Электрокинетические процессы

При воздействии электрического поля высокой напряженности на вещество, находящееся в твердом, жидком или газообразном состоянии, возникают процессы, при которых наряду с изменением физических и химических свойств материала происходит изменение распределения образующих его частиц в пространстве. Это применение электрических полей высокой напряженности в технологических процессах получило общее название электронно-ионной технологии. Она 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 изделии.

Получили развитие следующие виды электронно-ионной технологии:

· 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 изделие;

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

· электроформообразование.

В основе электронно-ионной технологии лежат следующие явления.

Электроосмос – движение жидкости по отношению к твёрдому телу под действием электрического поля.

Электрофорез (катафорез) – движение частил взвешенных в жидкости или газе под воздействием электрического поля. Электродиализ – явление, которое составляет диализ (очистка растворов от электролитов) и электрофорез.

Указанные явления протекают в электростатических установках.

При массопереносе в таких установках электрическое поле перемещают не ионы, как это происходит при электролизе, а макрочастицы вещества, состоящие из большого количества молекул.

Электроосмос используется для удаления избыточной влаги из почв при прокладке транспортных магистралей и гидротехническом строительстве, для сушки торфа, обезвоживания пористых материалов, очистки воды, технических жидкостей и др. В электростатических установках протекание процессов обусловлено возникающими кулоновскими силами. Для их возникновения частицы должны быть заряженными.

Используются на практике в основном три принципа зарядки частиц:

- путем осаждения на поверхности частицы ионов из объема газа, окружающего частицу;

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

- путем механической, химической и тепловой электризации.

Наиболее распространена на практике электризация частиц за счёт трения друг о друга и о стенки сосуда (трибоэлектричество). Контактный заряд проводящей частицы, коснувшейся заряженного тела, составляет

(7.1)

где С – емкость частицы, φ – потенциал заряженного тела, В.

При неоднократном касании частицей заряженного тела ее заряд

(7.2)

где S_к – площадь контактной поверхности, м²; N_k – число контактирований частицы с заряженным телом.

Для уяснения сущности зарядки частиц путем электростатической индукции представим себе плоский конденсатор, на нижней обкладке которого находится тонкий слой частиц. Если между обкладками конденсатора приложить разность потенциалов U, то все частицы получат заряд где С – емкость конденсатора; S – площадь поверхности пластин конденсатора; d – расстояние между пластинами конденсатора. Со стороны внешнего электрического поля Е на каждую из частиц действует сила, стремящаяся оторвать частицу от пластины. При увеличении напряжения U эта сала может преодолеть силу сцепления частиц с обкладкой конденсатора. Частицы оторвутся от пластины и поле­тят к противоположной обкладке, но уже заряженные.

Наиболее часто в установках электронно-ионной технологии используется зарядка частиц путем осаждения ионов на их поверхность из-за достаточно высокой эффективности, т.е. большого значения заряда, приобретаемого частицами. Источником ионов в этом случае может быть коронный разряд.