Как показано в работе [15], сорбция растворённого в воде кислорода частицами АУ происходит в две стадии: быстрое начальное поглощение, связанное с макропористой сорбцией, и последующее медленное достижение равновесия за счёт сорбции в микропорах, осложнённое малыми размерами и извилистостью этих пор. Известно также, что гидрофобный характер внутренней поверхности активированного угля препятствует проникновению жидкой воды в микропоры размером менее 0.5 нм [15], в отличие от газообразного О2. Это дополнительно осложняет диффузионные процессы в микропорах. Таким образом, можно ожидать, что эффективный коэффициент диффузии внутри частиц АУ (
) будет возрастать с увеличением доли в нём удельного объёма макропор. Увеличение , приводящее к повышению скорости сорбции и десорбции О2 (II и IV стадии), должно повышать эффективность реализации «челночного» переноса. В соответствии с этими представлениями можно предполагать, что способность активированного угля к усилению межфазного массопереноса будет возрастать с повышением в нём удельного объёма макропор. Исходя из данной зависимости, изучаемые образцы АУ по убыванию способности интенсифицировать транспорт О2 можно было бы расположить в следующий ряд: БАУ-А > АГ-3 > КАУСОРБ. Эта зависимость соответствует результатам проведённого эксперимента: коэффициент усиления массопереноса О2 (Е) под действием частиц АУ, действительно, повышается с увеличением в них удельного объёма макропор (табл. 1). Как было показано ранее, процесс сорбции растворённого в воде кислорода частицами АУ лимитируется стадией внутренней диффузии, которая существенно замедляется с увеличением в нём доли микропор, и можно предполагать, что величина коэффициента усиления Е должна снижаться с повышением удельной поверхности частиц АУ, что подтверждается экспериментально (табл. 1).
Влияние смачиваемости частиц активированного угля на их способность усиливать массоперенос кислорода. Смачиваемость частиц АУ может влиять одновременно на скорость прикрепления частиц к поверхности раздела фаз газ-жидкость (I стадия) и переноса частиц от этой поверхности в основной объём жидкости (II стадия).
В связи с развитой пористой структурой АУ надёжных прямых методов для оценки краевого угла смачивания его поверхности к настоящему времени не предложено. Для косвенной оценки смачиваемости поверхности АУ используют метод, основанный на применении ИК–Фурье - спектроскопии [5]. При этом в качестве показателя относительной смачиваемости используют отношение интенсивности поглощения в области 1700 см-1, соответствующей валентным колебаниям связи С=О в карбоксильных группах, и интенсивности поглощения в области 1580 см-1, соответствующей валентным колебаниям двойных связей С=С в составе поверхностных ароматических структур.
В соответствии с уравнением (7), уменьшение смачиваемости частиц, то есть увеличение краевого угла смачивания (
), приводит к росту капиллярной силы прилипания частиц к поверхности раздела фаз газ-жидкость, что в свою очередь должно повышать скорость прикрепления частиц к поверхности раздела фаз газ-жидкость (I стадия), но снижать скорость переноса частиц от этой поверхности в основной объём жидкости (III стадия). Таким образом, уменьшение смачиваемости частиц АУ может по-разному влиять на эффективность «челночного» переноса О2. Показатель относительной смачиваемости для исследованных образцов активированных углей уменьшается в ряду: КАУСОРБ < АГ-3 < БАУ-А (табл. 1). В этой же последовательности, как показывают экспериментальные данные, увеличивается коэффициент усиления массопереноса О2 (Е), что говорит о преобладающем влиянии на эффективность «челночного» переноса повышения скорости процесса прикрепления частиц АУ к поверхности раздела фаз газ-жидкость за счёт увеличения капиллярной силы прилипания. Однако выявленная зависимость между смачиваемостью частиц АУ и их способностью усиливать межфазный перенос, по-видимому, справедлива лишь для исследованных образцов АУ (и близких к ним по значению краевого угла смачивания веществ), поскольку, например, практически несмачиваемые частицы (супергидрофобные) могут настолько сильно удерживаться на поверхности раздела фаз газ-жидкость силой капиллярного прилипания, что будут не в состоянии циркулировать между поверхностью жидкости и её основным объёмом и, соответственно, усиливать массоперенос по «челночному» механизму.
Влияние размера частиц активированного угля на межфазный массоперенос кислорода. Размер частиц АУ может влиять одновременно на скорость трёх стадий «челночного» переноса: поглощение и выделение кислорода частицами АУ (II и IV стадии), а также прикрепление частиц к поверхности раздела фаз газ-жидкость (I стадия).
Как показывает уравнение (10) уменьшение размера частиц должно способствовать повышению скорости поглощения и выделения кислорода частицами при «челночном» переносе, что в свою очередь может являться причиной увеличения коэффициента усиления массопереноса (Е). Однако в соответствии с уравнением (7) уменьшение размера частиц приводит к снижению капиллярной сила прилипания частиц к поверхности раздела фаз газ-жидкость, что должно оказывать напротив отрицательный эффект на усиление массопереноса О2.
В соответствии с экспериментальными данными (рис. 2) уменьшение размера частиц АУ ведёт к существенному росту коэффициента Е, что говорит о преобладающей роли в отношении эффективности «челночного» переноса повышения скорости поглощения и выделения кислорода частицами с уменьшением их размера.
| Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления массопереноса О2 (Е) от среднего размера частиц АУ марки БАУ-А при постоянной скорости перемешивания 200 об/мин |
Зависимость, в соответствии с которой уменьшение размера частиц приводит к повышению коэффициента усиления массопереноса О2 (Е), по-видимому, можно распространить и на частицы размером менее 20 мкм, которые не изучались в данной исследовании. Так, например, в работе [3] показано, что частицы магнетита размером 20 нм позволяют достичь коэффициента усиления массопереноса Е=6.
Влияние гидродинамических условий на массоперенос кислорода в присутствии частиц активированного угля. Гидродинамические условия могут существенно влиять на распределение частиц АУ между основным объёмом жидкости и поверхностью раздела фаз газ-жидкость, действуя при этом на скорость процессов прикрепления частиц к поверхности раздела фаз газ-жидкость (I стадия) и отрыва и переноса частиц от этой поверхности в основной объёмом жидкости (II стадия).
Повышение скорости перемешивания приводит к увеличению силы потока жидкости, действующей на частицы, что вызывает снижение величины константы kadh и повышению значения константы kdeh. Таким образом, повышение интенсивности перемешивания, с одной стороны, должно приводить к снижению скорости процесса прикрепления частиц к поверхности раздела фаз газ-жидкость (I стадия) и соответствующему снижению коэффициента усиления Е. Однако, с другой стороны, увеличение интенсивности перемешивания вызывает повышение скорости переноса частиц между поверхностью раздела фаз газ-жидкость и основным объёмом жидкости (II стадия), что напротив должно приводить к повышению эффективности «челночного» переноса и соответствующему росту величины коэффициента усиления массопереноса О2 (Е). Таким образом, интенсивность перемешивания противоположно влияет на скорость двух стадий «челночного» переноса, и можно предполагать, что на кривой, выражающей зависимость коэффициента усиления (Е) от скорости перемешивания, будет наблюдаться максимум. Полученные экспериментальные данные показывают, что, действительно, при увеличении скорости перемешивания со 100 до 200 об/мин происходит небольшое увеличение коэффициента Е, однако дальнейшее повышение интенсивности перемешивания приводит к снижению его величины (рис. 3).
| Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления массопереноса О2 (Е) от скорости перемешивания в присутствии частиц АУ марки БАУ-А (концентрация 0.125 г/л) |
Влияние концентрации частиц активированного угля на межфазный массоперенос кислорода. В соответствии с уравнением (6) повышение концентрации частиц АУ в основном объёме жидкой фазы должно приводить к увеличению скорости их прикрепления к поверхности раздела фаз газ-жидкость (I стадия) и соответствующему увеличению коэффициента усиления массопереноса О2 (Е). Однако, как показывают экспериментальные данные (табл. 2), на зависимости коэффициента усиления (Е) от концентрации частиц АУ в жидкой фазе наблюдается максимум.
Табл. 2. Зависимость коэффициента усиления массопереноса О2 (Е) от концентрации частиц АУ марки БАУ-А (скорость перемешивания 200 об/мин)
| Е |
62.5 | 3.3 |
125.0 | 3.7 |
250.0 | 3.5 |
Примечание: 
- концентрация частиц АУ в объёме жидкой фазы
Появление спада после максимума можно объяснить увеличением эффективной вязкости суспензии с повышением содержания в ней твёрдой фазы (уравнение (12)), что приводит к замедлению межфазного транспорта в системе газ-жидкость [16].
, (12)
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
Основные порталы (построено редакторами)