Электрокинетическая интенсификация обезвоживания сложных дисперсных систем
Исследована эффективность обезвоживания двухкомпонентной дисперсной системы при ее механической обработке и дополнительном воздействии электрического поля. Показано, что при наличии гелеобразной органической составляющей, существенно осложняющей процесс удаления жидкости, степень обезвоживания замет...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Химия и технология воды |
|---|---|
| Datum: | 2016 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України
2016
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160824 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Электрокинетическая интенсификация обезвоживания сложных дисперсных систем / Л.Л. Лысенко, Н.А. Мищук, Т.А. Несмеянова // Химия и технология воды. — 2016. — Т. 38, № 5. — С. 455-466. — Бібліогр.: 28 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-160824 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Лысенко, Л.Л. Мищук, Н.А. Несмеянова, Т.А. 2019-11-20T20:58:18Z 2019-11-20T20:58:18Z 2016 Электрокинетическая интенсификация обезвоживания сложных дисперсных систем / Л.Л. Лысенко, Н.А. Мищук, Т.А. Несмеянова // Химия и технология воды. — 2016. — Т. 38, № 5. — С. 455-466. — Бібліогр.: 28 назв. — рос. 0204-3556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160824 544.77+544.638 Исследована эффективность обезвоживания двухкомпонентной дисперсной системы при ее механической обработке и дополнительном воздействии электрического поля. Показано, что при наличии гелеобразной органической составляющей, существенно осложняющей процесс удаления жидкости, степень обезвоживания заметно снижается. Для достижения приемлемых значений конечной влажности в таких системах необходимо создание условий, обеспечивающих электроосмотический перенос жидкости. Досліджено ефективність зневоднення двохкомпонентної дисперсної системи при її механічній обробці і додатковому впливі електричного поля. Показано, що при наявності гелеподібної органічної складової, яка істотно ускладнює процес видалення рідини, ступінь зневоднення помітно зменшується. Для досягнення прийнятних значень кінцевої вологості в таких системах необхідно створення умов, що забезпечують електроосмотичне перенесення рідини. The study of the efficiency of dewatering of a two-component disperse system during its mechanical treatment and additional exposure to an electric field is carred out. It is shown that in the presence of gellike organic component, significantly complicating the fluid removal process, the degree of dewatering considerably reduces. To achieve the acceptable final moisture of such systems it is necessary to create conditions that provide electroosmotic transport of liquid. ru Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України Химия и технология воды Физическая химия процессов обработки воды Электрокинетическая интенсификация обезвоживания сложных дисперсных систем Electrokinetic intensification of dewatering of complex disperse systems Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Электрокинетическая интенсификация обезвоживания сложных дисперсных систем |
| spellingShingle |
Электрокинетическая интенсификация обезвоживания сложных дисперсных систем Лысенко, Л.Л. Мищук, Н.А. Несмеянова, Т.А. Физическая химия процессов обработки воды |
| title_short |
Электрокинетическая интенсификация обезвоживания сложных дисперсных систем |
| title_full |
Электрокинетическая интенсификация обезвоживания сложных дисперсных систем |
| title_fullStr |
Электрокинетическая интенсификация обезвоживания сложных дисперсных систем |
| title_full_unstemmed |
Электрокинетическая интенсификация обезвоживания сложных дисперсных систем |
| title_sort |
электрокинетическая интенсификация обезвоживания сложных дисперсных систем |
| author |
Лысенко, Л.Л. Мищук, Н.А. Несмеянова, Т.А. |
| author_facet |
Лысенко, Л.Л. Мищук, Н.А. Несмеянова, Т.А. |
| topic |
Физическая химия процессов обработки воды |
| topic_facet |
Физическая химия процессов обработки воды |
| publishDate |
2016 |
| language |
Russian |
| container_title |
Химия и технология воды |
| publisher |
Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Electrokinetic intensification of dewatering of complex disperse systems |
| description |
Исследована эффективность обезвоживания двухкомпонентной дисперсной системы при ее механической обработке и дополнительном воздействии электрического поля. Показано, что при наличии гелеобразной органической составляющей, существенно осложняющей процесс удаления жидкости, степень обезвоживания заметно снижается. Для достижения приемлемых значений конечной влажности в таких системах необходимо создание условий, обеспечивающих электроосмотический перенос жидкости.
Досліджено ефективність зневоднення двохкомпонентної дисперсної системи при її механічній обробці і додатковому впливі електричного поля. Показано, що при наявності гелеподібної органічної складової, яка істотно ускладнює процес видалення рідини, ступінь зневоднення помітно зменшується. Для досягнення прийнятних значень кінцевої вологості в таких системах необхідно створення умов, що забезпечують електроосмотичне перенесення рідини.
The study of the efficiency of dewatering of a two-component disperse system during its mechanical treatment and additional exposure to an electric field is carred out. It is shown that in the presence of gellike organic component, significantly complicating the fluid removal process, the degree of dewatering considerably reduces. To achieve the acceptable final moisture of such systems it is necessary to create conditions that provide electroosmotic transport of liquid.
|
| issn |
0204-3556 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160824 |
| citation_txt |
Электрокинетическая интенсификация обезвоживания сложных дисперсных систем / Л.Л. Лысенко, Н.А. Мищук, Т.А. Несмеянова // Химия и технология воды. — 2016. — Т. 38, № 5. — С. 455-466. — Бібліогр.: 28 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT lysenkoll élektrokinetičeskaâintensifikaciâobezvoživaniâsložnyhdispersnyhsistem AT miŝukna élektrokinetičeskaâintensifikaciâobezvoživaniâsložnyhdispersnyhsistem AT nesmeânovata élektrokinetičeskaâintensifikaciâobezvoživaniâsložnyhdispersnyhsistem AT lysenkoll electrokineticintensificationofdewateringofcomplexdispersesystems AT miŝukna electrokineticintensificationofdewateringofcomplexdispersesystems AT nesmeânovata electrokineticintensificationofdewateringofcomplexdispersesystems |
| first_indexed |
2025-11-24T06:38:39Z |
| last_indexed |
2025-11-24T06:38:39Z |
| _version_ |
1850843159795335168 |
| fulltext |
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2016, т.38, №5 455
© Л.Л. Лысенко, Н.А. Мищук, Т.А. Несмеянова, 2016
Физическая химия процессов обработки воды
УДК 544.77+544.638
Л.Л. Лысенко, Н.А. Мищук, Т.А. Несмеянова
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКАЯ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ
ОБЕЗВОЖИВАНИЯ СЛОЖНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Институт коллоидной химии и химии воды
им. А.В. Думанского НАН Украины, г. Киев
lysenko_ll@yahoo.com
Исследована эффективность обезвоживания двухкомпонентной дисперс-
ной системы при ее механической обработке и дополнительном воздействии
электрического поля. Показано, что при наличии гелеобразной органической
составляющей, существенно осложняющей процесс удаления жидкости, сте-
пень обезвоживания заметно снижается. Для достижения приемлемых зна-
чений конечной влажности в таких системах необходимо создание условий,
обеспечивающих электроосмотический перенос жидкости.
Ключевые слова: дисперсия каолинита, давление, суспензия дрожжей,
электрокинетический потенциал, электроосмос.
Введение. Обезвоживание дисперсных систем находит широкое
применение как при получении целевых продуктов, например в пище-
вой промышленности, так и при обработке отходов, образующихся в
процессе различных производств – фармакологических, бумажных,
угледобывающих и других, при получении питьевой воды, а также при
очистке сточных вод промышленного и бытового происхождения [1 –
7]. В случае, когда обрабатываемая система является побочным про-
дуктом, т.е. отходами, требующими утилизации, уменьшение их объе-
мов, сопровождающее обезвоживание, позволяет значительно снизить
расходы на их транспортировку, переработку и захоронение.
Осадки, образующиеся при очистке сточных вод, характеризуются
высоким влагосодержанием, что при резком увеличении за последние
годы их объемов обостряет не только экономический, но и экологи-
ческий аспекты проблемы. Проведение эффективного обезвоживания
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2016, т.38, №5456
позволило бы возвращать в природный круговорот большие количе-
ства воды, что будет способствовать сохранению как непосредственно
водных, так и земельных ресурсов за счет уменьшения объемов отхо-
дов, требующих захоронения, а значит, и за счет уменьшения отводи-
мых для этого территорий.
Однако осадки сточных вод относятся к наиболее проблематич-
ным, с точки зрения обезвоживания, объектам, что обусловлено тон-
кодисперсной и/или гелеобразной структурой твердой фазы, сложнос-
тью ее состава и малым содержанием, иногда доходящим до 1 – 5%.
Такие системы характеризуются высокой пластичностью и наличием
гидрофильных частиц с высокой удельной поверхностью, что приво-
дит к сильному удержанию воды и, соответственно, значительному
ухудшению процесса отделения жидкой фазы по сравнению с систе-
мами, содержащими крупные частицы.
Эффективность обезвоживания зависит от состояния воды в осад-
ках. Наиболее распространенная классификация предполагает нали-
чие в них [8, 9]: свободной воды, несвязанной с твердыми частицами;
механически связанной воды, удерживаемой флокулами твердой фазы;
физически связанной воды, удерживаемой у поверхности частиц водо-
родными связями; химически связанной воды. Состояние воды в мате-
риале определяет величину потребляемой энергии для ее удаления и
метод, при помощи которого можно это осуществить.
Наиболее эффективной в отношении получаемого содержания
сухого остатка по сравнению с остальными методами является тер-
мическая осушка [10], позволяющая удалять всю воду, находящуюся
в системе. Процесс осуществляется за счет испарения жидкости при
конвективной подаче тепла и в основном определяется следующими
параметрами: температурой, относительной влажностью, скоростью
подачи воздуха, а также природой и текстурой обрабатываемого мате-
риала. Хотя термический метод обеспечивает самую высокую степень
обезвоживания, энергозатраты при этом также имеют максимальные
значения порядка 617 – 1200 кВт ⋅ ч/м3 удаляемой воды [8]. Помимо
энергозатрат, к отрицательным сторонам использования высоких
температур относится возможность загрязнения воздуха, в том числе
продуктами сгорания органических составляющих обрабатываемых
систем, что отрицательно сказывается на окружающей среде.
Низкая энергозатратность, характерная для механического обезво-
живания, делает его наиболее распространенным методом. К механи-
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2016, т.38, №5 457
ческим способам относится фильтрование под давлением, вакуумное
фильтрование, центрифугирование и др. [7, 11]. Моделирование механи-
ческого обезвоживания развивается несколько последних десятилетий,
предложенные решения позволяют достаточно точно описать поведе-
ние даже таких сложных для фильтрования систем, как биоактивный
ил [12 – 14]. Однако, несмотря на низкую энергозатратность и хоро-
шую теоретическую базу, механические методы не всегда эффективны,
поскольку с их помощью можно удалять только свободную воду и часть
механически связанной воды, а достигаемая при их применении сте-
пень обезвоживания невелика, в некоторых случаях она не превышает
60% остаточной влажности. Следует также отметить, что использование
механических методов дает приемлемые результаты при обезвоживании
достаточно крупнодисперсных осадков. Эффективность механической
обработки можно повысить за счет применения физического, химиче-
ского кондиционирования обрабатываемых систем или высокого давле-
ния [5, 7, 15, 16], однако интенсификация зачастую оказывается эконо-
мически невыгодной, поскольку требует использования дорогостоящего
оборудования и дополнительных затрат на кондиционирование.
Альтернативой методам механического и термического обезво-
живания может служить электроосмотическое обезвоживание, для
которого тонкодисперсность обрабатываемой системы и ее низкая
гидравлическая проницаемость не являются препятствием [17 – 19].
Возможность проведения электрообезвоживания обусловлена нали-
чием двойного электрического слоя в коллоидных системах, обеспечи-
вающего течение жидкости при наложении внешнего электрического
поля, при этом удаляться может не только свободная, но и механически
связанная вода [8, 17], чего в большинстве случаев вполне достаточно,
поскольку эти два типа воды составляют основную часть ее общего
объема. При использовании электроосмотического обезвоживания
может быть достигнуто необходимое влагосодержание при достаточно
низком энергопотреблении, что является однозначным преимуще-
ством перед термическим и механическим методами.
Как показано в ряде исследований, применение электрического
поля позволяет, например, на 70% снизить энергозатраты для дости-
жения одного и того же результата по степени осушки по сравнению
с термической обработкой [1] или повысить степень обезвоживания
разных материалов на 10 – 15% по сравнению с только механическим
воздействием [8, 16, 20 – 23].
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2016, т.38, №5458
Совместное использование электроосмотического обезвоживания и
давления позволяет интенсифицировать процесс, повысить его эффек-
тивность, однако и такое объединение методов имеет свои недостатки.
Как правило, оно сопровождается неравномерным распределением
воды, пористости, падения потенциала в системе, различным электро-
кинетическим потенциалом частиц по объему дисперсной системы и др.
[16, 20, 24 – 26]. Помимо этого, удаление воды при обработке осадков
сточных вод осложняется тем, что данные системы относятся к одним
из наиболее проблематичных для обезвоживания объектов, что свя-
зано с их тонкодисперсной структурой и сложным составом. Необрабо-
танные осадки характеризуются высоким содержанием органической
составляющей (~ 60 – 80%), которое хотя и снижается при биологиче-
ской обработке, однако остается на уровне 40 – 50% [27]. Все это приво-
дит к необходимости дальнейшего изучения рассматриваемого вопроса
и усовершенствования процессов обезвоживания.
Цель данной работы – исследование эффективности обезвожива-
ния дисперсной системы, включающей в себя неорганическую и орга-
ническую составляющие, и определение условий, при которых нало-
жение внешнего электрического поля позволяет интенсифицировать
процесс удаления жидкости.
Методика эксперимента. В качестве объектов исследования исполь-
зовали суспензию дрожжей на основе водного раствора полисахаридов
и дисперсию Глуховецкого каолинита. Суспензия имела гелеобразную
структуру, размер дрожжей ~ 8 мкм, влажность – 90%, рН 3,2. Глуховецкий
каолинит: полная обменная емкость – 1,3 мг-экв/100 г, рН водной вытяжки
6,37, органические вещества отсутствуют. Величину ζ -потенциала дисперс-
ных частиц в зависимости от величины равновесного рН порового раствора
определяли стандартным методом подвижной границы [28].
Эксперименты по обезвоживанию выполняли на установке, конструк-
ция которой позволяет сочетать действие давления и электрического поля.
Установка (рис. 1) состоит из платформы (1) с вмонтированной катодной
камерой (2) и цилиндра (9), внутри которого за счет собственного веса
движется поршень (5) с закрепленной на его нижнем торце анодной каме-
рой (6). На верхнем торце поршня находится платформа (10), на которую
устанавливается дополнительный груз. Диаметр цилиндра (9), в который
загружается дисперсная система (11), составляет 7 см.
От электродных камер дисперсная система (11) отделена перфо-
рированными дисками (4, 8). На верхнем диске расположена анио-
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2016, т.38, №5 459
нообменная мембрана, не пропускающая в дисперсию раствор из
электродной камеры и Н+- ионы, возникающие на аноде вследствие
электролиза. На нижнем диске расположена полисульфоновая ткань,
предотвращающая вынос в катодную камеру дисперсных частиц, но
практически не влияющая на поток удаляемой жидкости. Отвод обра-
зовавшихся вследствие электролиза пузырьков газа осуществляется за
счет прокачки через электродные камеры промывного раствора.
1
3
4
5
8
7
6
11
9
2
10
Рис. 1. Экспериментальная установка для обезвоживания дисперсий: 1 – плат-
форма; 2 – катодная камера; 3 – катод; 4, 8 – перфорированные диски; 5 – пор-
шень; 6 – анодная камера; 7 – анод; 9 – цилиндр; 10 – платформа для установки
дополнительного груза, 11 – дисперсная система. Стрелками со штриховыми
линиями указано направление прокачки раствора через электродные камеры.
Исследования по обезвоживанию дисперсных систем проводили
при различных величинах исходной влажности и равновесных значе-
ниях рН порового раствора; высота загрузки – 4,4 ± 0,1 см. Обработка
выполнена при общем давлении в системе 1,8 ⋅ 104 Па как в электриче-
ском поле напряженностью 3 В/см, так и в его отсутствие. Для оценки
эффективности обезвоживания проводили послойное определение
влажности обработанной системы; на основе полученных значений
рассчитывали общую конечную влажность. Также с использованием
имеющихся данных рассчитывали степень обезвоживания, т.е. соот-
ношение исходного и конечного количества воды в системе.
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2016, т.38, №5460
Результаты и их обсуждение. На первом этапе работы были выпол-
нены исследования по механическому обезвоживанию чистой дис-
персии каолинита, т.е. при обработке только под действием давления.
Результаты экспериментов, проведенных при различных величи-
нах исходной влажности и рН порового раствора 9,9, показали, что в
отсутствие электрического поля конечная влажность в системе при
заданном давлении имеет примерно одинаковые значения (41,5; 42,0, и
41,7%) (рис. 2, кривые 1 – 3). Небольшое их отличие связано с возмож-
ностью максимального механического сжатия дисперсии, обусловлен-
ной поверхностным зарядом, формой и размером частиц каолинита.
Понятно, что при этом степень обезвоживания существенно отлича-
ется – для системы с исходной влажностью 75% она составляет 76,4%,
для 60% – 51,7%, для 50% – 28,5%. Полученные данные хорошо согласу-
ются с изменением общего объема дисперсии: соотношение конечного
и начального объемов составляет соответственно 0,285; 0,522 и 0,7.
40
45
50
55
0,2 0,6 1
%
АК
6
7
40
41
42
43
0,2 0,6 1
%
АК
1
2
3
4
а б
5
Рис. 2. Распределение влажности в дисперсии каолинита по окончании ме-
ханической обработки при исходной влажности и рН порового раствора (а):
1 – 75%, рН 9,9; 2 – 60%, рН 9,9; 3 – 50%, рН 9,9; 4 – 50%, рН 2,3; 5 – 50%,
рН 2; в системе, содержащей суспензию дрожжей и дисперсию каолинита
при общей исходной влажности 65% и рН порового раствора каолинита (б):
4,3 (6); 9,9 (7). К – катод, А – анод.
Изменение рН порового раствора должно влиять на величину
ζ-потенциала частиц, т.е. на их электростатическое взаимодействие, и, сле-
довательно, на сжимаемость дисперсии и эффективность ее обезвожива-
ния. В частности, в точке нулевого заряда (т.н.з.) электростатическое оттал-
кивание частиц отсутствует, что должно обеспечить максимальные сжатие
дисперсии и степень ее обезвоживания при прочих равных условиях.
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2016, т.38, №5 461
Результаты исследования ζ-потенциала частиц каолинита и дрож-
жей в диапазоне равновесных значений рН порового раствора 2 – 12
представлены на рис. 3. В указанном интервале рН изменяется не
только величина, но и знак ζ-потенциала каолинита (кривая 1), т.н.з.
соответствует рН 2,3 – 2,4. У дрожжей, согласно кривой 2, изменение
знака ζ-потенциала не происходит, более того он возрастает по мере
уменьшения рН. Отсюда следует, что частицы дрожжей отталкива-
ются между собой при любом значении рН, а частицы каолинита – при
всех значениях рН, кроме 2,3 – 2,4. При этом, согласно знаку зарядов,
частицы каолинита и дрожжей отталкиваются почти во всем интер-
вале рН, за исключением рН < 2,3 – 2,4, где их отталкивание должно
смениться притяжением.
�50
�30
�10
10
0 3 6 9 12 рН
1
2
ζ, мВ
Рис. 3. Величина ζ-потенциала в зависимости от равновесного значения рН
порового раствора: 1 – дисперсия каолинита, 2 – суспензия дрожжей.
На основе этих результатов были проведены исследования зави-
симости обезвоживания дисперсной системы от рН. Сначала были
выполнены эксперименты по обработке чистой дисперсии каолинита
с фиксированной исходной влажностью 50% при трех значениях рН
равновесного порового раствора: отвечающих т.н.з. (рис. 2, кривая 4) и
ζ-потенциалам каолинита – 48 и 7 мВ (см. рис. 2, кривые 3 и 5). Полу-
ченные данные показали, что при используемых давлении и заданном
времени обработки (5 ч) величина ζ-потенциала дисперсии не оказывает
влияния на конечную влажность, которая составляет 42,3; 41,7, 42,1% и,
соответственно, при одинаковой исходной влажности на степень обе-
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2016, т.38, №5462
звоживания – 26,7; 28,5 и 27,3%. Такое поведение дисперсии может быть
связано как с небольшим прикладываемым давлением и малой про-
должительностью воздействия, так и с особенностями строения частиц
каолинита, не позволяющими обеспечить плотную упаковку системы.
Следующим этапом работы было изучение влияния гелеобразной орга-
нической составляющей на процесс механического удаления воды, для
чего к каолиниту (исходная влажность – 40%) добавляли равновеликое по
массе количество суспензии дрожжей (исходная влажность – 90%), так что
усредненная начальная влажность полученной системы составляла 65%.
В экспериментах использовали дисперсию каолинита с равно-
весными значениями рН порового раствора 9,9 (ζ = –48 мВ) и 4,3 (ζ =
–22 мВ). Введение дрожжей с равновесным значением рН 3,2 приводило
к снижению суммарного рН дисперсии до значений соответственно
3,6 и 3,4. Поскольку предварительное исследование показало, что про-
цесс протекает значительно медленнее, продолжительность обработки
была увеличена до 30 ч. Как и в случае с чистым каолинитом, конечная
влажность двухкомпонентной системы отличается незначительно: 50,8
(рис. 2, кривая 7) и 52,1% (рис. 2, кривая 6). Степень обезвоживания
при этом составила соответственно 44,4 и 41,4%.
Электрокинетический потенциал дрожжей не должен оказы-
вать отрицательного влияния на процесс обезвоживания, поскольку в
исследуемом диапазоне рН порового раствора его значения практиче-
ски совпадают с таковыми для частиц каолинита и находятся в интер-
вале от –15 до –20 мВ (см. рис. 3). Следовательно, увеличение конечной
влажности в системе на ~ 10% связано с двумя факторами: гелеобразной
структурой суспензии дрожжей, увеличивающей гидродинамическое
сопротивление системы, и тем, что большая часть воды в ней находится
в связанной форме, недоступной для механического удаления.
Дальнейшие эксперименты проводили при совместном использо-
вании давления и электрического поля. При обработке чистой диспер-
сии каолинита с исходной влажностью 50% получены данные, согла-
сующиеся с величиной ζ-потенциала частиц (см. рис. 3, 4). При рН 2,3
порового раствора, отвечающего т.н.з., величина остаточной влажно-
сти, составляющая 42,0%, равна таковой при механической обработке
42,3% (см. рис. 4, кривая 1 и рис. 2, кривая 4). Минимальная остаточ-
ная влажность (35,5%) достигнута при рН порового раствора 9,9, что
соответствует наибольшему значению ζ-потенциала, составляющему
–48 мВ (см. рис. 4, кривая 3), и, следовательно, максимально возмож-
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2016, т.38, №5 463
ной скорости электроосмоса. Поровый раствор с рН 4,3, обеспечива-
ющий ζ-потенциал на уровне – 22 мВ, дает промежуточное значение
остаточной влажности, которое составляет 38,9% (см. рис. 4, кривая 2).
Степень обезвоживания при этом – соответственно 27,6; 45,0 и 36,3%.
30
40
50
0 0,4 0,8
%
АК
4
3
2
1
5
Рис. 4. Распределение остаточной влажности в дисперсии каолинита при
рН порового раствора: 2,3 (1); 4,3 (2); 9,9 (3); в системе, содержащей суспен-
зию дрожжей и дисперсию каолинита, при рН порового раствора каолинита:
4,3 (4); 9,9 (5). Напряженность – 3 В/см. К – катод, А – анод.
Следует отметить, что при воздействии электрического поля на дис-
персию с заряженными частицами кривые 2 и 3 послойного распределе-
ния (см. рис. 4) имеют наклонный характер, в отличие от кривой 1, отве-
чающей т.н.з. каолинита. По-видимому, практически горизонтальное
распределение в последнем случае связано с тем, что конечная влажность
определяется только сжимаемостью системы и ее гидродинамическим
сопротивленим. При электрической обработке в процессе удаления воды
происходит перераспределение общего падения напряжения. В первую
очередь жидкость отводится из прианодного слоя. Соответственно, на
этом участке уменьшается электропроводность и увеличивается напря-
женность электрического поля, что способствует более эффективному
удалению влаги по сравнению с другими участками.
Переход к системе, содержащей суспензию дрожжей, как и при меха-
ническом обезвоживании, приводит к большей остаточной влажности
(см. рис. 4, кривые 4, 5), чем в случае чистого каолинита (кривые 1 – 3).
При исходном рН каолинита 4,3 достигается влажность 50,7% (степень
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2016, т.38, №5464
обезвоживания – 44,4%), а при рН 9,9 – остаточная влажность 44,4%
(степень обезвоживания – 57,7%). Таким образом, если при механиче-
ской обработке таких систем отличие между степенями их обезвожи-
вания составляло всего 3%, то при сочетании механического воздей-
ствия с электрическим это отличие составило 13,3%.
Полученное различие может быть объяснено структурированием
двухкомпонентной системы, более сильно выраженным при исходном
рН каолинита, равном 9,9. В этом случае в момент смешивания состав-
ляющих дисперсии ζ-потенциал частиц каолинита равен – 48 мВ,
что приводит к их более сильному отталкиванию от частиц дрожжей
(–17 мВ), чем при рН каолинита 4,3 (–22 мВ). В результате в дисперсии
формируются своеобразные поры, которые способствуют электроос-
мотическому отводу жидкости, что особенно важно при гелеобразной
структуре органической составляющей дисперсии. Подтверждением
идеи о структурировании дисперсии является тот факт, что, несмотря
на более высокую степень обезвоживания дисперсии с исходным рН
каолинита 9,9, снижение ее объема оказывается меньше, чем при исход-
ном рН 4,3 (соотношение конечного и начального объемов составляет
соответственно 0,60 и 0,56).
Выводы. Показано, что система, включающая в себя помимо мине-
ральной (каолинит) гелеобразную органическую составляющую
(суспензию дрожжей), проявляет меньшую способность к механиче-
скому обезвоживанию. По-видимому, это связано как с ростом ее гидра-
динамического сопротивления, так и с относительным увеличением
доли связанной воды. Наложение электрического поля при обеспечении
достаточно высоких значений ζ-потенциала частиц каолинита позво-
ляет добиться уменьшения конечной влажности. Следует предполо-
жить, что если в системе остается вода в форме, доступной для удаления
электроосмосом, дальнейшего понижения влажности можно достичь за
счет регулирования параметров ведения процесса – повышения напря-
женности электрического поля и увеличения продолжительности обра-
ботки, однако при этом следует принимать во внимание и рост энерго-
затрат на ее проведение. Другим путем для повышения эффективности
обезвоживания может быть внесение в систему составляющей, харак-
теризующейся более высокими значениями ζ-потенциала, что должно
сопровождаться как непосредственной интенсификацией электроос-
мотического течения при прочих равных условиях, так и увеличением
отвода жидкости за счет структурирования дисперсии.
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2016, т.38, №5 465
Резюме. Досліджено ефективність зневоднення двохкомпонент-
ної дисперсної системи при її механічній обробці і додатковому впливі
електричного поля. Показано, що при наявності гелеподібної орга-
нічної складової, яка істотно ускладнює процес видалення рідини,
ступінь зневоднення помітно зменшується. Для досягнення прийнят-
них значень кінцевої вологості в таких системах необхідно створення
умов, що забезпечують електроосмотичне перенесення рідини.
L.L. Lysenko, N.A. Mishchuk, T.A. Nesmeyanova
ELECTROKINETIC INTENSIFICATION OF DEWATERING
OF COMPLEX DISPERSE SYSTEMS
Summary
The study of the efficiency of dewatering of a two-component disperse
system during its mechanical treatment and additional exposure to an electric
field is carred out. It is shown that in the presence of gellike organic component,
significantly complicating the fluid removal process, the degree of dewatering
considerably reduces. To achieve the acceptable final moisture of such systems it
is necessary to create conditions that provide electroosmotic transport of liquid.
Список использованной литературы
[1] Al-Asheh S., Jumah R., Banat F., Al-zou’bi K. // Food Bioprod. Process. –
2004. – 82, C3. – P. 193 – 200.
[2] Bazhal M.I., Lebovka N.I., Vorobiev E. // J. Food Eng. – 2001. – 50. – P. 129 –
139.
[3] Fourie A.B., Jones C.J.F.P. // Geotext. Geomemb. – 2010. – 28. – P. 181 – 190.
[4] Kyllo..nen F., Lehto J., Pirkonen P., Gro..nroos A., Pakkanen H., Ale n R. // Water
Sci. Technol. – 2010. – 62, N2. – P. 387 – 393.
[5] Verrelli D.I., Dixon D.R., Scales P.J. // Colloids Surf., A. – 2009. – 348, N 1/3. –
P. 14 – 23.
[6] Raynaud M., Vaxelaire J., Olivier J., Dieudé-Fauvel E., Baudez J.C. // Water
Res. – 2012. – 46, N14. – P. 4448 – 4456.
[7] Qi Y., Thapa K.B., Hoadley A.F.A. // Chem. Eng. J. – 2011. – 171. – P. 373 – 384.
[8] Mahmoud A., Olivier J., Vaxelaire J., Hoadley A.F.A. // Water Res. – 2010. –
44. – P. 2381 – 2407.
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2016, т.38, №5466
[9] Glendinning S., Lamont-Black J., Jones C.J.F.P. // J. Hazard. Materials., A. –
2007. – 139. – P.491 – 499.
[10] Vaxelaire J., Bongiovanni J. M., Mousquesand P., Puiggali J.R. // Water Res. –
2000. – 34, N17. – P. 4318 – 4323.
[11] Xian-shu D., Xiao-jie H., Su-ling Y., Wei-peng R., Zhi-zhong W. // Procedia Earth
and Planetary Sci. – 2009. – 1. – P. 685 – 693.
[12] Ruth B.F. // J. Ind. Eng. Chem. – 1946. – 38. – P. 564 – 571.
[13] Sоrensen P.B., Moldrup P., Hansen J.A. // Chem. Eng. Sci. – 1996. – 51, N6. –
P. 967 – 979.
[14] Lee D.J., Wang C.H. // Water Res. – 2000. – 34, N1. – P. 1 – 20.
[15] Jing S.R., Lin Y.F., Lin Y.M., Hsu C.S., Huang C.S., Lee D.Y. // J. Environ. Sci.
Health, A. – 1999. – 34, N7. – P. 1517 – 1531.
[16] Larue O., Wakeman R.J., Tarleton E.S., Vorobiev E. // Chem. Eng. Sci. –
2006. – 61, N14. – P. 4732 – 4740.
[17] Zhou J., Liu Z., She P., Ding F // Drying Technol. – 2001. – 19, N3/4. – P. 627 – 638.
[18] Yuan C., Weng C.-H. // Adv. Environ. Res. – 2003. – 7. – P. 727 – 732.
[19] Reuter M.A., Van Deventer J.S.J., Wilmans W. // Miner. Eng. – 1992. – 5, N7. –
Р. 835 – 849.
[20] Weber K., Stahl W. // Sep. Purif. Technol. – 2002. – 26. – P. 69 – 80.
[21] Yang G.C.C., Chen M.-C., Yeh C.-F. // Ibid. – 2011. – 79. – P. 177 – 182.
[22] Barton W.A., Miller S.A., Veal C.J. // Drying Technol. – 1999. – 17, N3. –
P. 497 – 522.
[23] Raats M.H.M., van Diemen A.J.G., Lavè n J., Stein H.N. // Colloids Surf., A. –
2002. – 210. – P. 231 – 241.
[24] Mahmoud A., Olivier J., Vaxelaire J., Hoadley A.F.A. // Water Res. – 2011. –
45. – P. 2795 – 2810.
[25] Curvers D., Maes K.C., Saveyn H., De Baets B., Miller S., Van der Meeren P.
// Chem. Eng. Sci. –2007. – 62. – P. 2267 – 2276.
[26] Lysenko L.L., Mishchuk N.A., Rynda E.F. // J. Water Chem. and Technol. –
2011. – 33, N 3. – P. 140 – 146.
[27] Tuan P.-A., Mika S., Pirjo I. // Drying Technol. – 2012. – 30. – P. 691 – 706.
[28] Баранова В.И., Бибик Е.Е., Кожевникова Н.М., Лавров И.С., Малов В.А. Прак-
тикум по коллоидной химии / Под ред. И.С. Лаврова. – М.: Высш. шк.,
1983. – 216 с.
Поступила в редакцию 20.04.2016 г.
|