Статья опубликована в рамках: XXXIII Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Россия, г. Новосибирск, 23 апреля 2014 г.)
Наука: Технические науки
Секция: Материаловедение и металлургическое оборудование и технологии
- Условия публикаций
- Все статьи конференции
дипломов
Статья опубликована в рамках:
Выходные данные сборника:
ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СУСПЕНЗИЙ, ПРИГОТОВЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫМ СПОСОБОМ
Ефремова Татьяна Александровна
канд. техн. наук, доцент Балаковского института техники, технологии и управления, РФ, г. Балаково
E-mail:
STUDIES OF MAGNETIC SUSPENSION PREPARED ELECTRO PULSE METHOD
Tatyana Efremova
cand. the technology. Sciences, associate Professor of Balakovo Institute of technique, technology and control, Russia Balakovo
АННОТАЦИЯ
На основе исследования состава магнитных суспензий ставится задача применения электрогидравлического преобразователя импульсного действия в качестве устройства для их приготовления на водной основе с применением коллоидных частиц железа и олеиновой кислоты в качестве ПАВ для стабилизации суспензии. Выбор данных компонентов ставится из расчета доступности и экономичности их использования. Также в работе будут предложены результаты теоретических исследований седиментационной и агрегативной устойчивости магнитных суспензий, полученных в результате экспериментов.
ABSTRACT
Based on the study of the composition of magnetic suspension a task of application of electro-hydraulic Converter pulsed as the device for preparation of water-based with use of colloidal particles of iron and oleic acid as surfactants for stabilization of suspensions. The choice of these components is based availability and efficiency of their use. Also will be offered the results of theoretical studies sedimentation and aggregate stability of magnetic suspension obtained from experiments.
Ключевые слова: электрогидравлический преобразователь импульсного действия; магнитные суспензии; электроимпульсный способ; седиментационная устойчивость; агрегативная устойчивость.
Keywords: electro-hydraulic Converter pulse action; magnetic suspension; electro pulse method; sedimentation stability; aggregate stability.
Электрогидравлический преобразователь импульсного действия (ЭГПИД), конструкция и принцип действия описаны в [2] осуществляет на компоненты магнитной суспензии электроимпульсное воздействие, описанное в [3]. Для получения магнитных суспензий электроимпульсным способом в первую очередь необходимо задать массу ее составляющих в процентном соотношении от массы готовой суспензии. Смешивание будет происходить внутри кюветы под действием высоковольтных импульсов при рабочем напряжении до 3 кВ. Емкость конденсаторной батареи 0,525 мкФ.
В таблице 1 приведены данные экспериментов с учетом напряжений, количества разрядов, а также частоты следования разрядов.
Таблица 1.
Данные экспериментальных исследований
|
№ эк. |
Дистиллированная вода |
Олеиновая кислота |
Феррит |
Напряжение, кВ |
Кол-во разрядов |
Частота, с-1 |
|||
|
мл |
% |
мл |
% |
г |
% |
||||
|
1 |
7,5 |
50 |
3,5 |
23,3 |
18,8 |
26,7 |
2,8 |
20 |
1,5 |
|
2 |
7,5 |
50 |
3,5 |
23,3 |
18,8 |
26,7 |
2,8 |
70 |
0,9 |
|
3 |
7,5 |
50 |
3,5 |
23,3 |
18,8 |
26,7 |
2,8 |
100 |
0,3 |
|
4 |
7,5 |
50 |
3,5 |
23,3 |
18,8 |
26,7 |
1,9 |
85 |
0,5 |
|
5 |
7,5 |
50 |
3,5 |
23,3 |
18,8 |
26,7 |
2,4 |
85 |
0,7 |
|
6 |
7,5 |
50 |
3,5 |
23,3 |
18,8 |
26,7 |
2,9 |
85 |
0,7 |
|
7 |
8,25 |
55 |
3 |
20 |
17,625 |
25 |
2,1 |
30 |
3,1 |
|
8 |
8,25 |
55 |
3 |
20 |
17,625 |
25 |
2,1 |
75 |
0,7 |
|
9 |
8,25 |
55 |
3 |
20 |
17,625 |
25 |
2,1 |
130 |
2,2 |
|
10 |
8,25 |
55 |
3 |
20 |
17,625 |
25 |
2,7 |
150 |
0,3 |
|
11 |
8,25 |
55 |
3 |
20 |
17,625 |
25 |
2,4 |
150 |
0,7 |
|
12 |
8,25 |
55 |
3 |
20 |
17,625 |
25 |
1,9 |
150 |
0,5 |
Оценка монодисперности полученных суспензий, выполнялась при помощи микроскопа с увеличением в 900 раз и фотоаппарата фирмы Nikon с увеличением в 5 раз.
На рисунках 1—12 представлены изображения полученных суспензий.
Рисунок 1. Результат эксперимента № 1
Рисунок 2. Результат эксперимента № 2
Рисунок 3. Результат эксперимента № 3
Рисунок 4 . Результат эксперимента № 4
Рисунок 5 . Результат эксперимента № 5
Рисунок 6. Результат эксперимента № 6
Рисунок 7 . Результат эксперимента № 7
Рисунок 8 . Результат эксперимента № 8
Рисунок 9 . Результат эксперимента № 9
Рисунок 10 . Результат эксперимента № 10
Рисунок 11 . Результат эксперимента № 11
Рисунок 12. Результат эксперимента № 12
Визуальный анализ экспериментальных данных говорит о том, что полученные суспензии рис. 4—6, 12 имеют более однородную структуру по сравнению с другими образцами. Следовательно, для получения однородных магнитных суспензий в электрогидравлическом преобразователе импульсного действия необходимо соблюдение следующих параметров при приготовлении: процентное соотношение дисперсная среда/дисперсная фаза/ПАВ-50/23/27; напряжение — 2,4 кВ; количество импульсов — 85; частота следования импульсов — 0,7 с-1, диапазон изменения диаметра частиц дисперсной фазы для всех образцов составляет от 2*10-7 до 0,5*10-6м.
На основе полученных результатов для оценки параметров полученных магнитных суспензий проведены теоретические исследования таких характеристик как седиментационная и агрегативная устойчивость магнитной суспензии как дисперсной системы по методике, описанной в [1]. Для расчета взяты параметры самых крупных частиц дисперсной фазы, полученные в результате экспериментов.
Чтобы оценить седиментационную устойчивость системы, необходимо знать следующие характеристики: r — радиус частицы дисперсной фазы (радиус 0,5∙10-6 м — получено экспериментальным путем); ρ — плотность частицы (плотность железа составляет 7,874∙103 кг/м3); ρ0 — плотность дисперсионной среды (плотность воды 997,32 кг/м3); η — вязкость дисперсионной среды (вязкость воды 1 мПа∙с); V — объем частицы (объем равен 523,333∙10-24 м3).
По закону Архимеда, на каждую частицу в системе действует сила тяжести (подъемная сила), равная [1]:
F = mg = Vρg. (1)
Эффективная масса частицы m' равна
m'=V(ρ-ρ0). (2)
Если (ρ-ρ0)> 0, то есть ρ > ρ0, частица будет оседать, если ρ < ρ0 — частица будет всплывать. Примем, что ρ > ρ0. Тогда частица дисперсной фазы будет оседать под действием силы тяжести, тогда:
Fсед = m 'g =V∙(ρ-ρ0)∙g. (3)
При оседании частицы в дисперсионной среде с вязкостью возникает встречная сила — сила трения Fтр, пропорциональная скорости движения частицы [1]:
Fтр=Uсед∙В (4)
где: Uсед — скорость оседания частицы;
В — коэффициент трения.
Таким образом, чем больше скорость оседания, тем больше сила трения, замедляющая оседание. В результате устанавливается стационарный режим седиментации, которому соответствует Fтр = Fсед, и частица оседает с постоянной скоростью.
Из выражения (4) с применением (3) определим скорость оседания частиц [1]:
где: В=6πφr — коэффициент трения по уравнению Стокса.
Следовательно, скорость оседания частиц равна:
По скорости оседания можно определить время в течение, которого частица не будет оседать, это время составляет 89 часов.
На рисунке 13 приведена зависимость скорости оседания частиц от диаметра магнитной частицы, полученная теоретическим путем для различного диаметра частиц дисперсной фазы при экспериментальных исследованиях.
Рисунок 13. График зависимости скорости оседания частиц от диаметра магнитной частицы
Из рисунка видно, что с увеличением диаметра магнитной частицы увеличивается скорость оседания.
Расчеты также были проведены для магнитных суспензий, в которых дисперсной средой являлись керосин, вода, масло, а в качестве дисперсионной фазы железо, кобальт, оксид железа, никель. При этом магнитная суспензия имеет различные характеристики седиментационной устойчивости. Так, например, для оксида железа (ρ=1030 кг/м3) и керосина (ρ=800 кг/м3) получили скорость оседания частиц равную 1,75
м/с, что соответствует 359 дней. Из этого можно сделать вывод, что чем меньше разность плотностей дисперсионных среды и фазы, тем дольше дисперсионная фаза будет оседать.
В источнике [1] приведено соотношение по которому можно определить, что скорость слипания частиц магнитной суспензии будет составлять 1 с-1, если объемная концентрация дисперсной фазы по прошествии 10-3с уменьшится на 0,001. Следовательно, с каждой секундой происходит слипание дисперсионной фазы. Рассчитав высоту контейнера по выражению (7) можно определить время установления равновесного распределения для коллоидных частиц (9). Это время достаточно велико, и первоначально однородная система остается таковой в течение большого времени t<t′ [4].
Высоту контейнера h0 рассчитаем по выражению [1]:
где: V0 — средний объём частиц;
— плотность твёрдой фазы;
— плотность жидкости
=997,32 кг/м3);
g — ускорение силы тяжести;
k — постоянная Больцмана (1,38∙10-23 Дж/К);
Т — температура (298К).
Средний объем частиц рассчитывается по формуле:
где: r — радиус частицы дисперсионной фазы.
Значит, концентрация магнитных суспензий убывает в е≈2,718 раз на высоте контейнера равной 
.
Время равновесного распределения частиц определяется:
— вязкость жидкой основы.
Следовательно, с учетом коэффициента диффузии время равновесного распределения частицы равно:
Однородность сохранится приблизительно в течение 9 часов.
Построим график зависимости времени равновесного распределения частиц от ее диаметра, изображенный на рисунке 14.
Рисунок 14. График зависимости времени равновесного распределения частиц от ее диаметра
Проанализировав график, при увеличении диаметра дисперсионной фазы время равновесного распределения частиц уменьшается. Поэтому для однородности суспензии размер магнитных коллоидных частиц должен быть на порядки выше предложенных. Значит, добавление ПАВ необходимо.
Полученные характеристики магнитных суспензий, приготовленных в ЭГПИД, дают оценку устойчивости без применения ПАВ. Для седиментационной устойчивости, характеризуемой скоростью оседания частиц, нет необходимости добавления ПАВ при приготовлении. А для агрегативной устойчивости, характеризуемой скоростью коагуляции, и временем равновесного распределения коллоидных частиц, такая необходимость встает.
Список литературы:
1.Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия. 2-е изд., стер. СПб.: Издательство «Лань», 2004. — 336 с.
2.Ефремова Т.А., Власов В.В., Власов А.В. Способ эмульгирования жидких компонентов и устройство для его осуществления. Патент № 2357789 от 10.06.2009.
3.Ефремова Т.А., Клепова И.В. Разработка классификации способов приготовления магнитных суспензий. Сборник научных трудов 2 Всероссийской научн.-техн. конф. посвящ. 80-летию СГТУ, Саратов, 2010. — С. 14.
4.Шлиомис М.И. Магнитные жидкости //УФН — 1974. — Т. 112. — вып. 3. — С. 427—458.
дипломов
Оставить комментарий