоя, что обеспечивает необходимый гранулометрический состав получаемого порошка, а за счет уменьшения вероятности коротких замыканий достигается высокая производительность электроэрозионного диспергирования.

1.5.1.19 Получения коллоидных растворов металлов электроимпульсной абля-

цией. Для получения коллоидных растворов металлов электроимпульсной абляцией

разработано также устройство (рис. 12). В данном решении также используются принудительная механическая вибрация слоя гранул, гидродинамическое действие на гранулы за счет кавитации и газодинамическое действие за счет генерации в

искровых разрядах пузырьков газа, наполненных водяной парой. Это позволяет повысить производительность устройства для электроимпульсной абляции и уменьшить размеры наночастиц основной фракции при узком их распределении по размерам. Комплексное воздействие н а слой гранул (механическое, гидродинамическое, газодинамическое) приводит к значительному увеличению средней частоты электрических разрядов в реакторе. При этом средняя частота электрических раз рядов в реакторе может в несколько раз превышать частоту электрических импульсов, поступающих от генератора. Одновременно происходит уменьшение длительности импульсов рабочего тока. Увеличение средней частоты и уменьшение длительности импульсов разрядного тока осуществляется за счет многократного прерывания тока при вибрации гранул в ходе действия импульса разрядного тока генератора. Одновременно уменьшается количество холостых импульсов и уменьшается количество коротких замыканий в слое гранул. Уменьшение длительности импульсов рабочего тока (появление более коротких импульсов тока по сравнению с импульсами от генератора) обусловлено тем, что при появлении искры за счет гидродинамического импульса в искровом промежутке осуществляется разрыв электрической цепи, образованной цепочкой гранул. Все эти явления приводят к изменению гранулометрического состава металлического порошка в сторону увеличения массовой доли мелких наночастиц в коллоидном растворе. Наибольшая эффективность достигается при резонансе системы, включающей в себя реактор, вибрационный механизм с вибратором и гранулы. Вибрационный механизм является платформой и основой, соединенными между собой пружинами. На платформе снизу подвешен электродвигатель с эксцентриком. Частотой и амплитудой вибрации гранул управляют путем изменения частоты вращения вала двигателя и параметрами эксцентрика.

Рисунок 12 – Устройство для получения коллоидных растворов металлов: реактор – 1, входной патрубок – 2, выходный патрубок – 3, электроды – 4 и 5, генератор импульсов – 6, виброплатформа – 7, вибратор – 8, спецфилътратор – 9, входной патрубок –10, выходной патрубок – 11.

Устройство для получения коллоидных растворов металлов работает таким образом. В реактор, изготовленный из диэлектрического материала, загружают металлические гранулы. Электроэрозионное диспергирование гранул осуществляют электрическими импульсами, которые формирует генератор импульсов. При прохождении импульсов тока по цепочкам, образованным металлическими гранулами, между отдельными гранулами и между гранулами и электродами возникают электрические разряды. В каналах электрических разрядов температура достигает нескольких тысяч градусов. Участки поверхности металлических гранул в зонах искровых разрядов плавятся и взрывообразно разрушаются на мельчайшие частицы. Продукты раз рушения попадают в жидкость. В результате в жидкости накапливается взвешенный нанодисперсный металлический порошок и образуется коллоидный раствор металла. С помощью виброплатформы с вибратором осуществляется вибрация гранул. В реактор подают диэлектрическую жидкость, которая выносит из зоны диспергирования

образовавшийся коллоидный раствор и одновременно охлаждает реактор. Используют диэлектрическую жидкость с проводимостью не выше 0,1 мкСм/см, что позволяет исключить шунтирование электрической цепи средой диспергирования и направить всю энергию электрических разрядов на электроэрозию, что повышает производительность устройства. Очистка жидкости осуществляется во время работы устройства специальным фильтратором.

Под действием электрических разрядов в жидкой среде развиваются значительные гидродинамические силы и возникают ультразвуковые волны, которые способствуют более тонкому измельчению металлического порошка и повышению концентрации коллоидного раствора. Для получения структурированных агломератов наночастиц металлов электроимпульсной абляцией разработано устройство (рис. 13). В данном решении также используются принудительная механическая вибрация слоя гранул, гидродинамическое и газодинамическое воздействия н а гранулы. Комплексное воздействие на слой гранул (механическое, гидродинамическое, газодинамическое) приводит к значительному увеличению средней частоты электрических разрядов в реакторе и к уменьшению длительности импульсов тока. При этом средняя частота электрических разрядов в реакторе в несколько раз превышает частоту электрических импульсов, поступающих от генератора.

Это осуществляется за счет многократного прерывания разрядного тока в ходе действия импульса разрядного тока при вибрации гранул, а также за счет уменьшения количества холостых импульсов и уменьшения количества коротких замыканий в слое гранул. Наибольшая эффективность достигается при резонансе системы, включающей реактор, вибрационный механизм с вибратором и гранулы. Вибрационный механизм является платформой и основой, соединенными между собой пружинами. На платформе снизу подвешен электродвигатель с эксцентриком. Частотой и амплитудой вибрации управляют путем изменения частоты вращения вала двигателя и параметрами эксцентрика.

Рисунок 13 – Устройство для получения коллоидных растворов металлов: первый реактор – 1 со входным патрубком – 2 и выходным патрубком – 3 и электродами – анодом – 4 и катодом – 5, соединенными с первым 6 и вторым – 7 выходами генератора импульсов 8; второй реактор – 9 с входным патрубком 10 и выходным патрубком – 11 для прокачки диэлектрической жидкости, и электродами – анодом – 12 и катодом – 13, соединенными с третьим – 14 и четвертым – 15 выходами генератора импульсов 8; виброплатформа 16 с вибратором – 17; смеситель – 18 с выходным патрубком – 21, с первым входным патрубком – 19, соединенным с выходным патрубком 3 первого реактора – 1 и со вторым входным патрубком – 20, соединенным с выходным патрубком – 11 второго реактора – 9.

Диспергирования гранул осуществляют электрическими импульсами, формируемыми генератором импульсов. При этом генератор формирует импульсы разной длительности для электродов первого и второго реактора. Соотношения мощности и длительности импульсов выбирают в зависимости от необходимой дисперсности

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 158 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]