Химия - Магнитогидродинамическая обработка

Магнитогидродинамическая обработка – способ воздействия на поток минерализованной воды, в котором под воздействием магнитного поля индуцируется электрический ток. Электрический ток в электролитах поддерживается, как известно, перемещением заряжённых ионов и в потоке воды происходит изменение концентрации в объёме потока положительных и отрицательных ионов. С использованием МГДО можно добиться таких эффектов как, местное снижение pH воды, создания локального увеличения концентрации ионов разного знака в локальном объёме воды.

Теоретические предпосылки снижения жёсткости воды

В каждой элементарной ячейке электропроводящей жидкости, при движении с линейной скоростью u > 0 магнитного поля с индукцией B, создаваемой вращающимися ИМП, индуцируется электрический ток.

Известно, что при движении заряжённых частиц и ионов на них будет действовать в магнитном поле сила Лоренца:

величина которой зависит от заряда q, скорости его движения u и индукции магнитного поля B. На положительно и отрицательно заряжённые частицы сила Лоренца действует в противоположных направлениях.

Если рассмотреть бесконечно малый – единичный - объём жидкости, то при движении жидкости на содержащийся в ней единичный заряд действует сила Лоренца f = uB, направленная перпендикулярно к направлению скорости движения технологической жидкости и к линиям индукции магнитного поля. Под действием этой силы Лоренца происходит разделение зарядов с разными знаками, возникает разность электрических потенциалов между областями технологической жидкости и, следовательно, индуцируется электрический ток.

Выбирая необходимое расположение вектора магнитной индукции относительно вектора скорости потока среды, можно целенаправленно воздействовать на ионы солей жёсткости и перераспределять их в объёме среды так, как это требуется в конкретном случае.

Рисунок 1 – Схема магнитогидродинамической ячейки. σ - электропроводность стенок ячейки

При ламинарном стационарном течении электропроводящей жидкости со средней скоростью U в достаточно длинной прямоугольной трубе, помещённой в однородное поперечное магнитное поле с индукцией B₀, на заряжённые частицы действует сила Лоренца, ориентирующая заряжённые частица среды в объёме.

Допустим, что сторона сечения трубы, перпендикулярная полю, имеет размер 2b, много больший размера 2a. Стенки трубы, идеально проводящие и, кроме того, имеют идеальный электрический контакт с жидкостью.

Нерелятивистская заряжённая частица, влетающая в однородное магнитное поле перпендикулярно его линиям, испытывает действие силы Лоренца, направленной перпендикулярно вектору её скорости, а значит и траектории. Совершаемая этой силой работа, очевидно, тождественно равна нулю, что, в свою очередь, означает неизменность кинетической энергии и, следовательно, модуля скорости частицы. Из последнего вытекают постоянство величины силы Лоренца и создаваемого ею перпендикулярно направленного траектории ускорения. Таким образом, в описанной ситуации заряжённая частица будет двигаться по окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям вектора B. Важной особенностью движения нерелятивистских заряжённых частиц в постоянном магнитном поле является пропорциональность радиуса кривизны траектории скорости частицы, что непосредственно следует из ньютоновского уравнения движения.

Очевидным следствием этой пропорциональности является независимость периода вращения заряжённых частиц в магнитном поле от скорости. Траекторией в этом случае будет винтовая линия с постоянным шагом и радиусом кривизны. Шаг винтовой линии оказывается независящим от величины поперечной полю компоненты скорости частицы.

Ввиду того, что перетекание тока со стенки z = + b к стенке z = − b вне жидкости невозможно, то интеграл токов по сечению трубы должен быть равен нулю, то есть

.

Отсюда

.

Следовательно, при протекании как электропроводящей, так и неэлектропроводящей жидкости через магнитное поле возникает разность потенциалов между областью с максимальным значением индукции B = B_max и областью с минимальным значением B = B₀.

В нашем случае не рассматривается движение одной частицы в вакууме. При высоких концентрациях частиц удобнее перейти к результирующему направлению движения частиц в магнитном и электрическом полях – электрическому току.

При движении жидкости на содержащиеся в ней единичные заряды действует сила Лоренца f = uB₀, направленная перпендикулярно скорости и индукции магнитного поля. Под действием этой силы происходит разделение зарядов, возникает разность электрических потенциалов между стенками z = + b и z = − b и, следовательно, электрическое поле с напряженностью E, направленное параллельно силе f, но в противоположную сторону. Направление вектора индуцируемого электрического тока определяется по правилу левой руки.

Рисунок 2 – Схема расположения ИМП, линий индукции, векторов силы Лоренца и ионов в устройстве МГДО. 1 – анионы, 2 – направление индуцированных токов, 3 – зоны с нулевым значением индукции, 4 – катионы

Для того чтобы инициировать кристаллизацию солей жёсткости внутри объёма перекачиваемой среды вдали от стенок труб в зазорах магнитного устройства, необходимо задать такое направление индукции магнитного поля, при котором в середине зазоров образовывалась бы зона с нулевым значением индукции. С этой целью ИМП в устройстве располагаются одинаковыми полюсами навстречу друг другу. Под действием силы Лоренца в среде возникает противоток анионов и катионов, которые встречаются и начинают взаимодействовать именно в зоне с нулевым значением магнитной индукции.

Согласно теории активных столкновений С. Аррениуса, это приводит к активизации их взаимных соударений. Сближение двух ионов на достаточное для протекания реакции между ними расстояние затруднено, так как они должны за счёт диффузии пройти сквозь слой растворителя. Активизируя диффузию ионов в среде путём индуцирования электрических токов в магнитном поле, можно повысить концентрацию реагирующих между собой ионов и увеличить число их столкновений в зоне с нулевым значением магнитной индукции. Таким образом, в этой зоне происходит принудительная кристаллизация солей жёсткости.

Плотность возникающих токов вычисляется по закону Ома:

где:

• σ - электропроводность жидкости, Ом ;
• E – напряженность электрического поля, ;
• u – скорость жидкости, .

Масса вещества , , переносимого при движении ионов из областей с B = B_max в области с B = 0, рассчитывается по закону Фарадея:

,

где:

• k – электрохимический эквивалент вещества, ;
• q – количество электричества, прошедшее через электролит, Кл.

Скорость реакции определяется по формуле:

,

где:

• R – расстояние между ионами при образовании пары столкновения, ;
• D – коэффициент диффузии ионов, ;
• N_A – число Авогадро;
• c₁ и c₂ – концентрации ионов, .

Следовательно, активизируя диффузию ионов в растворе путем индуцирования электрических токов в магнитном поле, можно повысить концентрацию реагирующих между собой ионов и увеличить число их столкновений в зоне с нулевой магнитной индукцией.