4. Метод А.В. Вачаева – Н.И. Иванова

4.1. Экспериментальная установка

Первые публикации по этому методу относятся к 1994 г. [1–3]. Принцип работы предложенной авторами установки частично совпадает с общеизвестным. Электрический ток протекает между двумя электродами и создает разряд. В области разряда возникает плазма. Электроды и плазма находятся внутри катушки, создающей магнитное поле. Отличие состоит в том, что ток течет и происходит разряд в движущейся струе воды или воды с добавками. Поперек струи между другими электродами осуществляют импульсный электрический разряд для начала процесса. Принципиальная схема основного элемента установки – реактора приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема реактора: 1 – область разряда; 2 – верхний трубчатый электрод; 3 – нижний трубчатый электрод; 4 – корпус реактора; 5 – катушка (индуктор); 6 – импульсные электроды

Корпус реактора выполнен из диэлектрического материала с толщиной стенки 5…8 мм. Электроды 2 и 3 выполнены из меди. Они наиболее устойчивые. Испытывались также латунные, стальные и графитовые электроды. Качество пуска реактора зависит от вида рабочих торцов электродов, в основном от угла и способа заточки электродов: по мере увеличения угла (более 40°) пуск затрудняется, внутренняя заточка предпочтительнее наружной. Параметром, который определяет многие характеристики реактора, является внутренний диаметр трубчатых электродов D. Зазор между торцами электродов определялся и устанавливался экспериментально в пределах 1…1,5 D (для электродов диаметром до 50 мм). Отмечено, что режим пуска при прочих равных условиях зависит от толщины стенок трубчатых электродов: чем она меньше, тем легче образуется плазменная фигура требуемой формы. Поэтому во всех опытах применялись тонкостенные электроды с толщиной стенки 1…2 мм. Величина тока через трубчатые электроды (ток стабилизации) изменяется в пределах 0,1…100 А, в большинстве случаев – 20…40 А. Источником тока стабилизации являлась сеть переменного тока 380 В или тиристорный выпрямитель 0…500 В, 100 А. Пусковой ток стабилизации определен экспериментально и составил 18…40 А, а в процессе работы он увеличивался до 20…120 А в зависимости от многих факторов. Увеличение тока стабилизации и является той дополнительной электрической энергией, которая выделяется в установке.

Индуктор 5 – катушка Брукса со средним диаметром, равным 1,5 D. Сила тока в катушке определяется реологическими свойствами рабочей среды и величиной D. В опытах сила тока в катушке изменялась в пределах 10… 150 А.

Инициация процесса производится с помощью импульсных электродов, изготовленных из медных стержней диаметром 3…8 мм, без наконечников и с наконечниками из вольфрама диаметром 0,6…1 мм и длиной 5…10 мм. Электроды без наконечников затачивались до образования острых кромок под углом 30…45°. Импульсные электроды – стационарные с наружной резьбовой нарезкой, позволяющей менять зазор между ними до 0,1 D. При слишком малом зазоре (<0,1 D) острые концы электродов обгорают при первом же пуске. На импульсные электроды подается импульс разряда конденсаторных батарей. Плотность импульсного тока 2 кА/мм2, время разряда 10 мс. Использовались конденсаторные батареи емкостью 200, 500, 700, 2400 мФ, 5 Ф.

Эффективность процесса значительно повышается при последовательном соединении двух или более реакторов. Установку с несколькими реакторами и процесс в них назвали "Энергонива". Схема установки приведена на рис. 4.2.

Из мерных емкостей определенные дозы исследуемого вещества (бак 1), воды (бак 2), специальных добавок (бак 3) поступают в смеситель 4. Здесь величина pH воды доводится до 6. Из смесителя после тщательного перемешивания с расходом, обеспечивающим скорость движения среды в пределах 0,5…0,55 м/с, рабочая среда вводится в реакторы 5.1, 5.2, 5.3, соединенные последовательно, но заключенные в единую катушку 6 (соленоид). Продукты обработки (водно-газовая среда) сливались в герметичный отстойник 7 и охлаждались до 20°С змеевиковым холодильником 11 и потоком холодной воды. Водно-газовая среда в отстойнике разделялась на газовую 8, жидкую 9 и твердую 10 фазы, собиралась в соответствующие контейнеры и передавалась на химический анализ. Мерным сосудом 12 определялась масса воды, прошедшая через холодильник 11, а ртутными термометрами 13 и 14 – температура. Также измерялась температура рабочей смеси перед ее поступлением в первый реактор, а расход смеси определялся объемным способом по скорости опорожнения смесителя 4 и показаниям водомера 15.

Рис.4.2. Принципиальная схема установки "Энергонива"

В результате разрядки источника импульсов в реакторах одновременно возникает серия импульсных разрядов, инициирующих возникновение процесса "Энергонива".

Процесс "Энергонива" протекает практически бесшумно, с минимальным выделением теплоты и газовой фазы.

Усиление шума (до треска и "рева"), а также резкое повышение температуры и давления рабочей среды в реакторах свидетельствуют о нарушении хода процесса, т.е. о возникновении вместо требуемого разряда обычной тепловой электрической дуги в одном или во всех реакторах.

Нормальным является процесс, когда в реакторе между трубчатыми электродами возникает электропроводящий разряд в виде плазменной пленки, образующей многомерную фигуру типа гиперболоида вращения с пережимом диаметром 0,1…0,2 мм. Пленка обладает повышенной электропроводностью, полупрозрачная, светящаяся, толщиной до 10…50 мкм. Визуально она наблюдается при изготовлении корпуса реактора из оргстекла или через торцы электродов, заглушенные пробками из оргстекла.

4.2. Экспериментальные результаты

При экспериментальных исследованиях на вход установки подавались следующие виды рабочих сред: вода (дистиллированная, питьевая, речная), водно-минеральные смеси с различным отношением твердое/жидкое, стоки различных видов, водно-углеродные смеси. Из схемы установки (рис. 4.2) видно, что на ее выходе образуются газообразные, жидкие и твердые вещества. Соотношение между твердой и жидкой частями зависит от вида рабочей среды, которая поступает на вход реактора, конструктивных особенностей самого реактора, условий его работы (величины тока стабилизации и импульсного тока), скорости движения жидкости.

Экспериментальная зависимость выхода твердых продуктов из реакционной зоны агрегата от скорости движения рабочей среды показана на рис. 4.3. Зависимость получена при использовании стабилизирующих электродов диаметром 6…50 мм при обработке водно-минеральных систем.

Из рис. 4.3 видно, что максимальный выход твердых продуктов достигается при скорости 0,55 м/с. Различия выхода твердого вещества между двумя кривыми объясняется изменением соотношения твердое/жидкое на входе реактора.

Испытаниями установлено увеличение выхода твердых материалов при увеличении диаметра реактора. В табл. 4.1 приведена эта зависимость, которая получена при обработке воды.

Таблица 4.1

Выход твердых продуктов в установке "Энергонива - 2"

D, мм 10 15 20 25 32 40 52
G, г/мин 90 180 270 450 720 1080 1800

Из таблицы видно, что имеется отличие зависимости от квадратичного роста площади поперечного сечения реактора. Влияние других факторов на соотношение твердое/жидкое будет приводиться ниже для конкретных случаев.

Рис.4.3. Выход твердого вещества в установке "Энергонива"

4.2.1. Обработка воды

Обработка воды является в некотором смысле ключевым экспериментом, поскольку подтверждает факт получения различных элементов непосредственно из воды. Характеристики воды, которая использовалась для экспериментов, представлены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Характеристики воды до обработки

Показатели Питьевая Дистиллированная Из р.Урал
Мутность 0,2 0 18
ВПК 5 2 12
Цветность 10 5 30
Взвешенные вещества, мг/л 0,35 0,1 25
рН 6,7 6,0 8
Общая жесткость, мг-экв/л 16 0,5 4,4
Хлориды, мг/л 70 0 25
Сульфаты, мг/л 330 0 18
Железо, мг/л 3,5 0,001 1,4
Марганец, мг/л 1,2 1,6
Аммоний , мг/л 1,5 0,7
Нитриты, мг/л ОД 0,2
Нитраты, мг/л 1 3
Свободный СO2 ,мг/л 13,5 0,1 4
Растворенный O2 ,мг/л 7,5 4 9,5

В табл. 4.3 приведены данные о составе продуктов обработки. Здесь и далее приводятся результаты усредненные по серии опытов и по данным независимых лабораторий, которые проводили анализы.

Таблица 4.3

Содержание элементов в воде после обработки

Элемент, соединение Вода
Питьевая Дистиллированная Из р. Урал
в твердой фазе, г/кг в жидкой фазе, мг/л в твердой фазе, г/кг в жидкой фазе, мг/л в твердой фазе, г/кг в жидкой фазе, мг/л
Li, Ве 0,012 Следы 0,006 Следы 0,08 Следы
С 8,2 6,7 3,6
B 1,6 0,1 1,1 0,1 1,9 0,1
Si 6,4 1,0 4,4 0,2 6,0 1,0
Сг 1,8 0,01 0,9 0,1 1,6 0,1
Мg 0,5 0,4 0,1 0,1 3,0 0,2
12,3 0,5 6,6 Следы 48,5 2,0
Мn 0,3 0,1 0,1 0,6 0,1
Ni 0,6 0,4 0,3
V 0,7 0,7 0,4
Sn 4,2 5,5 0,2
Zn 3,0 0,8 2,0 0,4 3,2 0,7
А1 4,6 3,6 2,1 1,1 2,0 2,7
Сu 0,6 0,1 0,4 0,5 0,2
Тi 4,8 0,4 0,4
Р 0,5 0,1 0,1 0,1
S 0,1 Следы 0,1
Вi 0,3 0,02 0,1 0,01 0,1 0,02
0,1 Следы 0,1 0,1
Рb 0,6 Следы 0,8 0,1
Те 0,2 0,3
Д2О 0,112 0,06 0,05
Т2О 0,001 0,05 0,00
pH 6,6 6,0 6,8

4.2.2. Обработка водно-минеральных систем

Обработке подвергались водно-минеральные системы, которые представляют смесь твердого вещества и воды. Перед обработкой минеральное вещество (отходы производства, шлаки, руды и т.д.) измельчались до 0,5 мм и поступали в смеситель. Для определения оптимального соотношения твердое/жидкое было проделано большое количество опытов. Оказалось, что по ряду показателей это соотношение должно быть равно 1/10. Некоторые результаты обработки водно-минеральных смесей представлены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Содержание компонентов после обработки 1 т водно-минеральной смеси, кг

Компонент порошка
на выходе
Вода В качестве твердой добавки на входе
Руда магнитогорская Руда лисаковская Руда бакальская Руда КМА
Fe 214 337 359 365 307
Cr 11 21 17 34 8
Mn 20 40 37 17 21
V 10 15 12 15 16
Ni 8 24 21 6 2
Si 4 21 40 10 8
Zn 13 14 50 10 12
Al 4 6 13 8 9
Cu 3 3 4 3 3
Sn 2 5 6 4 5
Co - 1 1 1 2
Ti 6 13 42 2 6
Ca 3 10 10 54 38
Редкие, тугоплавкие, рассеянные 2 7 8 8 10
Всего 300 517 599 537 447

Из таблицы видно, что количество и соотношение между получаемыми элементами зависят от вида добавок.

Режим работы установки может быть подобран так, чтобы количество определенного получаемого элемента было наибольшим. В основном это зависит от величины тока стабилизации Iст. Ниже приводится ряд результатов получения наибольшего содержания Fe, Zn, Al из различных руд.

Таблица 4.5

Результаты переработки рудных материалов в установке "Энергонива-2".
Целевой элемент Fe, Iст = 22,2 А/мм2

Руда Суммарное содержание элементов, % Т2О, Д2О в воде, %
S, P, Sе, Sn, Вi, Сd Zn Аl, Мg Са, Аs, Сu Мn, Y, Со, Ni, Ir, Si Fе, Рd Тi, Сг Мо,Hf, W,Rе, Оs, Nb
Магнитогорская 1,7 14 11,8 3,6 12,8 47,0 9,1 0,12
Лисаковская 1,1 12,2 6,3 1,8 6,6 69,7 2,3 0,11
Бакальская 1,7 8,4 6,0 1,9 5,4 66,6 9,8 0,12
КМА 1,9 8,6 4,9 2,4 3,4 74,0 4,8 0,11

Таблица 4.6

Результаты переработки рудных материалов в установке "Энергонива-2".
Целевой элемент Zn, Iст = 30 А/мм2

Руда Суммарное содержание элементов, % Т2О, Д2О в воде, %
S, P, Sе, Sn, Вi, Сd Zn Аl, Мg Са, Аs, Сu Мn, Y, Со, Ni, Ir, Si Fе, Рd Тi, Сr Мо,Hf, W,Rе, Оs, Nb
Магнитогорская 0,6 18,0 8,1 1,6 3,4 61,9 6,7 0,18
Лисаковская 0,8 12,8 4,7 0,9 8,1 60,1 12,6 0,16
Бакальская 1,0 14,0 3,8 1,9 4,6 64,3 11,3 0,15
КМА 1,0 12,0 4,2 3,1 5,2 64,4 10,8 0,14

Таблица 4.7

Результаты переработки рудных материалов в установке "Энергонива-2".
Целевой элемент Al, Iст = 18,5 А/мм2

Руда Суммарное содержание элементов, % Т2О, Д2О в воде, %
S, P, Sе, Sn, Вi, Сd Zn Аl, Мg Са, Аs, Сu Мn, Y, Со, Ni, Ir, Si Fе, Рd Тi, Сr Мо,Hf, W,Rе, Оs, Nb
Магнитогорская 1,5 13,4 11,8 13,4 2,7 52,4 4,7 0,12
Лисаковская 1,6 6,4 15,4 10,6 6,3 57,4 2,3 0,11
Бакальская 2,0 8,1 13,2 11,8 5,7 54,8 4,4 0,14
КМА 0,9 9,3 10,3 13,3 3,7 60,3 2,2 0,15

Сравнение данных в табл. 4.5–4.7 показывает, что подбором тока стабилизации можно достигнуть увеличения выхода заданного элемента. Суммарная энергия, которая выделяется из одной тонны смеси, может достигать 3,2 МВт-ч [4, 5].

4.2.3. Обработка промышленных и бытовых стоков

Одной из важнейших экологических задач является переработка различных водосодержащих стоков. Поэтому авторами была предпринята попытка оценки возможности решения этой задачи на установке "Энергонива".

Каждый опыт начинался с приготовления рабочей среды, т.е. фильтрации стоков и создания их запаса в рабочих баках. Затем проводилось смешение стоков с водой в определенных соотношениях (стоки-вода), эмульгирование в течение не менее 5 мин. Обработка каждой порции продолжалась 10…15 мин, после чего реактор отключался, а продукты обработки после 10…15 мин отстаивания жидкой фазы, фильтровались, взвешивались и компактировались в соответствующие контейнеры для последующего химического анализа. Твердые (порошкообразные) образцы делились на три части и отправлялись на химанализ в три независимые лаборатории: МГТУ, горно-промышленное предприятие г. Пласт и НИИнефти в г. Октябрьский. Химический анализ жидких продуктов производился в НИИнефти (г. Октябрьский), лаборатории санэпидстанции г. Магнитогорска, а газовый – в лаборатории кафедры ТиЭС МГТУ.

Все опыты проводились в так называемом "металлургическом" режиме, то есть с максимальным выходом твердой фазы в среднем до 300 г/л. В табл. 4.8 приведены результаты обработки различных стоков в однореакторной установке.

Таблица 4.8

Содержание элементов при обработке воды и стоков, %

Элементы Вода пожарно-питьевая Бытовые стоки Стоки молочной фермы Стоки птицефабрики Стоки углеобога-тительной фабрики Стоки коксохим-ического производства Стоки цемен-тного завода
Твердая фаза
Li+Be 0,012 0,10 0,1 0,12 0,03
B 1,6 0,2 0,1 0,2 0,4 2,4 1,6
C 22,2 5,7 0,8 7,4 8,8 31,8 19,7
Na 0,1
Mg 0,5 8,0 4,5 6,9 10,4 2,9 4,0
Al 3,8 1,0 3,1 4,6
Si 6,4 7,4 2,1 6,4 12,6 10,1 12,3
P 1,2 1,1 1,6 0,5
S 2,0 1,1 1,8 2,2
K 0,1 0,2
Ca 4,3 6,6 0,8 1,4 8,6 5,4 4,8
Ti 1,3 0,8 1,1 4,8
V 0,7 0,1 0,1 0,1 0,1 0,4 0,1
Cr 1,8 2,1 1,8 1,8 4,3 2,1 3,8
Mn 0,3 2,1 1,6 2,3 2,7 2,4 1,8
Fe 12,3 44,6 72,3 51,4 28,7 18,6 12,0
Co 0,1 0,2 0,1 0,1
Ni 0,6 2,5 2,5 2,8 2,0 0,8 0,5
Zn 14,0 3,8 4,7 4,9 3,0 10,1 3,8
Cu 0,4 0,3 0,6 0,6
Se 0,3 0,1 0,2 0,2
Sn 4,2 0,2 0,2 0,2 0,2 5,6 2,3
Pb 0,2 0,3 0,2 0,2
Bi 0,1 Следы 0,1 0,1
РЗМ, г/кг 0,8 0,4 0,8 0,7 0,3 1,1 0,6
Жидкая фаза
Li 0,05 0,05 0,05 Следы
Be 0,05 0,05 0,05 Следы
B 0,10 0,15 0,10 0,10
Na 0,20 0,25 0,15 0,15
Mg Следы 0,10 0,15 0,25 0,40
Al Следы 0,10 0,05 0,10 0,15
Si Следы 0,20 0,10 0,20 0,40
P 0,20 0,10 0,15 0,10
S 0,20 0,10 0,15 0,30
K 0,10 0,10 0,15 0,10
Ca Следы 0,60 0,10 0,55 0,80

Из данных этой таблицы видно, что стоки могут быть использованы для получения различных элементов. При этом содержание большинства элементов в воде значительно уменьшается, то есть происходит ее очистка.

4.2.4. Обработка водно-углеводородных сред

Представляет особый интерес обработка сред, которые содержат в большом количестве углеводороды. С такими средами можно столкнутся при обработке органических стоков, при обработке нефти и нефтепродуктов.

Наиболее тщательно обрабатывались 2 вида стоков коксохимического производства Магнитогорского металлургического комбината (фенольные и бензольные). Рабочая среда получалась разбавлением и эмульгированием заводских проб пожарно-питьевой водой в следующих соотношениях: 1:2,5; 1:5; 1:10; 1:15; 1:20. Во всех случаях обработка проводилась в одном и том же реакторе и в одних и тех же гидравлических и электрических режимах (табл. 4.9), а результаты обработки приведены в табл. 4.10 и 4.11.

Таблица 4.9

Энергетический режим обработки углеводородных рабочих сред

Параметр Рабочая среда
фенольная бензольная
Диаметр трубчатых электродов, мм 5 5
Ток стабилизации: пусковой , А 20 20
Напряжение в цепи стабилизации U , В 210 220
Ток нагрузки после пуска, А 69…70 69…70
Ток в индукторе после пуска, А 32 30…33
Средний расход рабочей среды на опыт, г 1406 416
Получено продуктов обработки (твердый осадок + жидкая фаза), г 1380 400
Получено газовой фазы, мл 52 38

Результаты анализа газовой фазы продуктов обработки даны в табл. 4.12.

Все опыты проводились в так называемом металлургическом режиме, то есть с максимальным выходом твердой фазы (до 180…420 г/л), причем при обработке фенольных, и особенно бензольных, стоков выход твердой фазы оказался минимальным (180…200) г/л.

Таблица 4.10

Содержание компонентов при обработке фенольных стоков, %

Компоненты продукта обработки Фенольные стоки Структура рабочей среды (фенольные стоки + вода)
1:2,5 1:5 1:10 1:15 1:20
I. Твердая фаза
C 19,4 16,6 19,0 46,3 22,1
Mg 17,6 4,8 8,2 16,6 7,7 4,7
Ca 30,0 21,8 20,3 19,1 16,0 49,0
Si 34,0 22,0 19,0 19,4 9,2 9,2
Fe 5,7 6,0 3,8 11,6 2,0 0,3
Cu 1,3 1,6 1,5 1,1 0,2 0,3
Zn 17,3 11,4 4,9 13,0 6,1
B 0,1 0,1 0,1 0,4 0,5
Al 3,2 3,0 2,1
Cr 0,9 0,9 0,8 0,9 0,9
РЗМ, г/кг 10-3 0,37 0,61 0,60 0,60 1,3
II. Жидкая фаза
Фенол 13,4 2,3 2,0 1,1 0,03 0,0004
Креозол 3,0 0,6 0,1
Ксиленол 0,5
Резорцины 2,2 1,4 1,0 0,2 0,1 0,0008
Нафтолы 4,3
Гидрохинон 0,2
Смолы 4,3 2,2 0,3 Следы Следы
Спирты 0,2
Феноляты 4,4 4,4 2,3 0,01 Следы Следы
Полимер-глыба 36,4 31,1 13,0 0,6 0.001
Полимер-цепь 18,3 12,3 6,1 0,7 0,004
Полимер-ячейка 13,2 3,0 Следы Следы Следы
Альдегиды 6,9 3,1 0,8 0,001 0,0001
Полистиролы 9,4 4,4 2,0 0,8 0,4
Вода: T2O 10-4 10-4 10-3 1,2∙10-3
D2O 0,08 0,3 0,43 0,45
H2O 68,5 4,9 40,4 76,4 97,5 99,54

Таблица 4.11

Содержание компонентов при обработке бензольных стоков, %

Компоненты продукта обработки Бензол сырой Структура рабочей среды (бензол + вода)
1:2,5 1:5 1:10 1:15 1:20 1:25
I.Твердая фаза
Ca 40,3 17,7 20,0 18,0 18,0 18,0 18,9
Fe 8,6 8,1 8,3 8,0 8,6 6,0 14,7
Ni 1,1 1,4 1,2 1,2 1,0 1,1
Co 0,1 0,8 0,3 0,2 0,2 0,1
Cr 1,1 0,6 1,6 1,8 2,0 2,0
Zn 13,9 17,3 14,7 13,7 9,4 11,7 2,3
B 0,1 0,2 0,4 0,4 0,4
C 29,1 24,0 22,0 22,3 22,0 26,0
Al 4,1 4,1 5,0 5,3 4,7 8,1
Cu 1,6 0,8 0,6 0,8 0,8 0,5
Mn 18,3 18,3 18,3 18,4 11,9 4,9 12,0
РЗМ, г/кг Следы 1,1 1,2 1,5 1,1 1,6 1,6
II. Жидкая фаза
Бензол 94,7 33,8 0,5 0,4 Следы Следы
Смолы 1,5 2,3 2,0 1,4 2,7 1,0 0,4
Толуол 1,1 0,3 0,1 Следы Следы Следы
Стиролы 2,0 43,0 36,0 46,6 50,6 51,0 50,2
Бутилы 0,2
Меркаптаны 0,1
Тиолы 0,1
Пропандиен 0,8 0,4 0,4 0,4 0,3 0,2
Бутадиен 0,4 0,4 0,4 0,4
Дифенил 0,3 0,2 0,2 Следы Следы
Ксилол 0,4 0,3 0,2 0,2
Уретаны 6,6 3,1 Следы Следы Следы
Вода: T2O 10-4 10-4 1,4∙10-3 10-3
D2O 0,018 0,42 0,60 0,58
H2O 0,2 1,3 53,1 48,4 43,7 46,1 48,8

Таблица 4.12

Содержание компонентов газовой фазы

Стоки Объем газа, мл Компоненты
О2 СО СО2 Н2 СН4 СnHm
Фенольные 25–45 20,5–20,6 0,1–3,5 0,18–0,25 0,1-0,2 0,2-0,8
Бензольные 20–30 20,1–20,2 0,3–4,0 0,28–0,6 0,3–0,6 0,2–0,5
Прочие 0-8   Следы 0,5–0,8 Следы

4.2.5. Свойства получаемых продуктов

Как и в случае обработки неорганических многокомпонентных водных систем [1–5], электроимпульсное воздействие на системы с добавками органических соединений (фенолы, бензолы и т.п.) приводит к образованию в воде нерастворимого твердого осадка черного цвета. Его частицы, свободно проходят через бумажные фильтры, которые после отстаивания в течение 30…50 сек образуют относительно крупные фракции, выпадающие из потока чистой прозрачной воды.

Относительное количество твердого осадка зависит от множества факторов: силы тока стабилизации, параметров разряда, материала пусковых электродов и, самое главное, вида и количества (доли) добавок в рабочие смеси.

Во всех фазах (твердой, жидкой, газовой) появляются элементы, совершенно отсутствовавшие в исходном сырье, причем количество последних не всегда зависит от степени разбавления стоков водой и других параметров.

При этом оказывается, что обработка стоков с растворенными и взвешенными неорганическими соединениями дает, как правило, твердую фазу в виде частиц чистых металлов, а стоки с органическими соединениями в виде гидратов и гидридов.

Так, рентгеноструктурный анализ твердой фазы после обработки фенольных стоков (табл. 4.13) показал, что Mg и Ca представлены в виде соединений моноклинной и триклинной систем вида (Mg,Ca)(OH)2, (Mg,Ca)Hк∙(Mg,Ca)CO3 и т.п. Элементы Fe и Zn оказались в виде сложных ионных комплексов переменной валентности, а Cu и Cr – единым ковалентным клатратом тригональной симметрии. Кроме того, Cr образует шпинель тетрагонального габитуса Cr4AI2O3, а бор обнаруживается в продуктах обработки всех видов углеводородных стоков в виде игольчатых образований – боридах Cu, Fe, Cr и т.д. Углерод представлен ромбическими (≈45%), гексагональными (≈40%) и аллеадоподобными (≈15%) структурами.

Исследование углеродной фазы методом ЯМР показало, что до 50% всей массы графитизировано и имеет вид сажистых ленточно-слоистых плотных структур, в которых содержится Н2 (до 14…16 %), 3Не (до 0,1%) и 4Не (до 0,1%), концентрация которых находится в пределах от 0,3 до 11,4%. Кроме этого, до 12% углерода находится в виде алмазоподобной структуры с дефектами по плоскостям <012013>,<120013>,<001230> и осям <00010>,<01001>,<00101>. Крупность зерен продуктов обработки рабочих систем достигает 6 нм. В составе фракции содержатся водород (до 3%) и гелий (до 0,1%).

Аналогичные результаты были получены и при анализе твердой фазы при обработке бензольных стоков. Судя по результатам атомно-адсорбционного анализа, жидкая фаза после обработки как фенольных, так и бензольных стоков состоит преимущественно из гидратов вида Me∙nH2O, газогидратов вида 1H2∙3H2O, 2H∙6H2O и следов 3H∙18H2O.

Таблица 4.13

Состав твердой фазы, %

Ион-соединение Рабочая среда CnHm + вода
1:5 1:10
Сa2+ 4,3 4,0
Ca3+ 2,4 2,6
CaO 78,05 74,4
CaO2 3,3 9,0
CaO- 0,5 1,5
Ca(OH)2 6,7 3,1
CaH(OH) 4,75 5,4
Fe2+ 1,6 1,5
Fe3+ 1,3 1,0
FeH(OH)2 4,7 4,8
FeO- 5,9 5,5
Fe2O2+ 44,2 47,2
Fe3O4- 42,3 40
NiHO- 3,6 3,4
NiH(OH)- 0,6 0,4
CoDT(OH) 0,04 0,003
CO(TO)- 0,004 0,01
CoH(OH)+ 0,8 0,43
CrH(OH)+ 3,1 2,0
Cr(TDO)H2+ 0,0012 0,012
Zn(HTO)4- 0,2 0,2
Zn3[H2-(H2O2)]3+ 0,04 0,04

Во всех опытах отмечено образование хлоратов как результата появления в жидкой фазе связанного хлора (до 0,9%), а также соединений с изотопами гелия 3He∙4H2O до 0,19%, 4He∙8H2O до 0,84% и 5He∙16H2O до 0,05%. При этом жидкая фаза имеет в 2,5 раза увеличенную концентрацию гелиевых и в 1,8 раза водородных газогидратов и несколько пониженную – углеводородных кластерных образований. Отмечается также наличие азота и кислорода (до 3%).

В заключение следует добавить, что кроме фенольных и бензольных стоков обрабатывались также и мазутные суспензии в соотношении с водой, равном 1/10. Анализы твердой и жидкой фаз после обработки показали примерно те же результаты, какие были получены при обработке фенольных и бензольных стоков. Исключение составило содержание газогидратов изотопов водорода и гелия, которое в среднем оказалось следующим: H – 0,06%, H2 – до 6,1%, 2H – 0,24%, 3H – 0,07%, 4H – 0,001%, 3He – 0,1%, 4He – 0,5%.

Судя по ИК-спектрам, все металлы и изотопы водорода оказываются в составе непредельных углеводородов, образуемых радикалами CH3–, CH22–, CH3, C2H42–, OH, H+ и др. Также в небольших количествах (до 1%) присутствуют соединения хлор-бензольного ряда и различные аминокислоты.

По опытным результатам прослеживается экстремальная связь содержания элементов, их соединений и особенно газогидратов со степенью разбавления углеводородных стоков с водой. Для фенольных сред это относится к содержанию углерода в твердой фазе (оптимум достигается при соотношении 1/15), магния (1/10), редкоземельных (1/5).

При прочих равных условиях выход твердой фракции при обработке углеводородных сред уменьшается в 1,5…2 раза и не превышает 15% (по массе). Соответственно меньше и дефект массы воды – всего 8…10%.

По всей вероятности это связано с увеличением роли водорода: в продуктах обработки его оказалось на 8…10% больше, чем в исходных углеводородах (в бензоле и фенолах), а также и углерода.

Баланс по углероду оказался иным: в органических соединениях продуктов обработки его оказалось только 86,3%. Остальное перешло в твердую фазу на образование углеродистой ленточно-слоистой структуры. Однако количество углерода в составе последней оказалось больше, чем требуется по балансу (минимально 10…12%).

4.3. Теоретические положения

Основные теоретические положения процесса преобразования элементов изложены в работах [1–5]. Известно, что существуют следующие виды плазмы: IV – кластерная (до 50 тыс. К), V – ионная (до 150 тыс. К), VI – дейтонная (до 300 тыс. К), VII – нуклонная (до 500 тыс. К). Переход плазмы из одного состояния в другое сопровождается выделением или потреблением энергии. Эти данные приводятся в работе [1, табл. 1,2] для некоторых химических элементов. Управление процессом возможно при переходах IV–VI, а далее процесс переходит во взрыв.

Механизм преобразования, вероятно, заключается в том, что при входе молекулярно-кластерной массы рабочей среды в поток возбужденных электронов, находящихся под определенным потенциалом тока стабилизации, практически мгновенно возникает процесс фазовых превращений:

Здесь термином дейтоны обозначены ядра элементов как системы нейтронно-протонных пар.

В результате этих превращений в объеме пленки гиперболоида вращения в течение короткого периода времени (10–6…10-3 с) образуется высокотемпературная плазма, содержащая протонно-нейтронные пары, электроны и остатки неразложившихся атомов.

Затем по закону случайных процессов в течение 10–8…10–6 с протекает процесс обратных фазовых превращений

Предположительная схема преобразования воды и углеводородов в условиях пребывания в плазменной среде и в электромагнитных полях может быть иллюстрирована рис. 4.4.

Рис.4.4. Схема преобразования рабочей смеси

Для воды предлагается следующая схема ее дейтонизации в зоне разряда:

В ходе процесса из каждой молекулы воды образуются два дейтона водорода, дейтон кислорода, 10 электронов (e ) и 10 нейтрино (ν). При переходе в зону расширения могут образовываться дейтоны других элементов, например, железа:

3DO + 6DH + 3Oe → DFe + 3Oe5426Fe + 4 e.

Оставшиеся четыре электрона образуют дополнительный электрический ток.

В работах [1–5] приведены теоретические положения для обоснования происходящих процессов. Для концентрации K какого-либо элемента в конечном продукте получено уравнение

,

где E и H – напряженности электрического и магнитного полей, μ - магнитная проницаемость дейтонной плазмы с электропроводностью ρ. Решение этого уравнения представлено в виде

K = C1 c h–2 C2 f (E),

где с – скорость света, h – постоянная Планка, С1 и С2 – постоянные коэффициенты, которые определены статистической обработкой экспериментальных данных: C1 = 0,207j2 (j – электроотрицательность элемента); C2 = 1,678 n φ. Здесь n – линейный размер атома целевого элемента; φ – потенциал его полной ионизации. Функцию f (E) определили как

 f (E) = I2

где I – ток стабилизации.

Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало, что их относительная разность не превышает 2…5,5 % при повторяемости экспериментальных данных не менее 0,92 и дисперсии σ2 = 0,171. Эти цифры свидетельствуют о хорошем совпадении теоретических и экспериментальных результатов.

4.3.1. Самоорганизация многокомпонентных водных систем

Фазовые превращения – это результат изменения всех характеристик движения материальных частиц, составляющих вещество рабочей среды. Более того, это один из видов движения материи, получивший свое не очень удачное, но характерное название – самоорганизация материи – основа физического процесса адаптации к изменяющимся условиям существования.

Процесс самоорганизации материи, и в частности воды, наблюдается в природе повсеместно. Так, за пределами стратосферы Земли молекула водяного пара, как и другие (О2, N2, NO2), попадая под воздействие квантов энергии множества силовых полей, вынужденно диссоциируют на молекулярные и атомарные составляющие с разными спиновыми числами [6]:

Естественно, для этого необходима энергия. При осуществлении процесса возникает дефект массы (протонов и электронов), удовлетворяемый за счет распада ядер кислорода с образованием его изотопов и ростом их возбуждения до ионной температуры. Повышение ионной температуры, а также увеличение концентрации активных частиц имеют следствием возникновение тепломассопереноса. Процесс имеет четко выраженный цепной, интенсивно разветвляющийся характер, так как вместо одного импульса hν и кластера 3H2O возникает 6 активных частиц (3 атома изотопа 15O и 3 молекулы Н2) – основы разветвленных цепных реакций. В итоге оказывается, что в результате воздействия импульса hν распадается ядро кислорода, считающееся самым устойчивым (магическим), и имеющее сбалансированный заряд и общий спин, приближающийся к нулю.

Неустойчивость ядра кислорода доказывается также расчетами потенциала энергии взаимодействия Рида для структурных элементов в химических веществах [1]. Так, для ядра атома кислорода он оказался равным 13,618, почти таким же, как для водорода (13,518 кэВ), но большим, чем для углерода (11,534 кэВ), и значительно меньше, чем для Не (24,584 кэВ).

В то же время потенциал Рида для кластера O=O оказывается меньше, чем у водорода Н (77,412<108,700), но больше, чем у углерода С (77,412>64,492). Для сольватированного иона кислорода O2– потенциал Рида оказывается максимальным (739,315 кэВ), не встречающимся ни у одного из элементов Земли. Самым близким к кислороду по этой характеристике являются азот N (667,030), бор B (648,5), бериллий Be (522,51), гелий He (442,51). Все это дает основание считать кислород О и водород Н основными элементами, ядра которых наименее устойчивы и поэтому являются источником тех протонно-нейтронных пар, без которых невозможен механизм образования новых элементов.

Так как кислород в связанном состоянии и особенно в виде воды (льда) можно встретить повсюду, то, следовательно, там, где есть вода и ее пары, там всегда существует вероятность возникновения процесса образования новых элементов и, прежде всего, распада сложных и образования простых, наиболее устойчивых, имеющих более высокое сродство к кислороду.

Так как, в отличие от кислорода, кластер водорода Н2 оказывается более устойчивым, из-за увеличенного потенциала Рида (108,700 > 77,412) и к тому же его ядро не имеет нейтронов, то естественно водород в процессах преобразования элементов не является основным источником протонно-нейтронных пар. Однако избыток протонов, тем более гидратированных, способствует возникновению протонно-нейтронных пар при обязательных условиях их образования: избытке электронов, наличии квантов энергии и вакуума. Высокая вероятность наличия всех этих факторов доказывается отсутствием свободного водорода в продуктах обработки. Как и при обработке минеральных суспензий, в данном случае оказалась неоднозначной роль гидроксила и всех анионов. С одной стороны, необходимо и обоснованно увеличение их доли, которая определяет рост электропроводности рабочей среды, а с другой, при пуске агрегата вместо необходимого симметричного двухвороночного разряда (в пределах гиперболоида вращения) возникает обыкновенный струйный дуговой разряд неопределенной формы с его обязательными звуковыми (треск и рев), тепловыми (кипение и испарение воды), электрическими (электролиз воды с образованием водорода) и механическими (эррозия электрода) эффектами. Поэтому наилучшие результаты получены при рН рабочей среды в пределах 6…7.

Вторым условием возникновения процесса преобразования вещества является создание вакуума, по крайней мере в зоне взаимодействия.

Самым простым способом, реализуемым в природе, является разрыв сплошности в потоке воды или водяного пара. Этот разрыв может осуществляться несколькими способами: взрывом (дейтонизацией углеводородно-кислородных смесей); механическим (кавитацией); электрическим (пробоем разряда); сочетание вышеприведенных способов, то есть созданием ударной волны, и более того, ее перемещением в объеме материала, подвергаемого тепловой обработке [7–10].

Как известно и многократно доказано, что ударная волна распространяется в виде уединенной волны-солитона, которая при встрече с преградой отражается, возвращаясь к источнику возбуждения в результате контакта со встречным солитоном, но в противофазе она образует зону вакуума, которая мгновенно заполняется атомами окружающего вещества (схлапывается с выделением энергии).

В рассматриваемом случае вакуум заполняется теми частицами, количество которых максимально, размеры частиц минимальны, движутся частицы с максимальными скоростями и это движение организовано соответствующими силовыми полями.

Такими частицами являются электроны, которые накапливаются в конденсаторах, и в минимальное время разряда последних вводятся в реакционный объем рабочей среды через кольцевые, трубчатые электроды.

В первое мгновение (10-6 с) образовавшийся трубчатый разрыв сплошности естественно идет по поверхности пограничного слоя потока – границе раздела потока рабочей среды от внутренней поверхности корпуса реактора, изготовленного из диэлектрического материала, являющегося каркасом катушки Брукса.

Однако пинч-эффектом образовавшийся трубчатый разрыв сплошности отгибается от оси потока и устанавливается в виде трубки под воздействием встречно-действующего скин-эффекта, образуя полую пространственную фигуру в виде двуполостного гиперболоида вращения с полупрозрачной стенкой толщиной 0,01 мм.

Все выводы, а также пояснения носят предварительный характер и нуждаются в уточнениях, основанных на более глубоких и точных исследованиях с использованием современной научно-исследовательской техники.

Литература

  1. Вачаев А.В., Иванов Н.И. Энергетика и технология структурных переходов: Учебное пособие. Магнитогорск: МГМА, 1994. 190 с.
  2. Иванов Н.И., Вачаев А.В Термодинамика Фазовых переходов. Магнитогорск: МГМА, 1994. 33 с.
  3. Патент № 2096846 РФ, МКИ G 21 G 1/00, H 05 H 1/24. Способ получения элементов и устройство для его осуществления / А.В. Вачаев , Н.И. Иванов, А.Н. Иванов, Г.А. Павлова. Заявл. 31.05.94 // Изобретения. 1997. № 32. С. 369.
  4. Иванов Н.И, Вачаев А.В. Динамика дисперсности вещества при фазовых переходах //Известия Вузов. Черная металлургия, 1996. №8. С.33–36.
  5. Иванов Н.И., Вачаев А.В., Павлова Г.А., Скворцов Л.А.. Основные положения дейтонной горно-металлургической технологии // Известия вузов. Черная металлургия, 1998. №4. С.54–59.
  6. Разумовский С.Д. Кислород-элементарные формы и свойства. М.:Химия,1974. 304 с.
  7. Такер Дж., Ремитон В. Гиперзвук в физике твердого тела: Пер. с англ. М.: Мир, 1975. 453 с.
  8. Спеттерн Дж. С. Теория переноса импульса, энергии и массы в твердом теле: Пер. с англ. М.: Энергия, 1978. 448 с.
  9. Кнэппер Р., Дейли Дж., Хэммит Д. Кавитация: Пер. с англ. М.: Мир, 1974. 678 с.
  10. Физика взрыва / Ф.А. Баум, К.П. Станюкевич, Б.И. Шехтер и др. М.: Наука, 1979. 800 с.