11. Анализ электрокинетических показателей

11.1. Измерение электрофоретической подвижности и дзета-потен­циала

Электрокинетические показатели, основанные на наличии вокруг частиц взвеси двойного электрического слоя, являются в настоящее время важнейшими показателями, которые могут характеризовать про­цессы очистки воды. К электрокинетическим показателям относятся: электрофоретическая подвижность частиц, дзета-потенциал, и потен­циал протекания. Электрофоретическая подвижность и дзета-потенциал взаимосвязаны друг с другом.

В лабораторных условиях наиболее точно электрофоретическую подвижность измеряют методом микроэлектрофореза. Установка для микроэлектрофореза (рис.32 ) состоит из источника постоянного тока 1,

Рис.32 . Установка для микроэлектрофореза

измерительной камеры 2, неполяризующихся электродов 3, и микроско­па 4. Исследуемая проба заливается в камеру 2, где создается с помощью источника тока 1 постоянное электрическое поле. Затем с помощью мик­роскопа и секундомера измеряется скорость движения частиц под действи­ем электрического тока.

Наблюдения под микроскопом производятся в тем­ном поле зрения. При этом видно светящиеся движущиеся частицы. электрофоретическая подвижность определяется по формуле:

, см²/В ,

где V - скорость движения частиц в горизонтальном направлении, см/с;

L - расстояние- между электродами, см;

U - разность потенциалов между электродами, В. Величину дзета-потенциала можно определять по упрощенной формуле:

ДП = 1,4 , мВ,

где - вязкость воды в сзнтипуазах.

Метод микроэлектрофореза является точным, но трудоемким. Для упрощенных измерений, не требующих высокой точности рекомендуется использовать амперометрический метод [46]. Схема установки для амперометрического метода приведена на рис.33.

Рис.33. Установка для амперометрического метода измерения злект-рофоретической подвижности

Установка содержит измерительную камеру круглого сечения 1 с электродами, источник постоянного тока 2; миллиамперметр 3; самописец 4 и переключатель полюсов 5.

В камере 1 создается постоянное электрическое поле, под действием которого частицы взвеси двигаются в противоположно заряженному электроду. Разряжаясь у электрода, эти частицы изменяют силу тока, которая фиксируется миллиамперметром 3.

Когда все заряженные частицы дойдут до противоположно заряженного электрода, ток выравнивается и дальше остается постоянным. Кривая изменения силы тока фиксируется самописцем 4 ( рис.34 ).

С помощью этой кривой определяется скорость движения частиц по формуле:

,

где L – расстояние между электродами;

t - время от подачи напряжения на электроды до выравнивания

силы тока (точка М на рис. 34). Затем вычисляется электрофоретическая подвижность взвеси.

Рис.. 34 . Кривая изменения силы тока

В Вологодском государственном техническом университете разработан простой и быстрый способ измерения электрофоретической подвижности, названный весовым. Этот способ не требует использования сложной аппаратуры и значительных затрат времени на выполнение измерений [47]. Схема установки для осуществления этого способа приведена на рис. 35.

Установка содержит измерительные цилиндры 1 и 2 , распредели­тельную воронку З, чашечки 4 и 5 весов 6 и 7, систему 8 для отвода исследованной суспензии, задвижку 9, электроды 10 и 11, подключен­ные к источнику постоянного тока, задвижку 12. Кроме того, на схеме устройства обозначены: глубина погружения чашечки в суспензию h и расстояние между электродами s.

Электрофоретическая подвижность частиц суспензии по предлага­емому способу определяется следующим образом. Цилиндры 1 и 2 являются проточными. Перед измерением закрывается задвижка 9. Цилиндры заполняются суспензией и в момент их за­полнения (когда суспензия достигнет верха цилиндров) закры­вается задвижка 12, включается устройство для измерения времени (например, секундомер) и включаются в работу весы 6 и 7. В этот же момент (или раньше) между электродами 10 и 11 создается однородное (постоянное) электрическое поле.

Через произвольный промежуток времени t₁, когда на чашечках 4 и 5 весов задержалась определенная часть взвеси, определяется масса этой взвеси на каждой чашечке Р_I и Р_II.

Сравнивая массы Р_I и Р_II, определяют знак электрокинетическо­го потенциала взвеси. Когда на электрод 10 подается "-", а на электрод 11 "+" , то если Р_I<Р_II, это значит, что частицы взвеси двигаются к положительно­му электроду. Следовательно, знак электрического потенциала отри­цательный.

Рис. 35 . Установка для весового определения электрофоретической подвижности

Соответственно, если Р_I >Р_II, то знак положительный, и если Р_I =Р_II, то электрокинетический потенциал) равен нулю.

Предположим, Р_I<Р _II. В этом случае для цилиндра I продолжают отсчет времени оседания частиц до тех пор, пока не будет достигну­то равенство Р_I =Р_II. Промежуток времени от начала опыта до достижения этого равенства обозначается t₂.

Определяется гидравлическая крупность частиц, осевших на ча­шечку 4 в цилиндре 1 за время t₂ :

.

После этого определяется условная гидравлическая крупность частиц, осев­ших на чашечку 5 в цилиндре 2:

.

Условной она названа потому, что состоит из двух составляющих - действительной гидравлической крупности U_II и электрофоретической скорости U_э:

.

Так как в цилиндрах I и II находится одна и та же проба воды,

можно считать: . Отсюда: .

Зная градиент потенциала установленный между электродами:

,

где U – разность потенциала между электродами 10 и 11, определяют электрофоретическую подвижность частиц взвеси.

Аналогично, если Р_I >Р_II, то:

.

Для выполнения измерений в автоматическом режиме этим спосо­бом разработан измерительный прибор дзета-метр [45], позволяющий производить измерения за 30-40 секунд.