Возможные механизмы воздействия магнитных и электромагнитных полей при очистке воды от минеральных масел и нефтепродуктов.

В статье [1], обобщающей результаты многочисленных исследований различных авторов и организаций, отмечалось, что воздействие магнитного поля на воду и водные растворы вызывает изменение ряда физических и физико-химических свойств воды: плотности, вязкости, электропроводности, поверхностного натяжения, смачива­ющей способности, магнитной восприимчивости, водородного показателя и др. Это дало возможность инженерам и ученым выявить практические эффекты и применить их для интенсификации ряда технологических процессов.

Вот далеко не полный перечень подобных эффектов: 

    –  ускорение процессов растворения солей  
    –  ускорение процессов коагуляции и осаждения взвесей 
    –  ускорение процесса кристаллизации в пересыщенных растворах 
    –  ускорение процессов коагуляции и осаждения взвесей 
    –  ускорение процесса кристаллизации в пересыщенных растворах 
    –  увеличение прочности слипания твердых частиц в осадках 
    –  уменьшение гидратации поверхностей раздела таких фаз как жидкость-жидкость, газ-жидкость и твердое тело-жидкость 
    –  увеличение скорости фильтрования суспензий и уменьшение влажности осадков 
    –  увеличение активности растворов реагентов и скорости протекания химических реакций 
    –  повышение поглощающей способности адсорбентов 
    –  повышение скорости схватывания и прочности бетона, а также прочности керамических изделий 
    –  значительная интенсификация электродных реакций в электрохимических процессах
    –  ряд эффектов при воздействии на биохимические и биологические системы

В принципе все возможные изменения физических и физико-химических свойств воды, перечисленные выше, так или иначе оказывают влияние на процессы разделения водно-масляных систем. Поэтому следует рассмотреть все возможные варианты воздействия магнитных полей на эти системы и по-возможности дать количественную оценку этих воздействий.

1.  Предварительное омагничивание эмульсий перед отстаиванием и флотацией.

Отмечается [2, 3], что изменения, которые происходят в структуре воды после воздействия на нее магнитных полей напряженностью до 1000э, создают условия для коагуляции и агрегатирования взвешенных в воде частиц, уменьшают гидратацию поверхностей раздела жидкость-жидкость, жидкость-твердое тело, жидкость-газ и тем самым уменьшают их гидрофильность. В принципе не так уж важно, что именно является причиной уменьшения гидратации – взаимодействие молекул воды с магнитным полем (МП), твердых и газообразных частиц с МП или ионов растворенных веществ с МП. Важно, что этот эффект имеет место, и он особенно необходим в процессах флотационного разделения водно-масляных эмульсий, когда степень гидратации масляных частиц и воздушных пузырьков имеет практически решающее значение.

В [1] уже сообщалось о результатах проведенных нами экспериментов по предварительному омагничиванию перед отстаиванием и флотационным разделением модельных и натуральных эмульсий с концентрациями масел около 200 мг/л и размерами масляных частиц до 140 мкм. Эмульсии содержали индустриальное масло марки ИС-20, сульфофрезол и силиконовое масло. Эксперименты проводились без добавления реагентов, с добавлением 2,0 г/л NaCI и с подкислением эмульсии до рН 5,2 серной кислотой. Во всех случаях эмульсии пропускались через омагничиваемый канал из оргстекла толщиной 0,5 мм. Сечение канала 5,0×20 мм, длина 378 мм. Поперек широких стенок канала вплотную к ним торцами установлены на расстоянии 10 мм друг от друга постоянные магниты, причем полярность соседних (вдоль одной стенки) торцов магнитов различная. Вдоль канала установлена 21 пара таких магнитов. Напряженность магнитного поля, создаваемого каждой парой магнитов равна 500э. За счет изменения расхода эмульсии при протоке через канал частота магнитных воздействий варьировалась в пределах от 0,6 до 260 Гц. Линейная скорость течения эмульсии в канале в разных опытах составляла от 0,01 до 5,1 м/с. Сравнительные опыты по отстаиванию и флотационному разделению проводились без предварительного омагничивания. На основании результатов проведенных экспериментов сделаны следующие выводы:

    –  налицо несомненный эффект воздействия импульсного магнитного поля на маслоэмульсионные системы, улучшающий расслоение водно-масляных эмульсий при последующем отстаивании и флотационном разделении; повышение эффекта разделения за счет предварительного омагничивания составило в обоих случаях 10–32%; 
    –  подтвердились данные Шахова и Аветисова [3] о существовании наиболее эффективной частоты импульсной магнитной обработки; в наших экспериментах наибольшее повышение эффекта разделения эмульсий за счет предварительной магнитной импульсной обработки имеет место в интервале частот импульсов от 6 до 28 Гц при напряженности поля 500э; 
    –  в целом зафиксированное повышение эффекта расслаивания эмульсионных систем в разных вариантах обработки за счет предварительной магнитной импульсной обработки хотя и значительно по величине, но проблемы выделения масел из таких систем при очистке сточных вод не решает. Однако, экономический эффект от применения предварительного омагничивания в таких случаях обеспечивается за счет сокращения времени пребывания сточных вод в сооружениях для седиментационного или флотационного разделения.

Магнитогидродинамическая сепарация.

Известно, что капля масла радиусом r_M и плотностью ρ_M будет всплывать в более тяжелой жидкости (воде) с плотностью ρ_Ж и вязкостью η со скоростью, которая определяется уравнением Стокса:

 , (1)

Если ρ_М<ρ_Ж, то такая капля будет всплывать под действием архимедовой силы. Для типичных эмульсий масло-вода значительная часть капель имеет ρ≅1...10 мкм, ρ_M≅ρ_Ж, h≅0,01 пз и «v» при этом имеет порядок нескольких сантиметров в сутки, что делает процесс седиментации непригодным для разделения таких эмульсий.

Известно также [4], что если через проводящую жидкость течет электрический ток с плотностью j и на жидкость наложено перекрестное магнитное поле с магнитной индукцией В (рис. 1), то на элементарный объем жидкости сечением ds действует электромагнитная сила

dF=BjdS×L, (2) 

где L – расстояние между электродами.

Рис. 1

Направление действия электромагнитной силы определяется правилом «левой руки». Поскольку Lds = dv, то

dF/dv=Bj, (3)

На этот же элементарный объем жидкости действует сила тяжести жидкости, направленная вниз. Таким образом, при одинаково направленных вниз силе тяжести и электромагнитной силе на нижние слои жидкости будет действовать давление р₀, определяемое силой тяжести G, и дополнительное давление р_э, определяемое электромагнитной силой F (рис. 2). Тогда удельный вес жидкости выражается как γ₀=p₀/h, где h – высота слоя жидкости, а прирост удельного веса за счет электромагнитной силы как γ_Э=р_Э/h=dF/dv=Bj. Общая величина удельного веса жидкости γ_общ будет равна

γ_общ=γ₀ + Bj, (4)

Рис. 2.

Если изменить направление тока на обратное, то электромагнитная сила будет действовать вверх и общая величина удельного веса будет равна

γ_общ=γ₀ – Bj, (5)

Из формул (4) и (5) видно, что, регулируя величины магнитной индукции и тока, можно управлять удельным весом жидкости и в принципе добиться «невесомости» жидкости, т. е.γ_общ=0 при Bj=γ₀ в формуле (5).

Особенностью такого рода «утяжеления» жидкости является возможность увеличивать эффективную плотность жидкости при сохранении величины коэффициента вязкости, практически равной вязкости воды. Известны исследования, эксперименты и практика использования описанного явления для интенсификации и улучшения процесса гравитационного обогащения полезных ископаемых и в особенности мелких их классов [5, 6, 7].

Вызываемое электромагнитной силой перераспределение давлений в жидкости приводит соответственно к изменению выталкивающей (Архимедовой) силы, действующей на частицы, находящиеся в жидкости. На основании теоретических выводов и экспериментальных исследований показано [5], что суммарная сила, выталкивающая сферическое тело из жидкости при воздействии перекрестных магнитного и электрического полей, составляет

F=δKjHV{1–Ф(А)}, (6)

где Н – напряженность однородного магнитного поля,

V – объем непроводящей сферической частицы,

К – постоянный коэффициент, зависящий от выбора единиц измерения и равный 10, если плотность электрического тока измеряется в А/см² и напряженность магнитного поля – в эрстедах; он равен 0,1, когда электромагнитная сила рассчитывается по формуле f=KjB, плотность тока измеряется в А/м², а индукция магнитного поля В – в теслах, δ – параметр, зависящий от проводимостей жидкости и частицы

 , (7) 

Ф(А) – функция от безразмерного критерия А, который равен

 , (8)

r – радиус частицы, v – коэффициент кинематической вязкости) и характеризует отношение сил инерции к силам вязкости и эквивалентен по-существу числу Рейнольдса возникающего вблизи частицы течения.

Уравнение (6) является общим для всех случаев соотношения проводимостей жидкости и частиц, в том числе для случая частиц с отличной от нуля проводимостью. Для случая непроводящих частиц (δ = 1), например, капель минеральных масел или нефтепродуктов, уравнение (6) принимает вид

F=KjHV{1–Ф(А)}, (9)

В случае δ = 0 (проводимости жидкости и частиц равны) F=0.

Все приведенные формулы справедливы в случае однородных электрических и магнитных полей. Однако, в присутствии частиц или капель в результате перераспределения плотностей тока магнитные силы будут вихревыми и жидкость придет в движение. В [5] показано, что в соответствии с выведенным авторами выражением магнитного числа Рейнольдса

, (10)

для реальных условий (Н≤10⁴ эрст., r≈1 см, σ_Ж≤0,1 ом^-1см^-1, ρ_Ж≈1 г/см³ и j≤1 A/см²) хорошо выполняется условие R_m<<1, т. е. индуцированными за счет движения жидкости под действием вихревых магнитных сил токами можно пренебречь.

Функция Ф(А) принимает постоянные значения в предельных случаях чисто вязкого и чисто инерционного режимов, т. е. в зависимости от значений параметра А. Для чисто вязкого режима (А<1) значение Ф(А) рассчитано в [6] и составляет 0,25. В [5] дается условие осуществления чисто вязкого режима для чистой воды и слабых электролитов (n≈10^-2 см²/с). При электромагнитном «утяжелении» воды до  радиус непроводящей (δ=1) сферической частицы должен быть r<10^-1, что удовлетворяет условиям нашей задачи (очистка воды от мелкодиспергированных минеральных масел и нефтепродуктов).

Следует отметить, что D. Leenov и A. Kolin [6] в 50-е годы предложили аналогичную формулу для расчета выталкивающей силы, действующей на сферическую частицу в ламинарном течении проводящей жидкости во взаимноперпендикулярных электрическом и магнитном полях:

 , (11)

При этом, если проводимость сферической частицы несравнимо меньше проводимости жидкости (σ_Ч<<σ_Ж), то

F=3/4KjHV, (12)

Если проводимость частицы несравнимо больше проводимости жидкости, то сила меняет свой знак на противоположный и равна

F=–3/2KjHV, (13)

Если σ_Ж≈σ_Ч, то

  , (14)  

Формула (14) справедлива при выполнении условия

F×ρ<<η² , (15)  

где η – динамическая вызкость жидкости. 

В случае значений параметров ρ≈1г/см³ (вода), Н=10³ эрст., j=10^-2 A/см², η=10^-2 пз. 

Из формулы (12) и условия (15) нетрудно получить, что формула Линова-Колина справедлива лишь для сферических частиц с радиусом менее 10^-2 см, причем с увеличением вязкости жидкости граничный размер частиц растет.

Теперь оценим реальные возможности интенсификации процесса гравитационного разделения водно-масляных эмульсий за счет рассматриваемого эффекта электромагнитного «утяжеления» воды.

Для масляной капли диаметром 100 мкм, т. е. для достаточно крупной капли (предельный размер для приведенных выше расчетных формул), плотности тока 2000 А/м² и магнитной индукции 0,5 тл (вб/м²) в соответствии с формулой (12) действующая на нее электромагнитная сила выталкивания равна (коэффициент К, как пояснялось выше, при выбранных единицах измерения равен 0,1, объем сферической капли выбранного диаметра равен 0,5×10^-12 м³):

0,75×0,1×2000×0,5×0,5×10^-12=0,375×10^-10 [м×кг/см²], т. е. 0,375×10^-10 ньютон или 0,375×10^-5 дин. 

Как видим, дополнительная сила выталкивания очень мала. Создание однородных магнитных полей с магнитной индукцией до 4тл может быть осуществлено с помощью электромагнитов с сердечниками из ферромагнитных материалов. Что касается плотности тока, то в расчетном примере она принята утрированно высокой, т. к. при плотностях порядка 50...200 А/м² в зависимости от солевого состава воды на электродах начинается разложение воды с газовыделением и другие электродные реакции.

У. Андрес и др. [5] показывают, что реально можно добиться электромагнитного «утяжеления» воды в пределах

 , (16)

Если обозначить   как коэффициент относительного магнитогидродинамического утяжеления воды, то можно выразить кратность увеличения (β) архимедовой силы выталкивания и, соответственно, стоксовой скорости всплывания масляных капель в формуле (1) за счет МГД-воздействия (учитывая, что ρ_Ж=1,0) как

 , (17)

Из последнего уравнения следует, что, например, для λ_мгд=0,5 при плотности нефтепродуктов ρ_м=0,98 кратность увеличения стоксовой скорости всплывания капель составляет β=26, при плотности ρ_м=0,96 β=13,5. Для λ_мгд= 1,0 при плотности ρ_м=0,98β=51, при плотности ρ_м=0,96 β=26. Это означает, что чем выше плотность нефтепродуктов (ближе к плотности воды), тем более сказывается МГД-эффект, чем меньше плотность, тем более сказывается гравитационный эффект.

Как видно по приведенным примерам, магнитогидродинамическое «утяжеление» воды позволяет значительно увеличить скорости всплывания мелкодиспергированных масляных частиц и нефтепродуктов. Однако, с учетом крайне низких стоксовых скоростей всплывания мелкодиспергированных частиц, приведенных в начале этого раздела, реально получить значительное увеличение эффекта разделения водно-масляных эмульсий, по-крайней мере для частиц размером до 100 мкм, невозможно.

Кроме того, необходимо учитывать, что для создания в зазоре электромагнита 1100x600x110 мм индукции 1,5 тл необходим источник питания мощностью 15 кВт (практические данные института физики Латвийской академии наук).

Тем не менее, имеются работы, в которых авторы получали высокий эффект МГД-разделения водно-масляных эмульсий. Например, в [8] для эмульсии с концентрацией нефти 800 мг/л и крупностью основной массы частиц в диапазоне 25...100 мкм при плотности тока 100 А/м², напряженности магнитного поля 7 эрстед (!) за 3 минуты получен эффект расслоения 94%. Любопытно, что в соответствии с формулой (12) на частицы размером 100 мкм при таком силовом режиме действовали МГД-выталкивающие силы величиной 0,375×10^-15 ньютона или 0,375×10^-10 дины при массе частицы 0,43×10^-6 г(плотность нефти 0,86). Со стороны жидкости на эти же частицы нефти действовали Архимедовы силы выталкивания 0,5×10^-12 [м³] × 10⁶ [г/м³] = 0,5×10^-6 г, т. е. дополнительные МГД-силы на четыре порядка меньше и сказываться просто не могли. Да и у авторов этой работы по результатам следующих экспериментов эффект разделения гораздо ниже при напряженностях магнитного поля 500...2000 эрстед. Из полученных ими экспериментальных данных следует, что зависимость эффекта выделения нефти из эмульсии от напряженности магнитного поля является экстремальной – при повышении напряженности выше 1500 э эффект уменьшается. Эксперименты проводились в ячейке с электродами, расположенной внутри соленоида с внутренним диаметром 100 мм, т. е. высота ячейки была не более 80 мм. Нижняя часть ячейки была соединена со стеклянным пьезометром, по которому в ходе экспериментов не было зафиксировано изменение гидростатического давления в объеме эмульсии под действием тока и магнитного поля. Два отмеченных факта (экстремальность зависимости и отсутствие изменений гидростатического давления) дали авторам возможность отметить противоречие экспериментальных данных с теорией и предположить, что «...эффект воздействия электромагнитного поля носит иной характер, имеет иной механизм», т. е. не в соответствии с формулами (9) и (12), которые отражают воздействие массовых сил Лоренца на дисперсионную электропроводящую среду. Однако, что же другое авторы могли зафиксировать по пьезометру при отмеченной высоте ячейки и приведенных ими значениях электрических и магнитных параметров, если дополнительное МГД-давление при Н = 7э составляет p_Э=γ_Э×η=KBjh=0,1×7×10^-4×100×80×10^-3=0,56×10^-3 кг/м² = 0,56×10^-3 мм.вод.ст., а при Н=2000 э p_Э=0,1×2000×10^-4×100×80×10^-3=0,16 кг/м²=0,16 мм.вод.ст. По поводу «экстремальной зависимости» комментарии будут даны несколько позже. Авторы, приведя рассуждения о поведении масляной частицы с двойным электрическим слоем (ДЭС) в электрическом поле, об образовании нескомпенсированного заряда за счет смещения ДЭС и об электрофоретической подвижности таких агрегатов в электрическом поле, предлагают другой механизм воздействия электромагнитного поля –действие сил Лоренца на сами частицы, имеющие электрический заряд (аналогично МГД-воздействию на электроны и ионы) в соответствии с формулой

F_л=K×q×[v×B]×sinα (18)

где q – заряд частицы,

v – скорость перемещения заряженной частицы,

B – величина вектора магнитной индукции,

F_л – сила Лоренца, действующая на движущийся в магнитном поле заряд,α – угол между векторами v и B.

Оценим возможности такого воздействия. Поверхностный заряд масляных частиц оценивается [9] в 0,44×10^-13 к, по многочисленным литературным данным [9, 10] скорость электрофоретического перемещения мелких масляных капель находится в интервале 4, 3....55,7×10^-5 см·с^-1/в· см^-1, максимальная магнитная индукция, использованная авторами в исследованиях, 2000 гс, напряженность электрического поля в экспериментах – 10 в· см^-1. При таких условиях сила Лоренца, действующая на частицу, составляет (sinα=1, т. к. магнитное поле наложено перпендикулярно электрическому, в котором и перемещаются масляные частицы)

F_л=0,1×0,44×10^-13×55,7×10^-5×10^-4×10×2000×10^-4=0,5×10^-21 н=0,5×10^-16 дин.

Таким образом, сила Лоренца, действующая на частицу масла с нескомпенсированным зарядом, на 6 порядков меньше сил МГД-выталкивания при одинаковых электрических щи магнитных параметрах. Очевидно, что никаких перемещений масляных капель вместе с ионными оболочками по искривленной траектории (круговой), как это положено при действии сил Лоренца на движущиеся заряженные частицы, наблюдатели не могли видеть даже через микроскоп.

Теперь, глядя на формулу (18) и видя результаты оценки действующих сил, уместно задать вопрос: как могли авторы получить «экстремальную зависимость» эффекта выделения масел от напряженности магнитного поля рассматриваемым воздействием полей и объяснять эту зависимость «...именно МГД-характером воздействия...»? Если теоретические объяснения понять трудно, то в экспериментальных данных все становится на свои места, если обратить внимание, что плотность тока во всех экспериментах была порядка 1 А/дм², а электроды в ячейке были алюминиевые; авторы работали в области достаточно интенсивного анодного растворения алюминия. Вскользь об этих наблюдениях в работе сказано, но в толковании результатов этот факт почему-то не нашел места, тогда как он, по всей видимости, играл основную роль в эффекте.

Можно для увеличения сил Лоренца, действующих на заряженные капли масла, резко увеличить скорость капель в магнитном поле за счет протока эмульсии через магнитное устройство. Однако, из расчета лоренцовой силы по формуле (18) видно, что ввиду крайне низких величин заряда капель добиться значительных сил и, соответственно, значительного эффекта выделения масел технически не представляется возможным.

В [1] мы сообщали, что в наших экспериментах эффект выделения масел по двум рассмотренным в этом разделе механизмам МГД-воздействия был ниже, чем при отстаивании и флотации с предварительным омагничиванием.

3. Использование диамагнитных свойств минеральных масел и нефтепродуктов.

Мелкие капли масел и нефтепродуктов в воде испытывают действие выталкивающей силы (силы Архимеда), равной

 , (19)

Для интенсификации процесса коалесценции и всплывания сферических частиц масло-нефтепродуктов можно использовать их диамагнитные свойства: диамагнитные вещества, помещенные в зону действия магнитного поля, испытывают действие силы f, которая направлена в сторону уменьшения напряженности магнитного поля и рассчитывается по формуле

f=χ×v×dH/dx, (20)

где v – обем частицы, см,

χ – магнитная восприимчивость вещества,

Н – напряженность магнитного поля, э,

dH/dx – градиент напряженности магнитного поля вдоль направления движения частицы, э/см.

Если на нисходящий равномерный установившийся поток воды, в которой находится капля масла, наложить магнитное поле так, чтобы направление уменьшения напряженности магнитного поля совпадало с направлением действия силы Архимеда, то общая сила, удерживающая частицу в движущемся потоке, возрастет и составит

 , (21)

Из гидродинамики известно, что для удержания сферы радиусом r неподвижной в равномерном установившемся потоке со скоростью «u» несжимаемой жидкости, к ней надо приложить силу f_ст, рассчитываемую по формуле Стокса

f_ст =6πμ×ur (22)

где μ – коэффициент вязкости жидкости (г/см·с), причем это справедливо лишь для течений, характеризующихся малыми значениями чисел Рейнольдса (порядка нескольких единиц)

Re=u×r/v,

где v – кинематический коэффициент вязкости (см²/с) и v=μ/ρ.

Если считать, что v≈1,14×10^-2 см²/с для воды комнатной температуры, то нетрудно ограничить область значений для скорости потока жидкости, при которой формула Стокса будет справедлива для частиц радиусом порядка 50 мкм:

u=v/r=2,3 Re; Re = 1....10; u≤23 см/с (24)

Для того, чтобы удержать сферическую частицу масла или нефтепродукта в неподвижном состоянии в нисходящем равномерном установившемся потоке жидкости, необходимо добиться равенства суммарной выталкивающей силы и силы Стокса

F_B+f_M=f_CT (25)

Из (21), (22) и (25) находим

  , (26)

С учетом значений входящих сюда постоянных χ=10^-5, r=50 мкм = 0,5×10^-2 см,μ=1,13×10^-2 г/см·с, (ρ_Ж–ρ_М)=0,2 г/см³, g=0,98×10³ имеем

 (27)

Получение магнитных полей напряженностью 10⁴ э и с градиентом напряженности порядка 10³ э не представляет особой сложности. Поэтому при скорости потока жидкости примерно 0,1 см/с сферические частицы масел и нефтепродуктов диаметром 100 мкм и более будут удерживаться в неподвижном состоянии в потоке жидкости и таким образом может быть решена проблема удаления их из воды. 

Из формулы (26) видно, что необходимая для задержания частиц масел величина  обратно пропорциональна квадрату радиуса сферических частиц. Следовательно, при наличии коалесценции масляных капель эффект извлечения их значительно повышается. Поэтому при использовании рассматриваемого способа расслаивания эмульсий необходимо предусматривать предварительную ступень коалесцентной обработки. Для получения магнитных полей с большим значением произведения H·gradH можно использовать мощные соленоиды, создающие в своем центре магнитное поле порядка 25...30 тыс. эрстед; в области входа и выхода из соленоида значение напряженности может составить тогда 15...18 тыс. эрстед и gradH – примерно 1,5...1,7 тыс. эрстед; значение H·gradH тогда будет иметь порядок 10⁷ э. Кроме того, можно применять электромагниты с полюсными наконечниками специального вида (рис. 3), которые обеспечивают достаточно высокое значение и постоянство в некоторых объемах произведения H··gradH [11].

Наши экспериментальные исследования проводились на установке, показанной на рис. 4. Первоначально вся ячейка заливалась необработанной искусственной эмульсией, имеющей концентрацию индустриального масла 180...200 мг/л. Далее при работающем магните эмульсия подавалась с двух сторон ячейки между ее стенками и вертикальными перегородками. К межполюсному пространству эмульсия подводилась с двух сторон между днищем ячейки и горизонтальными перегородками. Эмульсия проходила через межполюсное пространство электромагнита с большим градиентом напряженности магнитного поля (от 1000 до 1400 э/см) и высокой напряженностью (8...10 тыс. эрстед) со скоростью протока 0,1...10мм/с) и отводилась через вертикальный канал. Капли масел, выталкиваемые магнитным полем, концентрировались и коалесцировали в верхней зоне ячейки. Состав масляных капель в эмульсии по размерам (усредненные данные) представлены кривой распределения на рис. 5.

Полученные экспериментальные данные показали:

    – без добавления реагентов эффект задержания масел составлял 47...72,5%;

    – добавки NaCI практически не повышают эффекта задержания масел;

    – достаточно высокий эффект задержания масел (87...99,96%) обеспечивает подкисление эмульсии до рН 5,6; объясняется это, очевидно, предварительным деструктурированием эмульсионной системы, которое более резко проявляет различие магнитных свойств масляных частиц и воды, а также понижает вязкость системы, что, в свою очередь, создает более благоприятные условия для перемещения масляных частиц от межполюсного пространства;

    – увеличение напряженности магнитного поля и градиента напряженности заметно повышает эффект задержания масел (непосредственно над межполюсным пространством визуально видно усиление коалесценции и увеличение скорости всплывания масляных капель);

    – изменение линейной скорости потока в узкой части межполюсного пространства от 0,1 до 7,5 мм/с очень незначительно влияет на эффект отделения масел (снижается на 0,16...0,31%); резкое снижение эффекта (на 7...14%) зафиксировано при скорости 10 мм/с;

    – остаточные концентрации масел при наивысших значениях магнитных параметров, скорости потока в узкой части межполюсного пространства до 7,5 мм/с и подкислении эмульсии до рН 5,6...5,8 составляли 0,5...0,7 мг/л.

Таким образом, механизм, создающий эффект задержания минеральных масел и нефтепродуктов, ясен – это действие пондеромоторных (выталкивающих) сил неоднородного магнитного поля на диамагнитные вещества, которые (силы) направлены в сторону уменьшения напряженности поля. В случае очистки воды, содержащей эмульгированные (и, тем более, неэмульгированные) нефтепродукты, эффект очистки должен быть выше, т. к. все нефтепродукты имеют значительно более ярко выраженные диамагнитные свойства, чем минеральные масла.

Вычислим для сравнения с двумя механизмами воздействия на эмульсии, рассмотренными в предыдущем разделе, величину действующей в этом случае на частицу масла диаметром 100 мкм магнитной силы по формуле (20):

при массе капли, как приводилось в разделе 2, m=0,43×10^-6r.

Как видим, разница в действующих магнитных силах огромная (четыре порядка при учете объемных Лоренцовых сил и двенадцать порядков при учете Лоренцовых сил, действующих на заряженную частицу). Обратим при этом внимание на то, что технические возможности увеличения действующих сил в экспериментах последнего раздела далеко не исчерпаны; и еще на то, что техническая реализация устройств для использования последнего механизма воздействия гораздо проще, чем для рассматриваемых в разделе 2, т. к. не требуется больших объемов, омагничиваемых сильными полями.

Вывод: из рассмотренных способов магнитной и электромагнитной обработки масло- и нефтеэмульсионных систем в области очистки природных и сточных вод единственным, реально дающим положительный эффект и пригодным для самостоятельного использования в промышленном масштабе, при дальнейшей технологической и конструктивной проработке можно считать способ сепарации масел и нефтепродуктов за счет действия на них как на диамагнитные вещества пондеромоторных сил неоднородных магнитных полей.

Литература

1. Герасимов Г.Н., Ризо Е.Г., Бурцев В.П.  Использование магнитных полей для очистки промышленных сточных вод. // Судостроение, 1978, №4. 
2. Шахов А.Н. // Прогрессивные методы очистки природных и сточных вод: Материалы конференции. М., 1971, C. 107...109. 
3. Шахов А.Н., Аветисов А.С. // Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем: Материалы 2-го Всесоюзного семинара. М., 1971, С. 252...258.
4. Киттель Ч., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Том 1. Механика. Пер. с англ. М., «Наука», 1971. 
5. Андрее У.Ц. Магнитогидродинамическая сепарация углей и других полезных ископаемых. // Уголь. 1963, №7, стр. 54...58.
6. Leenov D., Kolin A. //Journ. Chem. Phys., 1954, v. 22, №4. 
7. Небренчин A.M. и др., Обогащение полезных ископаемых на МГД-сепараторах. // Киев, Гипромашуглеобогащение, 1969, 48 стр.
8. Разработка и исследование электромагнитных способов очистки сточных вод нефтебаз. // Научно-технический отчет по теме 19-77. № гос. регистрации 77055638 // Тюменский индустриальный институт. 1978. 
9. Клейтон В. Эмульсии. Их теория и технические применения. Пер.с англ. Издат. Ин. лит. М., 1950.
10. Шерман Ф. Эмульсии. Пер. с англ. «Химия». Л., 1972.
11. Черников В.П. Магнитные измерения. М.: изд. МГУ, 1969.