Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование влияния электростатического поля на процессы коагуляции в аэродисперсных системах

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование влияния электростатического поля на процессы коагуляции в аэродисперсных системах"

' САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 551.511.

ВЛАСЕНКО Сергей Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕССЫ КОАГУЛЯЦИИ В АЭРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 04.СХ).22 - Геофизика

Автореферат

Диссертация на соискание ученой степени кандидата Сязихо-матеыатнческнх наук.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена в отделе физики атмосферы Научно-исследовательского института физики Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель: д.ф.-ы.н. ИВЛЕВ Л.С.

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н. ДУБРОВИЧ H.A.

к.ф.-м.н. РАДИОНОВ В.Ф.

Ведуяая организация: Главная геофизическая обсерватория им.А.И.Воейкова

Запита диссертации состоится " " 1ЭЭ2 г.

в // час. на заседании специализированного совета Д.063.57.51 по завите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д.7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

" 3 ■ CUlfWtA^

Автореферат разослан " J ■ сиърхсщ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета ЗАЙЦЕВА С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. В последнее время усилится интерес к проблеме активных воздействий на аэродисперсные системы с целью управления их поведением. Подобная необходимость возникает, например, в вадачах регулирования процесса осадкообразования, оптимизации горения, рассеяния тушнов, очистки газов в т.д. Неоднозначность первых подученных результатов потребовала более детального изучения процессов, протекавши в дисперсных системах под действием различных внеиних факторов. Среди них многие исследователи особое мэсто отводят электрическим полям и зарядам дисперсных частиц. Силы электрической природы могут эффективно влиять на взаимодействие дисперсных частиц в системе, поэтому воздействие на электрическое состояние аэрозоля может привести к существенным изменениям в его дисперсном и морфологическом составе, что требует количественной оценки влияния электрических факторов на эволюция аэрозоля-Необходимо отметить, что аэродисперсные системы обладает значительным качественным и количественным многообразием, которое проявляется не только в различие химического состава и агрегатного состояния дисперсной фазы, но я в чрезвычайно нироком диапазоне возможных размеров дисперсных частиц (Ю"в - 10"* м), самой систе-1га в цели (10"1 - 10®м) и счетной концентрации частиц (10"1 - 10е см"3). Такое разнообразие приводят к тому, что несмзтря на наличие ряда общи закономерностей, поведение аэрозолей различных типов под действием электрических полей характеризуется определенной спецификой, которая нуждается в соответствуваем изучении. Наибольший интерес в этом аспекте представляет субмикронный аэрозоль. (10"1 - I мог), который с одной стороны наиболее чувствителен к действии электрических сил, а с другой стороны является наименее изученным объектом в физике аэродисперсных систем.

Цель работы н мвтод исследования. Основная цель работы состояла в комплексном исследовании влияния электростатического поля на скорость процесса агрегация субмнкроиных аэродисперсных частиц я на структуру формирухяихся при атом агрегатов в зависимости от степени алектризацки исходного аэрозоля. Для репения поставленной задачи была создана экспериментальная установка к разработана методика лабораторного моделирования эволшии аэродисперсных систем в электростатическом поле. Возникавшие при этом требования к вое-

производимое™ характеристик аэрозоля и параметров вневней среда определяет основной метод исследования - лабораторное моделирование взродисперсных систем в условиях аэрозольной камеры.

Научная новизна работы заключается в следуввем:

I.Создана экспериментальная установка для исследования агре-гативной устойчивости твердых и жидких аэрозолей под действием электрических полей. Разработана методика определения эффективного коэффициента коагуляции аэрозолей в системах с интенсивным стоком дисперсных частиц.

2.Определены зависимости скорости коагуляция аэрозолей от напряженности электростатического поля и величины зарядов частиц. Обнаружено резкое ускорение процесса агрегации частиц при усилении вневнего поля сверх некоторого порогового значения.

3.Предложена простая кинетическая модель эволшии заряженных аэрозолей в электрическом поле, позволявшая удовлетворительно интерпретировать наблюдаемые экспериментальные результаты.

4.Показано, что коагуляция твердых аэрозольных частиц в электрическом поле сопровождается четко выраженными изменениями геометрической структуры растущих агрегатов.

5.Обнаружено, что на поздней стадии коагуляции электрическое поле может приводить к агрегативной неустойчивости крупных аэрозольных частиц. Предложена методика экспериментальной оценки средней энергии связи частиц в агрегате и определена ее зависимость от напряженности электрического поля.

Практическая значимость. Продемонстрировано эффективное влияние вневних и внутреннх электрических полей на агрегативнуп устойчивость аэрозолей. Результаты, полученные в данной работе могут быть использованы при разработке методики активных воздействий на атмосферные процессы, способов очистки газовых сред, а так же для формирования аэродисперсных систем с заданными свойствами. Приведенные данные по скорости агрегации и дезагрегация частиц в электрических полях могут быть учтены при уточнении микрофизнческях моделей аэрозоля в облаках, дымовых и вулханических выбросах, пыльных бурях в т.д.

Апробация работы. Диссертация или отдельные ее частв докладывались в обсуждались на III и IV Всесоюзных симпозиумах по атмосферному электричеству (Тарту 1986, Нальчик 1ЭЭО), на XIV и XV Всесоюзных конференциях по актуальным проблемам физики аэродисперсных систем (Одесса 1586,1989), на конференции молодых ученых ГГО

вы.А.И.Воейкова (1989) а на конференция но .годах ученых Северо-запада по физике атмосферы (1987), на научных сеюшарах отдела фа-зюся атмосферы НИИФ СПбГУ,а татав опубликованы в статьях н тезисах докладов.

Структура н обгем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, ваклячения, списка цитированной литературы вз 184 наименований и запишет 183 стр. тгптнопгсного теиста вклзчая 41 рясунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована цель работы, сформулированы основные задачи, которые рассматривается в диссертация, кратко пряведзнк основные результаты, выноснкые автором на зашггу.

Глава I представляет собой обзор экспериментальных я теора-тяческих работ, посвягенных ютсроСязяческиы изханизиэм трансфорга-цяя аэрозогэЯ и вляянна на эта процессы алектричесхнх полай.

Рассштрзваятся основные проблем кинетического описания езо-ггцна аэродвсперсных систем. Изизненке функция распределения аэрозольных частиц во временя я пространстве о обпан случав обусдоалэ-ио совокупным доаствиен нескольких процессов - коагуляцпев, коа-дэнсашгеа, турбулентным я конвективный переносом, седяшытациаа я т.д. еорузльно вклад ятях кзханизюй шгзт быть учтен вклзчоипза соответствует« слагаемых в кинетическое уравненсз для функция распределения частиц я а обзоре приводятся некоторые иодели дина-«хя атмосферных я друтях аэрозолей. Однако несмотря на прянцвпя-альнув возьюяность полного кинетического описаняя аэродпсперсиой сгстока, практическое применение такого подхода сдарзизаатся необ-ходяшетьп знать количественные характеристика кяхрофззическах проазссоа (я преаде всего ядра коагуляция), протекаезях в аярозо-лах. ОбзирянЗ зхспериментальныа в теоретпчесюй кзтериал свяда-тельствует, что скорость я направление агрегацяонных процессов зависят от электрического состояния дисперсно® система, т.е. от величины в знака зарядов на аэрозолях а напряганностя вкевяего злэи-трического поля.

В глава II приведено описание гхсперякзятальной установка (рзс.1) а штодихя определения схоростя коагуляция дасперсяых частая под действием злгктрячесзсах пола». Центральным элементом уста-возла язлпэтел аэрозольная камера объемам I ы3, вяутря которое

- б -

с квитированы обкладхи плоского конденсатора, подсоединенного к высоковольтному источнику. Электрическое пода в каиэре регулировалось в пределах 0-3 кВ/сы. Аэродисперсная скстеыа форшроваласъ пнеЕШТсческга! распыленней растворов кл& поронков с предварительной сепарацией частиц для сужения спектра разиаров аэрозолей в ка-шрэ

Рес.1 Блок-cxeia Ехспергкгзнтальной установки

Распределена частиц по разьгзраи Езьазрялось фотоэлектрически счетчиком АЗ-5 в диапазоне 0.4-10 кгсы. Крош этого производила отбор аэрозольных проб из какэри с последуюалы анализом под опте Ч2СК1И и влгктронныы микроскопом. Обработка микрофотографий на ЭЕ позволяет проследить нзшненле дисперсного состава к структур часткц под действпеи электростатического поля. Для оценки алектрв чаского наряда на частицах заряженный аэрозоль пропускался чере щшшдрЕчзсквй конденсатор. Избиение спектра размеров проведвег аэрозоля о вавпсиоств от напряззкия на конденсаторе позволяет оп рздзлять величину среднего заряда на частицах разного разшра.

ПровздзнниЯ анализ основных шханизмов трансформации двсперс ннх частиц показал, что на начальной стадии эволвцня аэрозолей Kaiapa »»ват бить описана кинетическим уравнением коагуляции с по стшшнаа ядром и функцией стока часткц Ш:

«И и _ tfv _ п в

ревенве которого имеет вид

H(t) - Н0[ (1 + fl) eip( I^t ) - fi ] \ где fi - ■ .

Поскольку интенсивные сток частиц в электрической поле «скирует эффект коагуляции, скорости этих процессов определялись независимо, по данных наблюдений за системами с разной начальной концентрацией частиц.

В главе III представлены основные экспериментальные результаты по влияние электростатического поля на скорость коагуляцнонного роста заряженного и нейтрального аэрозоля. В работе исследовались частицы разного химического состава (растворы KaCl, HH^NO,, (NH^jSO^; частицы А1203, CuCOj, почвы) и размера. Анализ экспериментального материала показывает, что несмотря на достаточно сильные различия в количественном отнопенин, вид зависимости эффективной константы коагуляции аэрозольных частиц разных типов от напряженности электростатического поля характеризуется некоторыми обоими признаками (рис.2):

-скорость коагуляции монотонно возрастает с ростом напряген-ности электрического поля, причем на графике зависимости ^(Е) можно выделить две области "медленного" и "быстрого" роста эффективной константы коагуляции в слабых и сильных полях соответственно. В переходной области, соответствувеей пороговой напряженности, на графике ^(Е) наблюдается изгиб, положение которого зависит от степени электризации аэрозоля;

-биполярная электризация аэрозоля ускоряет процесс коагуляции во всем исследуемом диапазоне напряженности электрического поля. Увеличение эффективной константы коагуляции тем заметнее, чем виве значение среднего заряда частиц, при этом значение пороговой напряженности уыэньаается (изгиб на графике К„(Е) смекается влево);

-эффект униполярной электризации на коагуляции аэрозольных частиц неоднозначен. С одной стороны она приводит к замедлении процесса коагуляции в слабых полях, с другой стороны наблвдается повышение константы коагуляции в сильном электрическом поле. Обе тенденции усиливается с ростом среднего заряда частиц. При атом изгиб на графике К„(Е) также сменяется в область слабых полей.

В заключительной части главы сделана попытка объяснить наблюдаемые закономерности на основе численного реяения задачи о взакм-

ной диффузии заряженных дисперсных частиц в электрическом пом. Результаты расчетов в анализ реиеиия для предельных случаев малых и больвих чисел Пекле (Ре) позволяли предложить приближенную кинетическую модель процесса и параметризовать зависимость ядра коагуляции от напряженности поля кусочно-линейной функцией. В рамках этой модели резкое увеличение скорости агрегации заряженных частиц в сильных электрических полях связано с изменением механизма коа-

Рис.2. Зависимость скорости коагуляции аэрозольных частиц от напряженности электростатического поля I - нейтральный. 2 - биполярный, 3 - униполярный аэрозоль

гуляции от диффузионного (Ре -» О) к конвективному (Ре ш), а положение изгиба на графике зависимости К(Е) соответствует напряженности поля, при которой среднее по ансамблю локальное число Пекле близко к единице. Это условие может служить удобным формальным критерием для разграничения сильных и слабых полей применительно к эволюции конкретное аэродисперсной системы.

Глава IV посвядена морфологическому аспекту агрегации твердых частиц, т.е. влияние поля на форму и строение коагулируюжих аэрозолей. Анализ структуры аэрозольных агрегатов, сформированных в электрическом поле, показывает, что они имеют форму вытянутых цепочек из первичных частиц, причем длина этих агрегатов и степень их вытянутости возрастает с ростом напряхенности и в достаточно сильных полях их форма становится практически линейной.

В следугаем разделе этой главы рассматривается вопросы обратимости коагуляции и устойчивости аэрозолей. Показано, что крупные агрегаты, составленные как правило из противоположно заряженных фрагментов, имеет низкув прочность коагуляционной связи и могут самопроизвольно разруваться. Наложение на дисперсную систему электрического поля усиливает процесс дезагрегации, что проявляется в его ускорении и распаде агрегатов на более мелхие фрагменты. По данным эксперимента оценена энергия связи дисперсных частиц в агрегате 24КТ. Ее снижение с ростом напряженности поля вызвано взаимодействием с вневним полем разноименных зарядов дисперсных частиц внутри агрегата. Таким образом, электростатическое поле с одной стороны увеличивает вероятность столкновения аэрозольных частиц, а с другой стороны уиеньвает вероятность их агрегирования, поэтому конечный эффект воздействия электрического поля на аэрозоль неоднозначен и определяется не только величиной напряженности этого поля, но и характеристиками самой аэродисперсной системы.

В последнем разделе главы IV обсувдается воздействие электрического поля на структуру аэрозольных частиц высокой степени агрегации. Геометрическое строение таких объектов (фрактальных кластеров) удобно характиризовать с помощью понятия фрактальной размар-ности о (2). Вы па показано, что ориентируюнее действие поля на коагуляцию аэрозолей приводит к образования вытянутых цепочек первичных частиц. Дальнейвая их агрегация формирует аэрозольные кластеры с сильно разреженной структурой. Количественно этот эффект проявляется в уменьвении величины фрактальной размерности агрегата с увеличением напряженности электрического поля в котором происходил его рост.

В заключения кратко перечислены основные результаты диссертационной работы:

I.Создана экспериментальная установка для моделирования эволюции аэрозольных частиц под действием электростатических полей в условиях стендовой камеры с возможностью регулирования в проком

диапазоне таких параютров аэрозоля, как концентрация, дисперсны! состав, распределение электрического заряда на частицах. Разработана штодика определения аффективного коэффициента коагуляция на начальной стадии процесса в системах с интенсивным стоком дисперсных частиц, в основу которой положено проведение многократных наблюдений ва трансформацией системы в идентичных условиях, но при разной начальной концентрации аэрозолей.

2.По данным эксперимента определены зависимости эффективного коэффициента коагуляции от напряженности электростатического поля для аэрозольных частиц разного химического и дисперсного состава в случае биполярной и униполярной электризации системы. Показано, что для всех исследованных типов аэрозолей электрическое поле начинает заметным образом влиять на скорость коагуляции лииь начиная с некоторого порогового значения напряженности поля Ев, причем в случае сильного электрического поля (Е > Ео) , скорость коагуляция резко возрастает с увеличением напряженности, а в слабых полях (Е < Ео) значение эффективного коэффициента коагуляции проктнчески не зависит от напряженности. Величина Ео определяется главным образом электрическим состоянием аэрозоля и с ростом заряда на частицах имеет тенденции к снижению.

3.Проведено численное моделирование процесса коагуляции заряженных аэрозолей в электростатическом поле на основе реиения уравнения конвективной диффузии и кинетического уравнения коагуляции. На основе сопоставления результатов расчета и эксперимента предложена упрощенная модель электростатической коагуляции аэрозолей, которая позволяет интерпретировать основные наблюдаемые закономерности. В рамках данной модели разделение электрических полей на сильные и слабые по их влиянию на скорость агрегации связано с диффузионным и конвективным режимом сближения дисперсных частиц, а пороговое значение Ео соответствует переходной области, когда среднее по ансамблю локальное число Пекле близко к единице.

4.Разработана методика морфологического исследования аэровольных частиц, вклвчаюяая в себя отбор аэрозольных проб, просмотр их под электронным или оптическим микроскопом и последуюаую обработку изобратаний на ПЭВМ. С использованием данной методики изучено изменение структуры твердых аэрозольных частиц, коагулируюних в электрической поле. Обнаружено, что на начальном этапе агрегация влияние электрического поля проявляется в формировании вытянутых аэрозольных агрегатов в виде цепочек вз исходных частиц, причем

анизотропия фориы возрастает с усилением напряженности. ДальнейнкЯ рост таких образований приводят форсированна крупных аэрозольных кластеров, для описания структура которых успевно используется фрактальный подход. При ото« фрактальная размерность фориаруекых агрегатов оказывается тем уеньгэ, чем висе напряженность электрического поля в которой происходит качаальный рост частиц.

5.Показано, что электрическое полз ютгат сумственно снизать прочность крупных аэрозольных агрегатов, сфоркированных нз проти-вопологно ззрягенных фрагментов, прячем вероятность дезагрегации линейно возрастает с увеличением напряженности. Получены оценка для средней энергия связи исходных аэрозольных частиц в агрегате во внепнеы электрическом пола. Сделана попытка интерпретировать наблгдаекае эф}екты за счет взакюдействия биполярных зарядов агрегированных фрагшнтов с вневннм полем, при этом получено удовлетворительное согласие оценок с данныст экспертязнта

Цитируемая лптературз

1.tfllllara П.!!.Я. Богя exact and approxlmte solutions of the non linear Boltznmn equation irith application to aerosol coa^ilation. //J.Phya.К. 1981. Y.14. S 8. P.2037-2069.

2.Смирнов Б.У. Срактальные кластеры. М.: Наука, 1991. С.IX.

По ютерпалам диссертация оппубляхованы следуюзяе работы:

1.Ивлев Л.С., Погорский С.Н., Власенко С.С. О влиянии электростатического поля на эводецип искусственных аэродисперсных систем. III всесосзныЯ симпозиум по атмосферному электричеству. Тарту. I9S6. Тез.докл. С.69.

2.Власенко С.С. йсслодованпе коагуляция аэрозольных частиц в однородном электростатическом поле. Деп. в ВИНИТИ Э7086-В88 от 16.10.88. С.9.

3.Влзсенко С.С., Ивлзз Л.С. Исследование влияния электрэтескях полей я зарядов на эволецюэнные процесса в азродгеперннх скстекэх. XY всесоюзная конференция "Актуальные вопросы фгзнхл азродисперс-ных систем". Одесса.1989. Тез.док. т.1. С.119.

4.Влэсенко С.С. Влзяязэ электростатического поля на зволяшет ас~ кусстзенннх азродгепереннх систем. В сб: Проблема фязшеа атюсферы

К9. Л.:Мзд-В0 ЛГУ, 1989. С202-205.

6.Власенко С.С. Влиянве электризация аэрозольных частиц на их коагуляции в влвктростатвческом пола. Деп. в ВИНИТИ <6344-В8Э от 07.06.89. С.15.

6.Власенко С.С., Ивлвв Л.С. Цепочечная агрегация заряженных в незаряженных аэрозольных частиц в электросстатвческом поле. IV всесоюзный симпозиум по втиэсферноцу электричеству. Нальчик, 1990. Тез.док. С.112.

7.Шха&юв Е.Ф., Власенко С.С. Экспериментальные исследования фрактальных свойств растугвх кластеров на примере водида свинца. Хвмвческая физика, 1990. Т.9. Ш. С.1569-1573.

8.Власенко С.С. Линейная агрегация аэрозольных частиц в электростатическом пола. Вестник ЛГУ, 1990. Сер.4. Вып.4. С.30-35. Э.Кнхайлов Е.Ф., Власенко С.С. Влияние анизотропия частиц на рост фрактальных кластеров РЫ2 в газовой фазе. Химическая физика, 1991. Т.10. Ш. С.1017-1022.

Объем I п.л., тир. 100, ьа&.З/гН Разревительнна В

195272, Ленинград, Красногвардейская пл., д. 4

да. цкш