09.12.2003 09:16
╘ Пискарев Игорь Михайлович, НИИЯФ МГУ
Контакт с автором: piskarev@depni.sinp.msu.ru
Краткая аннотация. Основой предлагаемого метода является расслоение водного раствора соли под действием импульсного электрического разряда на области с повышенной и пониженной концентрацией растворенного вещества. Импульсный разряд между точечным электродом и поверхностью жидкости приводит к появлению на поверхности жидкости электронных или ионных сгустков с плотностью тока в тысячи раз превышаюшей средний ток электрического разряда. За счет этого на поверхности воды образуется слой, обедненный солями. Толщина такого слоя может достигать 20 мм. Сливая жидкость из реактора двумя потоками: поверхностный слой и вода со дна реактора, мы получим воду, обедненную солями с верхнего слоя и обогащенную - снизу.
Это явление можно использовать для создания нового технологического процесса обессоливания воды. Образующиеся при электрическом разряде над поверхностью воды химически активные частицы: радикалы ОН и озон, могут быть использованы для очистки и обеззараживания воды. Энергозатраты на обессоливание предполагаемым методом должны быть примерно в 10 - 100 раз меньше, чем при дистилляции и сильно уменьшаются с увеличением импульса тока на поверхности жидкости. В настоящее время выполнены эксперименты, подтверждающие существование эффекта обессоливания под действием электрического разряда и малый уровень энергетических затрат.
Состояние работы на сегодняшний день.
1. Предложены научные основы метода.
2. Выполнены лабораторные эксперименты, подтверждающие существование эффекта обессоливания воды под действием электрического разряда.
Рассмотрим возможность применения электронных сгустков для очистки воды. Растворенные в воде вещества могут диссоциировать на положительные и отрицательные ионы, либо оставаться в молекулярной форме. Если к жидкости приложить электрическое поле, то ионы будут двигаться со скоростью Vi = qi*W'/kт, где qi √ заряд иона, W' √ градиент электрического поля, kт √ коэффициент трения ионов. Положительные и отрицательные ионы, образующиеся при диссоциации одной соли, как правило, сильно отличаются по массам и имеют разные коэффициенты трения. Поэтому доля заряда, переносимая ионами каждого знака {числа переноса заряда ti = qi/(q+ + q- )} будет разной, t+ не равно t-. Тогда в анодном и катодном пространствах изменяется концентрация растворенного вещества dC, dC = Ne*dt, где dt √ разность чисел переноса заряда ионов разного знака, Ne √ число элементарных носителей заряда, прошедших в цепи.
Для формирования сгустка электрических зарядов, расположим над поверхностью воды электрод. Используем схему формирования разряда, поддерживающую между поверхностью воды и электродом сильноточный импульсный искровой разряд. Сгустки электронов, попадая на поверхность, будут создавать импульсы напряжения амплитудой, определяемой напряжением источника питания (до десятков киловольт) и частотой повторения не менее сотни герц. При небольшой величине емкости схемы формирования (~ 10 пф) это соответствует импульсам тока в точке попадания разряда на поверхность жидкости до 500 мА при среднем токе разряда 0,5 мА. Сгусток ионов, образовавшихся на поверхности жидкости в точке попадания разряда, будет двигаться вглубь жидкости. При этом он расширяется, плотность тока падает, потенциал относительно земли падает. В верхнем слое воды толщиной до 20 мм описанный режим разряда создает градиент потенциала W' = 4 кВ/см, в остальной толще жидкости градиент не превыщает 1 В/см. В результате за счет движения ионов в сильном электрическом поле верхний слой воды оказывается обедненным или обогащенным примесью, растворенной в воде, в зависимости от соотношения скоростей движения положительных и отрицательных ионов. Недиссоциированные растворенные вещества будут увлекаться движением ионов диссоциированного соединения и также концентрироваться или удаляться из верхнего слоя. Таким образом, правильно выбирая полярность напряжения на разрядном электроде, можно обеспечить очистку верхнего слоя воды от солей. Для очистки воды от ионов обоих знаков следует проводить обработку разрядами при разной полярности на электроде относительно поверхности воды. Степень очистки будет определяться зарядом, прошедшим в цепи.
Оценим затраты энергии на обессоливание верхнего слоя воды. Для того, чтобы обессолить 1 л раствора, содержащего 0,1 моль/л однозарядных ионов (Примерно 60 г/л раствора поваренной соли. Для справки: в морской воде содержится около 40 г/л соли) при разности чисел переноса dt = 0,5 нужно пропустить в цепи Ne = 0,1/0,5*6,02*1023 = 1,2*1023 носителей заряда. С учетом того, что в верхнем слое плотность тока примерно в 1000 раз больше, для обессоливания верхнего слоя достаточно пропустить 1,2*1020 носителей заряда. При напряжении источника питания 10 кВ и величине импульса тока 0,5 А (средний ток 0,5 мА) это соответствует затратам энергии 1,92*105 Дж/л. Для дистилляции воды, взятой при температуре 25 градусов С, нужно затратить 2,44*106 Дж/л (при КПД = 100%).
Если мы используем электрический разряд с импульсным током 50 А, плотность тока на поверхности будет в 100 раз больше и затраты энергии в 100 раз меньше. При уменьшении концентрации примесей в 1000 раз (концентрация ~ 40 мг/л) расход энергии будет еще в 1000 раз меньше. Таким образом, затраты энергии на обессоливание воды искровым разрядом могут быть по крайней мере на порядок меньше, чем в обычных дистилляторах и описанный эффект, который наблюдался экспериментально, может быть основой новой технологии опреснения воды.
Эксперимент проводился для крановой питьевой воды при импульсном токе 0,5 А и подтвердил приведенные в таблице оценки.
Устройство для реализации предложенного метода должно выглядеть следующим образом:
Вода поступает в реакционный сосуд через трубу 1. На выходе сосуда имеется перегородка 4. Уровень воды в сосуде определяется высотой перегородки. На поверхность воды попадают электрические разряды с электродов. Под действием разрядов верхний слой обедняется солями. Этот слой сливается через перегородку 4 и далее поступает на выход через трубу 3. Вода, обогащенная солями, уносится через трубу 2 (дренаж). Для удаления ионов разных знаков вода должна проходить как минимум через два реактора, где на электроды подаются противоположные по знаку напряжения.
Возможное применение.
1. Обессоливание морской воды с целью ее использования в промышленных и бытовых целях.
2. Дополнительная очистка воды после биохимических установок с целью ее использования в замкнутых системах водообеспечения.
3. Обессоливание сточных вод металлургических предприятий, содержащих много тяжелых металлов.
Дата публикации: 9 декабря 2003
Источник: SciTecLibrary.ru
СНИЖЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА В ПРЕСНЫХ ВОДАХ.
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.