- •Учебно-методические разработки для самостоятельной работы студентов по курсу «Теоретические основы защиты окружающей среды»
- •Часть I
- •Обезвоживание и методы очистки сточных вод
- •Введение
- •Глава 1. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии как функции обесценивания энергии и стремления системы к хаосу
- •1.1 Понятие «энтропия». Принцип существования и возрастания энтропии
- •1.2. Энергоэнтропийная концепция аварийности и травматизма
- •1.3. Воздействие промышленного производства на природу. Ресурсосберегающая технология. Материальный баланс производства
- •1.4. Классификация основных процессов
- •1.5. Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов
- •1.5.1. Материальный баланс
- •1.5.2. Энергетический баланс
- •1.5.3. Интенсивность процессов и аппаратов
- •1.5.4. Определение основных размеров аппаратов
- •1.5.5. Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Классификация двухфазных систем
- •2.1. Методы обезвоживания
- •2.2. Формы связи воды с твердым телом. Энергия связи различных форм воды с твердым телом
- •2.3. Влагоудерживающая способность твердых тел. Влияние основных факторов на степень обезвоживания
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Отделение жидкости под действием механических методов
- •3.1. Обезвоживание кускового материала дренированием
- •3.1.1. Гидродинамика течения жидкости под влиянием собственного веса в порах осадка
- •3.2. Отстаивание под действием силы тяжести
- •3.2.1. Основные понятия. Классификация суспензий
- •3.2.2. Способы выражения и расчета концентрации твердого в пульпе
- •3.2.3. Исследование скорости расслоения суспензий I-го и II-го классов методом длинной трубки
- •3.2.4. Качественное описание процесса расслоения суспензий III и IV классов
- •3.2.5. Расчет удельной поверхности сгущения по методу Коу и Клевенжера
- •3.2.6. Расчет удельной поверхности по методу Кинча
- •3.2.7. Определение высоты сгустителя
- •3.2.8. Пример расчета сгустителя по методу Кинча
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4. Применение центробежной силы при обезвоживании
- •4.1. Основные понятия
- •4.2. Особенности применения гидроциклонов для обезвоживания
- •Порядок расчета гидроциклона.
- •4.3. Особенности применения центрифуг для сгущения суспензий
- •4.4. Основные закономерности разделения суспензий в осадительных центрифугах. Индекс производительности
- •4.5. Физические основы разделения суспензий в фильтрующих центрифугах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Фильтрование
- •5.1. Основные понятия. Классификация
- •5.2. Физические основы фильтрации с образованием осадка. Гидродинамика течения жидкости через пористые и зернистые слои
- •5.3. Основное уравнение фильтрации
- •5.4. Определение оптимальных условий работы фильтров. Экономически выгодный цикл фильтрации
- •5.5. Применение уравнения фильтрации. Определение удельного сопротивления осадка и его сжимаемости
- •5.6. Фильтровальные перегородки
- •5.7. Конструкции фильтров. Периодически и непрерывно действующие. Классификация. Фильтры, работающие под давлением. Вакуум-фильтры. Способы снятия осадка
- •5.8. Выбор и расчет фильтров
- •5.9. Схемы подсоединения вакуум-фильтров
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Агрегирование
- •6.1. Теория процесса агрегирования. Механизмы встреч частиц друг с другом. Понятие о расклинивающем давлении Теория процесса агрегации
- •Два механизма соударения или встречи частиц
- •6.2. Три слагающие поверхностных сил (расклинивающего давления). Двучленный закон взаимодействия
- •6.3. Силы Ван-дер-Ваальса. Слагающие сил Ван-дер-Ваальса. Ван-дер-ваальсово взаимодействие между молекулами и конденсированными фазами Силы Ван-дер-Ваальса
- •Электромагнитная теория взаимодействия конденсированных фаз
- •6.4. Природа ионно-электростатических сил. Закономерность изменения их вглубь раствора
- •6.5. Гидратационная слагаемая поверхностных сил (расклинивающего давления)
- •6.6. Три механизма агрегирования: коагуляция, флокуляция, мостиковая флокуляция
- •6.7. Основные принципы селективной агрегации частиц
- •6.8. Характеристика применяемых высокомолекулярных синтетических флокулянтов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7. Абсорбция
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Равновесие при абсорбции
- •7.3. Материальный и тепловой балансы процесса
- •7.4. Скорость процесса
- •Контрольные вопросы
- •Глава 8. Адсорбция
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Характеристики адсорбентов и их виды
- •8.3. Равновесие при адсорбции
- •8.4. Кинетика адсорбции
- •8.5. Десорбция
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9. Флотация
- •9.1. Общие сведения
- •9.2. Теоретические основы процесса флотации
- •9.3.Флотационные реагенты и их классификация
- •9.4. Механизм действия собирателей
- •9.5. Реагенты-депрессоры
- •9.6.Реагенты-активаторы
- •9.7. Реагенты-регуляторы среды
- •9.8. Реагенты-пенообразователи
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Экстракция
- •10.1 Процессы экстракции в системах жидкость-жидкость
- •10.1.1. Общие сведения
- •10.1.2. Равновесие в системах жидкость - жидкость
- •10.1.3. Методы экстракции
- •10.2. Процессы растворения и экстракции в системах твердое тело - жидкость
- •10.2.1. Общие сведения
- •10.2.2. Равновесие и скорость выщелачивания
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11. Сушка
- •11.1. Основные понятия. Параметры, подлежащие расчету
- •11.2. Равновесное содержание влаги при сушке. Кинетика сушки. Понятие о напряжении объема сушилки
- •11.3. Основные параметры влажного воздуха
- •11.5. Изображение процессов изменения состояния воздуха на j - X на диаграмме
- •11.6. Материальный и тепловой балансы сушки
- •11.7. Расчет удельных расходов воздуха и тепла на сушку
- •11.8. Расчет сушилки в случае частичной рециркуляции обработанного воздуха
- •11.9. Сушка топочными газами
- •11.10. Конструкции сушилок
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Оглавление
- •Глава 1. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии как функции обесценивания энергии и стремления системы к хаосу 6
- •Глава 2. Классификация двухфазных систем 41
- •Глава 3. Отделение жидкости под действием механических методов 50
- •Глава 4. Применение центробежной силы при обезвоживании 75
- •Глава 5. Фильтрование 86
- •Глава 6. Агрегирование 117
- •Глава 7. Абсорбция 144
6.2. Три слагающие поверхностных сил (расклинивающего давления). Двучленный закон взаимодействия
Прилипание частиц друг к другу так же, как и к пузырьку воздуха при флотации, обуславливается поверхностными силами, которые количественно и качественно характеризуются величиной и знаком расклинивающего давления.
Расклинивающее давление проявляется только в тонких пленках и показывает, какое дополнительное давление по отношению к гидростатическому оказывают поверхностные силы на твердые тела.
Понятие расклинивающего давления разберем на примере взаимодействия двух пластин, помещенных в жидкость. При сближении пластин под действием силы q, начиная с определенной толщины, разделяющей пленки, возникает дополнительная сила, препятствующая или способствующая вытеканию жидкости из зазора. Поскольку, начиная с толщины h, химический потенциал в пленке 0 отличен от его объемного значения , то для выравнивания значений 0 и необходимо произвести работу по перемещению жидкости (рис.6.1). Если > 0, то жидкость для выравнивания значения химических потенциалов (под действием давления Р) будет втекать в зазор между телами, а при < 0 - будет вытекать.
С
Рис.6.1. Схема
возникновения расклинивающего давления
или ,
где Р - давление; Vm - молярный объем.
Поэтому можно считать, что граничный слой (пленка) как бы оказывает воздействие на ограничивающие его тела. Поскольку первоначально возникновение этого давления было привлечено Б.В. Дерягиным для объяснения расклинивающего действия тонких пленок, то его и назвали расклинивающим давлением.
Положительное расклинивающее давление стремится раздвинуть ограничивающие твердые тела. При отрицательном значении стремится их сблизить.
Расклинивающее давление Р(h) слагается из трех составляющих:
,
где N(h) - слагающая, обусловленная электростатическими зарядами и возникающая за счет перекрытия (или деформации) ионных атмосфер, расположенных на обеих фазовых поверхностях смачивающей пленки; A(h) - удельное (на см2) притяжение, являющееся результирующим молекулярных взаимодействий молекул водной пленки как с частицей, так и между собой, т.е. характеризует притяжение Ван-дер-ваальсовыми силами; S(h) - сольватационная слагающая, зависящая от степени гидратированности поверхностей.
Э
Рис.6.2.
Потенциальная
энергия (а) и сила взаимодействия (б)
двух частиц в зависимости от расстояния
между частицами
Кривые с потенциальной ямой характерны для любой системы взаимодействующих частиц, в которых действуют как силы отталкивания, так и притяжения.
Любой кристалл, любое тело сопротивляется и сжатию и растяжению. Известно, что силы, препятствующие сжатию, возрастают с уменьшением расстояния между атомами или молекулами. Силы притяжения и сжатия имеют разные знаки. Первым (притягательным) приписывается отрицательный знак, а вторым (отталкивательным) - положительный. Поскольку силы отталкивания возрастают (при сближении двух тел) и убывают (при их удалении) быстрее, чем силы притяжения, то радиус их действия меньше. Положение равновесия возникает при равенстве этих сил на определенном расстоянии между частицами (атомами или телами), равном r0.
Математически полную энергию взаимодействия тел можно записать в виде двучленного уравнения:
,
притяжение отталкивание
m < n,
а для силы взаимодействия соответственно
.
Первый член выражает силу отталкивания, а второй - притяжения.
Работа диссоциации измеряется глубиной «потенциальной ямы» Umin, которую легко найти из равенства силы F нулю при ,или
.
Минимум энергии соответствует состоянию равновесия при :
.
Двучленный закон для изменения энергии и силы с расстоянием, как отмечалось выше, носит общий характер, который отражает взаимодействие двух тел за счет любых сил притяжения и отталкивания. В случае кристаллов - это силы химических связей, действующие между атомами и молекулами. В случае взаимодействия двух частиц - это поверхностные силы.
Роль сил отталкивания в расклинивающем давлении играют, как правило, электростатические силы, когда частицы одноименно заряжены, и всегда силы гидратных оболочек. Роль сил притяжения в данном случае играют силы Ван-дер-Ваальса.
Характер взаимодействия частиц - прилипание или отталкивание зависит от того, какие силы преобладают и как они (по какому закону) меняются с расстоянием от поверхности. Рассмотрим подробнее закономерности изменения поверхностных сил с расстоянием.