Реферат: Данная работа посвящена проблеме разделения коллоидных смесей

Прохор Федосов,

ученик 11-1 класса МОУ гимназия № 80, г. Челябинск


Разделение смеси диамагнитных золей методом электрофореза в постоянном магнитном поле


Научно-исследовательский ученический проект


Данная работа посвящена проблеме разделения коллоидных смесей. В этой работе мы предлагаем качественно новый уровень электромагнитного разделения смесей диамагнитных коллоидов. В предложенной нами модели реализовано использование электрофореза для ускорения заряженных диамагнитных частиц и применение к ним магнитной силы Лоренца. Целью работы является разработка установки, позволяющей отклонять движущиеся частицы золя с помощью постоянного магнитного поля. В соответствии с этой целью мы определили для себя следующие задачи: во-первых, сконструировать устройство, состоящее из резервуара с водой, электрофоретического барабана, кольцеобразного электрода и одного электромагнита. Во-вторых, рассчитать оптимальные параметры тока для всех узлов устройства. В-третьих, описать с помощью уравнений электродинамики и коллоидной химии процессы, которые будут происходить в установке, и на основе расчетных данных и результатов испытаний сделать вывод об эффективности и конкурентоспособности устройства.

Изучением коллоидных систем занимается специальный раздел физической химии - коллоидная химия. В коллоидной химии коллоидными дисперсными системами (дисперсиями), называют системы, в которых одно мелкораздробленное вещество – дисперсная фаза – равномерно распределено (диспергировано) в другой фазе – дисперсионной среде. В коллоидных системах размер частиц дисперсной фазы составляет 10–9–10–7 м, т.е. лежит в интервале от нанометров до долей микрометров. Эта область превосходит размер типичной малой молекулы, но меньше размера объекта, видимого в обычном оптическом микроскопе. Физические свойства коллоидной дисперсной системы зависят от соответствующих свойств фаз, составляющих коллоидную систему. Одна из важнейших особенностей коллоидных частиц – это наличие собственного электрического заряда. Термин «золь» используется для обозначения таких систем, в которых дисперсная фаза находится в твердом агрегатном состоянии, а дисперсионная среда - жидкость.

В своей работе мы экспериментировали с двумя веществами, образующими устойчивые диамагнитные гидрозоли. Это означает, что вещества не обладают собственными магнитными свойствами и не могут намагничиваться, что очень важно в нашем случае, т.к. магнитные золи обладают собственным слабым магнитным полем и взаимодействуют с внешним магнитным полем совершенно иначе. Для исследования мы выбрали гидроксид железа (III), образующий высокодисперсный золь бурого цвета, и сложный оксид алюминия и кремния Al2O3*2SiO2*2H2O, более известный как каолин или белая глина. Выбор обоснован, прежде всего, сходством в строении двойного электронного слоя частиц золей, что обусловливает знак заряда частицы. Оба золя отрицательно заряжены и, кроме того, контрастно окрашены.

Новаторство работы заключается в том, что мы применили в ней необычный подход к исследованию коллоидных частиц. Коллоидную частицу можно рассматривать с точки зрения электродинамики как движущийся заряд, который может обладать свойствами, сходными со свойствами движущейся элементарной частицы. Это значит, что в электрическом и магнитном полях диамагнитная коллоидная частица будет вести себя так же, как и заряженная элементарная частица, следовательно, ее поведение будет несложно предсказать и описать с помощью простейших уравнений электродинамики. Магнитное поле будет действовать на частицы, обладающие массой m, зарядом q и скоростью v с силой Лоренца. Но тут возникает определенная проблема: дело в том, что в коллоидной системе частицы движутся хаотично (так называемое броуновское движение), поэтому определить направление вектора скорости в определенный момент времени невозможно. Невозможно также определить направление силы Лоренца и тем более вычислить траекторию, по которой частицы будет двигаться в магнитном поле. Для того чтобы решить эту проблему нужно, прежде всего, упорядочить движущиеся частицы, т.е. ориентировать их в пространстве так, чтобы вектора скоростей всех частиц были сонаправлены и частицы двигались примерно с одинаковой скоростью. Для этого мы применили явление электрофореза. Оно относится к группе электрокинетических явлений и является одним из типов взаимодействия коллоидных систем с внешним электрическим полем. Первым его исследовал русский ученый Рейс в 1808 году. Суть этого явления заключается в том, что заряженные частицы золей при наличии внешнего электрического поля сначала начинают двигаться в направлении противоположно заряженного электрода, а затем, достигнув его, разряжаются на нем и откладываются в виде тонкого напыления. Можно сказать, что применение электрофореза является в нашем случае оптимальным решением. Во-первых, оно позволяет сообщить всем частицам примерно одинаковую скорость, ориентировать их в пространстве и создать направленный поток частиц. Во-вторых, оно позволяет наглядно продемонстрировать результат разделения частиц – в виде контрастного напыления очищенных веществ на какой-нибудь плоскости.

Результатом работы должно было стать разделение движущегося потока и отложение частиц золей на электрофоретическом барабане в виде двух контрастных полос, состоящих из веществ изначально поданных в установку в виде смеси.

Как уже было сказано во введении, целью нашей работы было сконструировать устройство, позволяющее разделять смеси диамагнитных золей в постоянном магнитном поле. За основу мы взяли устройство для промышленной очистки каолина, состоящую из резервуара с водой, свинцового электрофоретического барабана и сетчатого фильтра, описанную в статье Б.Н. Суслова «Электрические свойства и строение коллоидных частиц».[1]




Наше устройство совмещает в себе несколько простых приборов. Наиболее важными частями являются электрофоретический ускоритель частиц и магнитный сепаратор. Первое – это несколько видоизмененный электролизер, второе – сильный электромагнит. Действие электрофоретического ускорителя частиц основано на явлении электрофореза. Его функция – ускорять и ориентировать частицы золей. Функция магнитного сепаратора – отклонять частицы золей, приводимые в упорядоченное движение ускорителем.




Основные детали установки обозначены на рисунке выше. Сосуд выполнен из пластика и расширяется кверху. Сосуд устроен так, что к нижней его части можно подсоединить трубку и подавать через нее коллоидный раствор, а через отверстия, расположенные в верхней части сосуда на уровне барабана, отводить его, направлять обратно в насос и затем по кругу в нижнюю часть сосуда для обеспечения непрерывного оборота золя. Электрофоретический барабан (обозначен кружком) расположен в самой широкой части, заряжен положительно. (Пластиковый цилиндр, обитый медью) Вращается вокруг своей оси и равномерно покрывается напылением. Кольцеобразный отрицательный электрод из металла расположен в нижнем сечении сосуда и обозначен на рисунке цветом. Буквами N и S обозначены полюса электромагнита. Прямоугольником, изображенным под наклоном к плоскости сечения сосуда и расположенным над окружностью, обозначен стальной нож для снятия напыления и переноса его на плоскость. Перенесенные на плоскость напыления затем можно затем фотографировать и сравнивать.

Изменяемыми величинами являются, соответственно, сила тока и напряжение на электродах и в электромагните, а также температура золей и их концентрация.

Теперь о принципе работы электрофоретического ускорителя частиц. Между положительно заряженным электрофоретическим барабаном и отрицательно заряженным кольцом возникает электрическое поле, напряженность которого описывается соотношением: E=U/ L, где U - разность потенциалов, В; L - расстояние между электродами, м. Соответственно, модуль Е будет возрастать при увеличении напряжения U и одновременном сокращении расстояния L между электродами. Соответственно, отрицательно заряженные частицы будут двигаться в направлении барабана.

Скорость движения частиц v будет напрямую зависеть от модуля Е и соотносится с ним по формуле: v=DEζ/4πη. [3,4]

Одновременно с этим на электродах начнется процесс электролиза, описываемый уравнением: m=IkT, где m – масса выделившегося на электроде вещества, г; I – сила тока, А; k – электрохимический потенциал; Т – время, секунды. В результате электролиза будет происходить загрязнение электродов продуктами электролиза, а также изменение характера отложений на барабане вследствие флотации, происходящей под действием восстанавливающихся на сетке газов. Электролиз в данном случае является побочным явлением, т.к. может повлиять на результаты испытаний. Из уравнения следует, что для того чтобы уменьшить действие электролиза, необходимо подать ток с минимальным значением I.

Кроме того, при прохождении тока через электролит начнет выделяться теплота, описываемая законом Джоуля-Ленца: Q=I²RT, где Q – количество теплоты, Дж; R – сопротивление, Ом. Для того чтобы свести к минимуму этот эффект нужно также подавать ток с минимальным значением I.

Таким образом, для эффективной работы устройства на электроды необходимо подавать постоянный ток, сила которого равна не больше 0,1А и напряжение около 270В (предельные значения, выдаваемые на выходе выпрямителем ВУП-2).

Теперь о конструкции магнитного сепаратора. Основные детали магнитного сепаратора – это вышеописанный барабан и электромагнит, состоящий из катушки индуктивности, одетой на стальной сердечник, и магнитопровода.






3600

12В

Магнитопровод состоит из двух эс-образных сердечников от трансформаторов, установленных друг напротив друга на расстоянии 260 мм; двух прямоугольных сердечников (длина каждого 130 мм), соединенных последовательно и расположенных между противоположными концами эс-образных сердечников; двух сердечников, прикрепленных к двум другим концам эс-образных сердечников. К незамкнутым концам магнитопровода крепятся утолщения в виде небольших серебристых сердечников. Между ними помещается основная часть установки (электрофоретический ускоритель частиц). На клеммы катушки индуктивности (3600 витков) подается постоянный ток силой около 3А и напряжением 12В.

Магнитопровод обеспечивает передачу потока магнитной индукции в обход сосуда. Таким образом, вокруг сосуда формируется сильное магнитное поле. Индукция определена экспериментально: B=0,061 Тл.

Принцип работы этого устройства таков. В магнитное поле попадает узкий, расширяющийся кверху, поток. Вектор скорости движения частиц v должен быть перпендикулярен вектору магнитной индукции В. Тогда частицы, попавшие в магнитное поле, начнут описывать окружности радиуса

R=mv/|q|B,

где В – индукция магнитного поля, тесла; q – заряд движущейся частицы, Кл.

MV в данном уравнении можно заменить на p – импульс частицы. Импульс будет выступать универсальной характеристикой движения частицы. Значит, R=р/|q|B. Если же частицы попали в магнитное поле под углом |α|>0 и |α|≠90◦, то они начинают двигаться по винтовой траектории. И в том, и в другом случае частицы осядут на барабан, выписав перед этим не прямую, а искривленную траекторию.

Из формулы видно, что R тем больше, чем меньше модуль заряда и магнитной индукции и чем больше импульс частицы. Величина R важна для расчета расстояния между диафрагмой и электрофоретическим барабаном, а также, для того чтобы прогнозировать характер осаждения частиц на барабане.

Для того чтобы создать сильное магнитное поле, мы использовали конструкцию, схема которой рассмотрена выше. Катушка создает сильное магнитное поле, которое действует на каждую частицу потока с силой: Fл=B*|q|*v*sinα.



На рисунке ниже изображены предполагаемые перемещения двух, отдельно взятых, частиц. Прямой линией показано первоначальное движение двух частиц в потоке, кривой линией показано искривление траектории движения частиц в магнитном поле, пунктиром – расстояние от начальной координаты до координаты отложения каждой из частиц на барабане, фигурной скобкой – приращение координат для каждой из частиц.


В полностью собранном виде установка выглядит так (Вид сверху):





Теперь немного о методах и порядке выполнения работы. В ходе работы мы использовали следующее оборудование: выпрямитель тока ВУП-2, ампервольтомметр Ц20, 1 катушку индуктивности, сердечники от двух трансформаторов, 2 штатива и собственную установку. Для изготовления установки мы использовали следующие материалы: пластиковую бутылку (объем 1 литр и диаметр 100 мм); пластиковый цилиндр (высота 60 мм и диаметр 44 мм); листовую медь толщиной 0,3 мм и алюминиевую проволоку для подведения тока с диаметром сечения 1 мм.

В ходе испытаний мы использовали смесь золей гидроксида железа (3) и каолина. Первый реактив получают следующим образом: нагревают до кипения 200 мл дистиллированной воды и медленно, отдельными порциями приливают около 10 мл предварительно приготовленного 2%-ного раствора хлорного железа FeCl3. После нескольких минут кипячения получают красно-коричневый золь.[3] Каолин (Al2O3*2SiO2*2H2O) покупают в готовом виде.

Электрокинетические потенциалы золей (меры взаимодействия частиц с электрическим полем) определяются опытным путем в приборе, изображенном на рисунке ниже.



Скорость электрофореза определяют макроскопически, отмечая движение границы раздела между прозрачной и боковой жидкостью и окрашенным коллоидным раствором за время опыта по делениям, нанесенным на боковые трубки. Расчет потенциала осуществляется по формуле ζ = vDE/4πη, где ζ – электрокинетический дзета-потенциал, В; η – вязкость дисперсионной среды, Па·с; E – напряженность электрического поля, В/м; D – диэлектрическая проницаемость. [2,4] Дзета-потенциалы золей Fe(OH)3 и Al2O3*2SiO2*2H2O были определены методом электрофореза и оказались равными 32 мВ и 47 мВ соответственно.

Исходя из данных экспериментов по определению скорости частиц и модуля вектора магнитной индукции, можно найти все остальные величины. Формулы для всех расчетов и порядок расчетов описаны в предыдущих главах. Готовые результаты внесены в таблицу ниже.



Состав частицы

mср, 10-6 кг

vср, 10-5 м/с

pср, 10-11 кг*м/с

q, 10-10

Кл

В, тл

R, м

Fл, 10-15 Н

Fe(OH)3

1,3

1,86

2,42

-6,3

0,061

0,62

0,71

Al2O3*2SiO2*2H2O

1,9

2,835

5,38

-8,5

0,061

1,03

1,46

vср – средняя скорость движения частиц при градиенте внешнего поля 4500 В/м

mср – средняя масса частицы (Взяты в готовом виде из справочников [7,2]).

pср – средний импульс частицы

q – средний заряд частицы (Взяты в готовом виде из справочников [7,2]).

R – средний радиус окружности, описываемый частицей в магнитном поле

Fл - сила Лоренца, действующая на частицы со стороны магнитного поля

^ Испытания прибора проходили в 5 этапов. На каждом этапе измерения происходили на протяжении не менее 30 мин. На каждом из этапов мы снимали измерения тока, и делали фотографии отложений на барабане.

На первом этапе мы пропускаем золь каолина через электрофоретический ускоритель частиц. Нашими задачами является отметить время, за которое частицы пройдут расстояния от дна сосуда до барабана в том случае, когда золь вносится в нижнюю часть сосуда и когда не происходит оборота жидкости – т.е. система статична, а также скорость. Этот случай наиболее интересен, потому что позволяет объективно судить о возможностях прибора и об эффективности метода в целом.

На втором этапе мы пропускаем золь каолина через электрофоретический ускоритель частиц при включенном магнитном поле. Нашими задачами является описать поведение частиц каолина в магнитном поле, а также изучить характер отложений на барабане.

На третьем этапе мы пропускаем золь гидроксида железа (III) через электрофоретический ускоритель частиц. Здесь мы также отмечаем время, за которое частицы пройдут расстояния от дна сосуда до барабана; а также среднюю скорость движения частиц.

На четвертом этапе мы пропускаем золь гидроксида железа (III) через электрофоретический ускоритель частиц при включенном магнитном поле. Нашими задачами является изучить поведение частиц гидроксида железа (III) в магнитном поле, а также сделать вывод о влиянии магнитного поля на характер отложений на барабане.

На пятом этапе мы полностью собираем установку и пропускаем через нее смесь золей. Нашей основной задачей является определить характер отложения частиц и их отклонения от первоначальных траекторий.

Результаты всех опытов заносятся в таблицу и сопоставляются.





Результаты опытов свидетельствуют о том, что разделение частиц в магнитном поле действительно происходит, и оно напрямую зависит от разницы импульсов и модулей зарядов частиц, составляющих смесь. Несмотря на то, что разделение произошло не полностью (см. таблицу), качество разделения все равно можно повысить, увеличив значения напряженности электрического поля и магнитной индукции, а также подобрав оптимальное соотношение между расстоянием от кольцеобразного электрода до барабана и шириной самого барабана.

В заключение остается сказать, что разработанное нами электрическое устройство достаточно хорошо показало себя в ходе испытаний и после соответствующего усовершенствования может быть взято за основу при создании крупных производственных установок. Его расчетное КПД (47%) превышает КПД многих других магнитных сепараторов.

На практике предложенная нами схема может быть применена в системах водоочистки, электромагнитных фильтрах, на обогатительных фабриках для сепарации легкой фракции, в химической промышленности для разделения смесей, в фармакологической промышленности при приготовлении лекарственных препаратов, при нанесении покрытий определенной конфигурации и во многих других отраслях, где нужно качественное разделение смеси коллоидов.


Список литературы.

К.Я Парменов. Книга для чтения по химии. Часть 2. М: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства образования РСФСР, 1956.

Фридрихсберг Д.Д. Курс коллоидной химии. Л: Химия, 1984.

С.Э. Фридман. От минералургии до металлургии. М: Недра, 1993.

«Политехнический словарь» под редакцией академика А.Ю. Шилинского. М: Советская Энциклопедия, 1980.

С.В. Громов. Физика. Учебник для 10 класса. М: Просвещение, 2002.

С.В. Громов. Физика. Учебник для 11 класса. М: Просвещение, 2002.

Практикум по коллоидной химии. Под ред. И.С. Лаврова. М.,1983.

А.А. Покровский «Демонстрационный эксперимент по физике». «Просвещение», 1971.

Большой энциклопедический словарь. Химия. Под редакцией И. Кнуняну. М. Большая Российская Энциклопедия, 1998.

Большой энциклопедический словарь. Физика. Под редакцией А. М. Прохорова. М. Большая Российская Энциклопедия, 1998.

Большой энциклопедический словарь. Том 1. под редакцией А.М. Прохорова. М. «Советская Энциклопедия», 1991.

«Большая Советская Энциклопедия» под редакцией А. М. Прохорова. М. Большая Советская Энциклопедия, 1971.

«Политехнический словарь» под редакцией академика А.Ю. Шилинского. М: Советская Энциклопедия, 1980.

Физические величины. Справочник. И.С. Григорьев. Е.В. Метликов. М. Энергоатомиздат, 1991.