12.2 Электрохимия
В основе электрохимии лежит явление электролиза в электрических цепях, в которых основными элементами являются электролиты – растворы кислот, щелочей и солей, а также электроды – анод, соединяемый с положительным полюсом источника, и катод – с отрицательным полюсом.
В результате электролиза на катоде из растворов кислот и щелочей выделяется водород, а из водных растворов солей – металл данной соли.
Область техники, в которой используется электролиз (отложение металла на катоде и растворение металлического анода), называется гальванотехникой и включает в себя гальванопластику (технологию воспроизведения металлических копий различных рельефных предметов), гальваностегию (технологию покрытия металлов слоем другого металла с целью защиты их от коррозии: никелирование и хромирование) и электрометаллургию (технологию извлечения металлов из руды и примесей, очищение металлов от примесей – рафинирование).
Электрохимические процессы имеют место при электроосмосе, под которым понимают явление проникновения блуждающих токов Iбл в землю, вызванное внешними источниками электрической энергии; рельсовым электротранспортом, электросварочными установками гальванических цехов.
Рис. 12.2. Схема электрической цепи при наличии электроосмоса
Электроэнергия от подстанции 1 по контактному проводу 2 подается к электротранспорту 3 и через рельсы 4 растекается в земле в виде блуждающих токов 6, которые участвуют в электрохимических процессах с металлическими элементами 5 коммуникаций и сооружений (МЭКС). Подземные МЭКС – кабели в металлических оболочках, металлические трубопроводы, арматура железобетонных конструкций и фундаментов, расположенных в зоне электроосмоса, подвергаются не только коррозии, обусловленной воздействием почвенных химических реагентов (растворов солей, кислот, щелочей), но и электрокоррозии блуждающими токами 6. Сила блуждающих токов может быть подсчитана по формуле:
(12.1)
где Rp – сопротивление токоведущих частей, рельсов, Ом/м;
Rпер – сопротивление перехода рельсы-почва, изоляции тоководов, Ом/м;
Iэ – ток в цепи электропотребителя, А.
Из (12.1) следует, что токи электроосмоса можно уменьшить и снизить электрокоррозию МЭКС, если сократить расстояние l между контактами потребителя с землей и источником, снизить его нагрузку Iэ, увеличить переходное сопротивление (изоляцию тоководов) и уменьшить сопротивление токоведущих частей (рельсов).
Для увеличения переходного сопротивления, сопротивления электрической изоляции в строительстве применяют базальт, фарфор, диабаз, стекло, пластмассы и др.
12.3 Электронно-ионная технология
12.3.1 Общие сведения
В электронно-ионной технологии (ЭИТ) используются явления, происходящие при прохождении электрического тока (разряде) в газах.
В качестве примера применения ЭИТ приведем электрофильтрацию, которая используется для очистки промышленных газов и воздуха от пыли, дыма, частиц цемента и т.п.
В основе работы электрического фильтра лежит использование явления ионизации газов с помощью коронного разряда, зарядки удаляемых частиц ионизированными атомами газа и осаждения заряженных частиц на корпус (электроде) осадительной камеры.
Коронный разряд (КР) наблюдается при сравнительно высоких давлениях газа (например, при атмосферном давлении) и сильно неоднородном электрическом поле.
Для получения значительной неоднородности поля один электрод должен иметь очень большую поверхность, а другой – очень малую.
Коронный разряд можно получить, располагая тонкую проволоку внутри металлического цилиндра, радиус которого значительно больше радиуса проволоки (рис. 12.3).
Рис. 12.3. Схема получения коронного разряда
Силовые линии электрического поля сгущаются по мере приближения к проволоке, следовательно, напряженность электрического поля возле проволоки имеет наибольшее значение. Когда она достигает значения 3·106 В/м (при атмосферном давлении и нормальной температуре) между проволокой и цилиндром зажигается разряд и в цепи появляется ток. При этом возле проволоки возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, окружающей проволоку.
Процессы внутри короны сводятся к следующему. Если проволока заряжена отрицательно, то по достижении напряженности пробоя у поверхности проволоки зарождаются электронные лавины, которые распространяются от проволоки к цилиндру. Так как напряженность поля уменьшается по мере удаления от проволоки, то на некотором расстоянии от проволоки электронные лавины обрываются. Это расстояние и есть толщина короны.
Электроны, вышедшие за пределы короны, присоединяются к нейтральным атомам газа, отчего возникают отрицательные ионы. Таким образом, за пределами короны газ ионизирован.
Коронный разряд может возникнуть не только возле проволок, но и возле любых проводников с малой поверхностью. Корона возникает иногда в природе под влиянием атмосферного электрического поля и появляется на верхушках деревьев, корабельных мачт и т.д. В старину это явление получило название огней св. Эльма и вызывало суеверный ужас у мореплавателей.
С возможностью возникновения коронного разряда приходится считаться в технике высоких напряжений. При зажигании короны возле проводов высоковольтных ЛЭП окружающий воздух сильно ионизируется и появляются вредные токи утечки. Чтобы коронный разряд не мог возникнуть, провода высоковольтных линий должны иметь достаточно большой диаметр.
12.3.2 Принцип действия электрофильтра. Электрофильтр состоит из трех основных частей: камеры осаждения с системой электродов, через которую проходит газ, подлежащий очистке; системы удаления осадков (коллекторные пластины – бункер); электрической схемы и оборудования, составляющего схему автоматизации.
На рисунке 12.4 показана схема электрофильтра. Камера осаждения 5 заканчивается в нижней части бункером 6, в котором собираются осажденные на электродах-коллекторах частицы для их дальнейшего удаления.
Рис. 12.4. Схема электрофильтра
Электродами-коллекторами в данной конструкции служат сами стенки камеры 4, которая снабжена устройством ввода загрязненного газа 1, проходящего в электрофильтре через электрическое поле, созданное электродом высокого напряжения 7 и электродом-коллектором 4. При прохождении газа взвешенные частицы заряжаются, осаждаются, после чего удаляются. Таким образом, на выходе 2 из электрофильтра газ оказывается очищенным благодаря удержанию электродами-коллекторами отрицательно заряженных частиц.
Электрическое поле создается в электрофильтре между коронирующим и излучающим электродом 7 и коллектором 4 источника высокого напряжения 8, питающим систему коронирующих электродов через проходной изолятор 3. Устройство автоматического управления 9 поддерживает заданные параметры технологического режима.
В технике очистки газов существуют четыре способа:
а) осаждение пыли в электрофильтрах при помощи электрического поля;
б) обеспыливание газов при прохождении через поглощающие слои;
в) центрифугирование содержащих пыль газов;
г) обеспыливание газов в мойках.
Наиболее перспективными являются электрические фильтры, работающие по принципу осаждения пыли при помощи электрического поля.
Электростатическое обеспыливание считается большинством специалистов наиболее простым средством захвата взвесей, имеющихся в других технологических процессах.