Раздел VI. Электрокинетические методы обработки

МАТЕРИАЛОВ

Глава 17. Основы электронно-ионной технологии

17.1. Характеристика электронно-ионных процессов

При воздействии электрического поля высокой напряженности на вещество, находящееся в твердом, жидком или газообразном состоянии происходит изменение распределения образующих его частиц в пространстве. В технологических процессах это применение получило общее название электронно-ионной технологии (ЭИТ).

ЭИТ включает в себя три характерных процесса: электризацию материала в момент диспергирования или уже находящегося в дисперсном состоянии; организацию различных форм движения частиц в электрическом поле; формирование готового продукта или изделия.

Получили развитие следующие виды ЭИТ:

– электрогазоочистка – выделение из газового (воздушного) потока содержащихся в нем твердых или жидких частиц;

– электросепарация – разделение многокомпонентных систем на компоненты, путем использования электрофизических и физико-химических свойств частиц компонентов;

– электроокраска – нанесение твердых или жидких покрытий на изделия;

– электропечать – формирование изображения, получение многократных копий, выполнение матриц для размножения;

– электроформообразование.

В основе ЭИТ лежат следующие явления:

– электроосмос - движение жидкости по отношению к твердому телу под действием электрического поля;

– электрофорез, или катафорез, – движение частиц, взвешенных в жидкости или газе под воздействием электрического поля;

– электродиализ – явление, которое составляют диализ (очистка растворов от электролитов) и электрофорез.

Указанные явления имеют место в электростатических установках. При массопереносе в таких установках электрическое поле перемещает не ионы, как это происходит при электролизе, а макрочастицы вещества, состоящие из большого количества молекул. Протекание процессов обусловлено возникающими кулоновскими силами. Для их возникновения частицы должны быть заряжены.

На практике используются в основном три принципа зарядки частиц:

– путем осаждения на поверхности частицы ионов из объема газа, окружающего частицу. Источником ионов в этом случае может быть коронный разряд;

– путем электростатической индукции, т. е. разделения зарядов в электрическом поле;

– путем механической, химической и тепловой электризации, в этом случае наиболее распространена электризация частиц за счет трения друг о друга и о стенки сосуда (трибоэлектричество).

17.2. Осаждение в электрическом поле

Рассмотрим два вида осаждения в электрическом поле: электроосаждение аэрозольных частиц; электроосаждение в электрофильтре.

В первом случае в газе имеются заряженные частицы твердого вещества и капельки жидкости. Очистка газа происходит за счет поглощения капельками жидкости частиц твердого вещества с последующим выведением суспензии из очистительного агрегата.

Между частицами вещества и капельками жидкости действуют следующие силы:

1. Сила взаимодействия заряженной частицы с каплей (кулоновское взаимодействие):

,

где q_p, q_k – заряды частицы и капли соответственно, Кл; r – расстояние между ними, м.

2. Сила индукции между зарядом на капле и индуцированным зарядом на частице:

.

3. Сила индукции между зарядом на частице и индуцированным зарядом на капле:

В этих уравнениях d_p, d_k – диаметры частицы и капли соответственно, м.

4. Сила взаимодействия между униполярно заряженными частицами:

,

где n – концентрация униполярно заряженных частиц.

Электроосаждение аэрозольных частиц происходит в том случае, если силы притяжения между каплей и частицей больше возникающих между ними сил отталкивания и связано с электрическим полем.

Рассмотрим осаждение частиц, когда осадительный электрод представляет собой чистую поверхность, а в поле находятся сферические частицы, силы сцепления которых равны нулю. Улавливание происходит в воздухе при нормальных условиях полем электрофильтра и полем осевших частиц.

Частицу и осадительный электрод можно рассматривать как конденсатор, заряженный до напряжения U=φ-φ₀ ( – потенциал частицы; - потенциал стенки в рассматриваемом случае φ₀=0).

При соприкосновении со стенкой частица разряжается. Скорость разрядки определим по формуле

, (17.1)

где R=r₁+r₂+r₃ (r₁ – внутреннее, r₂ – поверхностное и r₃ – контактное сопротивление частицы, Ом); С – емкость конденсатора, Ф.

Как видно при удержании частицы на стенке осадительного электрода играет ее проводимость. Если проводимость частицы мала, то разряжается она медленнее. В любой момент времени на ней будет находиться заряд и частица окажется прижатой полем к электроду.