11.2. Измерение потенциала протекания

Злектрокннетические явления также играют важную роль в процессах очистки воды методами отстаивания и фильтрования. Процесс фильтро­вания легко контролируется путем измерения потенциала протекания [48]. Прибор для измерения потенциала протекания (рис 36) содержит измери­тельную разборную колонку 1 с электродами 2.

Колонка загружается фильтрующей загрузкой, через которую пропускается очищаемая вода. При этом поток воды сначала движется вниз внутри колонки, а затем вверх вдоль ее наружных стенок. Такое движение воды предотвращает возникновение конвенционных токов. При движении волы на электродах возникает разность потенциалов, которая обусловлена наличием злектрокинетического заряда фильтрующей загрузки.

Эта разность потенциалов контролируется обычным электроизмерительным прибором. По ее величине вычисляется потенциал протекания, характеризующий сте­пень загрязнения фильтрующей загрузки.

Рис. 36 . Прибор для измерения потенциала протекания

12. Приборы для комплексных анализов воды

12.1 Анализатор качества воды акв-1

Для мониторинга водных объектов и технических измерений показателей качества воды в системах водоподготовки существует необходимость в создании и использовании приборов и устройств для быстрого, надежного и, по возможности, непрерывного автоматического контроля определенных наборов характеристик качества воды. С этой целью в Вологодском государственном техническом университете разработаны два прибора – анализаторы качества воды: АКВ-1 и АКВ- 2. Прибор АКВ-1 [49] позволяет выполнить анализ одной и той же пробы в автоматическом режиме по мутности, электропроводности, электрофоретической подвижности и определить дзета-потенциал взвеси, ускоряет процесс анализа и повышает его точность. На рис. 37 приведена общая схема устройства прибора.

Рис. 37. Схема анализатора качества воды АКВ-1

АКВ-1 состоит из измерительной кюветы 1, электромагнитного клапана 2 на трубе подачи воды, датчика заполнения измерительной кюветы 3 на переливной трубе, электромагнитного клапана 4 на выходной трубке, двух фотоприемников 5, расположенных на внутренней вертикальной стенке кюветы. Кроме того, устройство содержит стержень 6 со щетками 7, прикрепленный к поплавку 8, источник света 9, гидротурбинку 10, ось которой прикреплена к металлической планке 11 со щетками 12, фотоприемник 13, электромагнит 14, термометр сопротивления 15, расположенный в зазоре между внутренней 16 и наружной 17 стенками измерительной кюветы, кольцевых электродов 18, релейного блока 19, блока управления 20, блока нормирующих преобразователей 21 и устройства индикации 22.

Устройство работает следующим образом: перед началом измерения по сигналу блока управления 20 включается источник света 9, такое включение осуществляется заранее для того, чтобы сила света этого источника стабилизировалась. Затем включается электромагнит 14, что позволяет установить металлическую планку 11 со щетками 12 в таком положении, при котором они не перекрывают световой поток, поступающий на фотоприемник 13. Открывается электромагнитный клапан 2 на трубе, подающей воду в измерительную кювету 1, и закрывается электромагнитный клапан 4 на выпускной трубе. При заполнении кюветы 1 водой избыток воды переливается по переливной трубе, на которой установлен датчик заполнения измерительной кюветы 3. По сигналу датчика заполнения 3, поступающему в блок управления 20, через блок 21 закрывается электромагнитный клапан 2.

После истечения промежутка времени, заданного в блоке управления 20, проводится седиментационный анализ в двух режимах: 1 - без создания однородного электрического поля, 2 - при созданном однородном электрическом поле. Седиментационный анализ в 1 режиме выполняется следующим образом. Включаются фотоприемники 5, фиксирующие свет, отраженный частицами взвеси, фотоприемник 13, фиксирующий световой поток, прошедший анализируемую среду. Сигналы от всех фотоприемников поступают в блок нормирующих преобразователей 21. Через заданный промежуток времени по сигналу с блока управления 20 фотоприемники 13 и 5 производят повторное измерение. Сигнал также поступает в блок нормирующих преобразователей 21.

Далее, через заданный промежуток времени, проводится седиментационный анализ во 2 режиме: между электродами 18 создается однородное (постоянное) электрическое поле и выполняются аналогичные операции седиментационного анализа.

После истечения промежутка времени, заданного в блоке управления 20, по сигналу с блока управления 20 включаются фотоприемники 5, фиксирующие свет, отраженный частицами взвеси, фотоприемник 13, фиксирующий световой поток, прошедший анализируемую среду. Сигналы от всех фотоприемников поступают в блок нормирующих преобразователей 21. Через второй заданный промежуток времени, по сигналу с блока управления 20 фотоприемники 13 и 5 производит повторное измерение. Сигнал также поступает в блок нормирующих преобразователей 21. Устройство индикации 22 фиксирует полученные результаты.

Разность концентраций в верхней и нижней частях измерительной кюветы равна:

К=М₂-М₁мг/л,

где М₁ М₂ - концентрации взвешенных частиц, находящихся в верхней и нижней частях измерительной кюветы.

Гидравлическая крупность частиц, соответствующая К, равна:

U>(1₂-1₁)/t,мм/с,

где 1_1, 1₂ - расстояние от поверхности жидкости до фотоприемников соответственно. 1; - время.

Кривая седиментации представляет собой кривую зависимости К/М=f(U), где М - концентрация взвешенных частиц в жидкой среде, находящейся в измерительной кювете.

Полученные параметры позволяют построить две кривые седиментации К/М= f(U): 1 - без воздействия однородного электрического поля, 2 - в однородном электрическом поле. По этим кривым определяется электрофоретическая подвижность частиц взвеси в исследуемой воде. Для этого необходимо выбрать определенное значение К/М, которое можно ввести в качестве стандартного. Затем из графиков определяются значениеz U для первого и второго случаев. После этого производится обработка результатов седиментационного анализа для определения электрофоретической подвижности:

U_2у=U₂+U_эфп.

где U₂,U₁ - гидравлическая крупность части взвеси, U_2у - условная гидравлическая крупность частиц взвеси, U_эфп. - электрофоретическая скорость оседания частиц взвеси.

Условной гидравлической крупность названа потому, что она состоит из двух составляющих - действительной гидравлической крупности U₂ и электрофоретической скорости движения частиц U_эфп. Так как оба измерения проходят в одной и той же пробе воды, то можно считать:

U₂=U₁

Следовательно, электрофоторетическая скорость движения частиц взвеси в воде равна:

U_эфп.=U_2у-U₁

После проведения измерений по команде блока управления 20 отключается источник постоянного света 9 и производится замер температуры термометром сопротивления 15. В блоке управления 20 определяется вязкость в зависимости от температуры по зависимости, заложенной в память устройства.

Измерение удельного сопротивления осуществляется также по команде блока управления 20. Для этого между кольцевыми электродами 18 создается однородное электрическое поле. Сопротивление вычисляется в блоке 20, где преобразуется в удельную электропроводность. Величину удельной электропроводности воды определяют по уравнению:

к=1/S(1/R),

где: 1- расстояние между электродами;

S- площадь электродов;

R - сопротивление воды.

Величина дзета-потенциала частиц определяется из уравнения Гельмгольца-Смолуховского:

z=рhw/е_ое_а,

где е_о-электрическая постоянная дисперсной среды,

е_а - абсолютная диэлектрическая проницаемость,

h - коэффициент вязкости,

w - электрофоретическая подвижность дисперсной фазы.

Для ускорения и облегчения вычисления дзета-потенциала частиц взвеси в воде, уравнение применительно к исследованию водных суспензий было приведено к виду:

z=1,4^•10⁵hw,

где h - динамическая вязкость воды.

После проведения всех измерений по команде с блока управления 20 включается электромагнит 14, открывается клапан 4. При этом цилиндр опорожняется, а с опусканием уровня воды в цилиндре 1 опускается поплавок 8 с очищающим стержнем 6. При этом щетки 7 очищают от загрязнений стекла фотоприемников 5. Кроме того, в процессе опорожнения цилиндра 1 вращается гидротурбинка 10 и прикрепленные к ней щетки очищают стекло фотоприемника 13. Для качественной промывки измерительной кюветы предусматривается неоднократный впуск и выпуск воды без проведения измерений. Для этого в блоке управления 20 задается соответствующая уставка. После опорожнения кюветы 1 следующий цикл операций по анализу воды повторяется через заданный промежуток времени.