ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭКОЛОГИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ ВЕЩЕСТВ

АННОТАЦИЯ

В статье представлено практическое применение электричества вытекающего из общих свойств и процессов в сильных полях, открывающих направление в электротехнологии как энерго и ресурсосберегающих, экологически безопасных устройств и технологий в производстве и переработке веществ.

ABSTRACT

The article presents the practical application of electricity arising from the General properties and processes in strong fields, opening the direction in electrical engineering as energy and resource-saving, environmentally friendly devices and technologies in the production and processing of substances.

Ключевые слова: Электротехнологии, экологизация, обеззараживание, диспергация, энергоресурсосбережение, диполь.

Keywords: Electrotechnology, greening, disinfection, dispersion, energy-saving, dipole.

В современных условиях в области перерабатывающей промышленности экологизация процессов производства заняла передовые позиции в общей мировой структуре защиты окружающей среды. Существующие способы переработки сырья и материалов по методу воздействия определяются процессами, во многом зависящими от потребности в энергоносителях для реализации требуемых изменений (превращений) сырья. Сам же анализ этих процессов (рис. 1.) свидетельствует о широких возможностях электротехнологий, в которых электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии с одновременным выполнением технологического процесса, минуя стадии трансформации в другие виды энергии для проведения соответствующего процесса [1].

Влияние электрического поля на физико-химические процессы не до конца изучено, нет единого подхода к механизму воздействующих факторов, а синергетическое действие избирательно и, в лучшем случае, учитывается на первом этапе преобразований. Хотя действие внешних электрических полей атмосферного электричества, электризованных поверхностей почвы и растительного покрова, атмосферных осадков и т.д. является экологической нормой, которой определена своя роль в эволюции процессов развития Земли. Не вдаваясь в нюансы, особенности и аспекты технологий переработки отходов сырья и материалов отметим, что существующие методы воздействия дают широкие возможности разработки технологий атмосферного электричества, исходя из механизмов физико-химического процесса (ФХП) в веществе при воздействии внешнего электрического поля. Природная среда, обладая уникальными физико-химическими и биохимическими свойствами при переработке органических и неорганических веществ на Земле, рассматривается по ряду аспектов проявления этих свойств. Так, электрическое поле Земли является экологической нормой развития на планете, а всякая материальная среда, кроме того, обладает собственным полем, то взаимодействие этих полей есть энергетический фактор, способный воздействовать на вещества и их граничные слои как избирательно, так и интегрально.

Рисунок 1. Схема электротехнологического воздействия

Опыт и наблюдение природных технологий позволяет разрабатывать новые направления экологизации процессов производства, обеспечивающих создание комфортных современных условий среды обитания человека на Земле. Внедрять принципиально новые природоподобные технологии, которые не наносят урон окружающему миру, а существуют с ним в гармонии, и позволят восстановить нарушенный человеком баланс между биосферой и техносферой.

Электротехнологические аспекты как отсутствие промежуточных трансформаций энергии — обуславливает энерговыгодность процесса по сравнению с механическими устройствами, а отсутствие движущихся частей сложных механизмов при создании внешних электрических полей - обуславливает конструктивную простоту аппаратов. Единственным энергоносителем процесса является электрическое поле, а инструментом воздействия служат ионы и электроны, заряжающие сырье. В качестве рабочего органа использовано движение обрабатываемого материала с его физико-химическими свойствами, обладающего собственной внутренней энергией.

Однако, эта внешняя простота требует решения сложных задач целенаправленной организации электрического процесса. Ввиду того, что сведения об электрофизическом воздействии на различные материалы разбросаны в статьях, опубликованных во всевозможных специализированных журналах, или вошли как составная часть некоторых фундаментальных работ под эгидой отдельных институтов и ведомств, а это вызывает определённые затруднения у ряда исследователей. Реальная физика и энергетика ФХ процессов при реализации этого подхода весьма сложна и не до конца пока изучена. Ярко выражена, в настоящее время, тенденция к взаимопроникновению различных дисциплин – подчас весьма далёких друг от друга приводит, в частности к тому, что специалист в определённой области вынужден использовать знания и технику других дисциплин, в которых он не получил системного образования. Кроме того, в материаловедении сложилась традиция, когда кинетика ФХП представляется в свете того метода или практического приложения, с позиций которого осуществляется подход к данной проблеме.

Физическое и химическое взаимодействие и превращения в веществе происходит, прежде всего, в поверхностных слоях и определяется поверхностными явлениями. Такие параметры как: рост активной поверхности, передача электрона через водную среду в редокс-системах, ионосорбция, воздействие на двойной электрический слой – являются определяющими при ведении активации ФХП [2].

С учетом того, что вода одно из самых распространенных веществ на Земле и является главным фактором, определяющим эволюционное развитие Земли, то и рассмотрение влияния жидкой фазы на деформацию твердого тела является необходимым условием для формирования более общего подхода к изучению механизма ФХП.

Главная роль воды - это среда обеспечения жизненных процессов, является лучшим естественным растворителем и источником водорода и кислорода, необходима для протекания биохимических и биофизических превращений. Однако, сегодня ввиду загрязнения воды по данным Всемирной Организации Здравоохранения больше восьмидесяти процентов всех возникающих в мире заболеваний передаются и распространяются исключительно через воду. Решаемая с помощью электротехнологий проблема – обеззараживание питьевых, сточных и оборотных вод, уже сегодня актуальна в виду ее экологичности и значимости чистой воды как стратегического товара. Общее ухудшение экологической обстановки и снижение ресурсов требует и существенного вмешательства в биотехнологические процессы – всё более востребованным будет использование электротехнологий как аспект экологизации процессов обеззараживания вод.

Рассматривая взаимодействие электрического поля со структурой обрабатываемого вещества, картина взаимодействия может быть представлена в виде двух методологических направлений.

Эффекты обработки ультракороткими волнами, электрофореза, электрического разряда и электрокоагуляции как следствие методов на основе силового взаимодействия поляризованных бактериальных тел (жесткий диполь) с электрическими полями. Эффекты обработки ионами серебра, озонированием, электрофлотацией и электролизом как следствие электрохимических методов на основе электрического воздействия.

Физическая сущность эффекта воздействия при предлагаемой методологии состоит в преобразовании потенциальной энергии электрического поля в кинетическую энергию движения молекул и структур, дробление поляризованных молекул и кластеров на заряженные радикалы, формирования центров новообразований, обеззараживание от патогенов [3].

При воздействии электрических и магнитных полей наблюдаются следующие эффекты воздействия: - поляризация, электрокоагуляция, электрофлотация, электрофорез, электросепарация, кавитация, электрохимические преобразования. Что характерно действию электрического поля – это и силы на границе раздела сред , достаточные для диспергации органических и неорганических веществ и патогенных возбудителей [4 ].

Воздействие скользящего коронного разряда на очищаемую воду, при совокупности основных факторов электрического разряда как электромагнитное поле, ультрафиолетовое излучение, озон, образующиеся в электрическом разряде порождают магнитогидродинамический эффект, давление, температура, ультразвук, кавитация и другие магнитофизикохимические эффекты, осуществляется очистка воды в соответствии с известными теоретическими и экспериментальными методами очистки и обеззараживания. Применение разрядных технологий является перспективным направлением развития технологии водоподготовки и обезвреживания промышленных сточных вод. Энергия электрических разрядов изменяет химические характеристики обрабатываемой воды, влияет на ее ионный состав, структуру растворенных органических веществ, на жизнеспособность присутствующих в воде микроорганизмов без дополнительных химических реагентов.

Исходя из предварительных расчетов, следует, что наиболее простым способом вызвать резонанс струны (диполя, кластера воды) является коронный разряд. Используя явление резонанса, можем выделить и/или усилить периодические (собственные) колебания воды посредством даже весьма слабого внешнего воздействия электромагнитных полей, что приводит к разрыву отдельных молекул воды и образованием О^-- и Н⁺, с порождением эффекта кавитации, гибели микроорганизмов.

Из рассмотренного материала, следует каким образом можно достичь эффекта разрушения — упрочнения структуры веществ и взвесей, а также каким образом разрываются молекулы воды. Что позволяет выполнять многооперационную обработку с одновременным автоматическим регулированием параметров воздействия в зависимости от физико-химических характеристик веществ локально и селективно, широко использовать компьютерное управление технологическими процессами и операциями, повышая при этом производительность, универсальность и эффективность ФХП. При определенных обстоятельствах можно сформулировать условия и факторы обработки как факторы внутренней природы (связанные с управляющей и управляемой системами) и внешние факторы (влияние окружающей среды):

• Создать постоянное электрическое поле для молекул веществ, уровень которое заставит диполи молекул, повернуться в направлении электродов своими полюсами. Источником напряжения для этого может являться высоковольтный источник питания (постоянного, переменного и импульсного напряжения).
• Создать условия резонанса веществ, которые по достижении на электродах ячейки достаточной амплитуды приложенного напряжения от источника, с каждой полуволной тока резонансной частоты молекул обрабатываемого вещества, заставят двигаться электроны атомов на более удалённые от центров атомов орбиты посредством скрещенного электромагнитного поля, образуя (вихри) спиралевидные структуры. Что в итоге, приведёт к разрыву валентных связей атомов веществ и как следствие к изменениям физико-химических характеристик веществ.

Основополагающие процессы, характеризующие изменение физико-химических параметров обрабатываемой среды и трансформации аккумулированной энергии среды в другие виды энергии (электрическую, механическую, тепловую, магнитную, химическую и т.п.) с последующим ее использованием соответствуют совокупности и физико-химических эффектов и явлений, возникающих при взаимодействии вещества с полем. В виду синергетического эффекта взаимодействия, ряд процессов носит дискуссионный характер. Однако, в свете приведенной аргументации необходимо выделить приоритетные направления научных и опытно-конструкторских разработок в области энергоресурсосберегающих технологий, найти формы их координации и экономические механизмы передачи результатов производителям технологического оборудования и линий [5].

На базе сформулированных условий и факторов воздействия можно создать универсальное ЭТУ, способное вести обработку посредством воздействия электрических и магнитных полей, скользящего коронного разряда в режиме параметрического резонанса [6]. Это даст возможность провести в первом приближении постановочные лабораторные опыты и эксперименты по выбору уровня факторов воздействия по комплексной обработке и выполнить оценку эффективности предложенного подхода. Однако, процессы движения слабопроводящих жидкостей (жидких диэлектриков, углеводородных масел и топлива и т. п.), помещённых в электрическое поле есть предмет исследований на пересечении гидродинамики и электростатики – электрогидродинамика (ЭГД). Многие ЭГД - эффекты являются неожиданными, обладают непредсказуемым характером и остаются необъяснёнными до настоящего момента. Это связано с сильно нелинейным характером электрогидродинамических явлений, что вызывает трудности при их исследовании, требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.