МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕМЫЧКИ МЕЖДУ СТРУКТУРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ НА МЕЗОУРОВНЕ СИЛИКАТНОЙ СИСТЕМЫ
Межзёрновая область является наиболее напряжённым элементом в системе вяжущих, подвергающихся деформации (например, силикатные безавтоклавные изделия), так как в ней происходит передача усилий между структурным элементом соответствующего уровня и несущей дисперсионной средой. Роль внешних воздействий сводится к структурированию и перекомпоновке этой области, усилению влияния поверхностных сил и связанных с ними нелинейных процессов и фазовых переходов. В применении к вяжущим веществам межграничные области рассматривались в трудах Д.И. Штакельберга, М.М. Сычёва, В.И. Соломатова, И.А. Рыбьева, В.М. Ентова, Р.М. Мусина и других исследователей.
В основе представляемого нами механизма формирования контакта между частицами в межграничной области находятся явления разделения фаз с образованием необратимого осадка. Роль разделителя выполняет динамическая мембрана.
Теоретические основы образования динамических мембран в баромембранной технологии из дисперсных фаз суспензий рассматривались А.Б. Марцинковским, Ю.И. Дытнерским, С.С. Духиным, Г.А. Мартыновым, Н.В. Чураевым, С.И. Васиным, В.М. Старовым и В.В. Гoлyбевым, В.А. Жужиковым, М.Т. Брык и Е.А. Цапюк, С. Соу, G.B. Tanny, H.K. Lonsdale, A.S. Michaels, M.W. Chrudacek, A.G. Fane и другими исследователями.
Поляризационные явления на уровне обратного осмоса и ультрафильтрации приводят к образованию на фильтре-подложке динамической мембраны. В её основе - наличие двух слоёв: концентрационного и гелеобразного. Под действием перепада давления гелевый слой сжимается и теряет часть осмотической воды. Его сопротивление и селективность растут. Граница концентрационного и диффузного слоя соответствует точке гелеобразования.
В [1] рассматривается формирование динамической мембраны, состоящей из двух слоёв - подвижного и неподвижного. Приводится условие формирования неподвижного слоя, учитывающего наряду с гидродинамическими факторами и расклинивающую силу. Рост селективности динамической мембраны авторы [1] объясняют переупаковкой частиц, т.е. усилением роли плотного неподвижного слоя. Авторы полагают, что если в нижних слоях перепад давления превосходит расклинивающее давление, то образуется необратимый осадок.
В работе В.М. Старова и В.В. Гoлyбева [2] рассматривается влияние гидродинамических факторов на формирование мембраны для режимов микро- и ультрафильтрации. В качестве предельного условия нахождения частицы на поверхности мембраны (с учётом поверхностных электростатических и ван-дер-ваальсовских сил) принято условие, что тангенциальная сила должна быть меньше прижимающей силы. В работе С.И. Васина и В.М. Старова рассматривается аналогичная задача при формировании мембраны с неньютоновскими реологическими свойствами в условиях подвижной твёрдой фазы. Переупаковка наблюдается и для слабо флоккулирующих частиц. Особенности применения жидких мембран в разделении веществ рассматриваются также Г.С. Дьяконовым [3].
М.Т. Брык и Е.А. Цапюк [4] отмечают, что формирование осадков из неорганических коллоидных гелей всегда сопровождается коагуляцией, гетерокоагуляцией и адагуляцией. На это же обращали внимание С.Т. Хванг и К. Каммермейер [5].
Исследуя фильтрацию неорганических коллоидов, М.Т. Брык и Е.А. Цапюк, R.J. Baker, A.G. Fane, M.W. Chrudacek отмечают, что увеличение перепада на мембране приводит к увеличению удельного сопротивления, что авторы связывают с коагуляционными процессами в мембране. По мнению Ю.И. Дытнерского и G.B. Tanny, динамические мембраны образуются и при режимах микрофильтрации с диаметрами пор до 5 мкм. Наметилась тенденция использовать промышленные отходы для формирования динамических мембран, так как они содержат высокодисперсную составляющую.
Впервые на существование уплотнённого и рыхлого слоёв для микрофильтрационных систем указывали Г.М. Знаменский и Ф.А. Редько, причём они отмечали, что толщина уплотнённого слоя возрастает, а рыхлого - остаётся постоянным. Это явление объясняют превышением давления над силами трения между частицами.
Образование необратимых осадков в баромембранных технологиях рассматривается как нежелательное явление, и высокодисперсные компоненты, образующие их, удаляются частично на предыдущих технологических операциях. В качестве мембранообразующих используются бентониты, глинистые дисперсии, гидрооксиды многозарядных металлов, которые имеют низкую контактно-конденсационную способность и поэтому формируют обратимые мембраны. В теоретическом плане многие исследователи применяют аппарат гидромеханики двухфазных сред, рассматривая формирование идеальной мембраны, т.е. без учёта необратимой коагуляции.
Проведённый анализ данных актуален в плане обоснования механизма необратимой фазовой перемычки между структурными элементами на модели мезоуровня рассматриваемой системы.
Возникновение между структурными элементами капиллярно-пористой силовой перемычки из нестабильных гидросиликатов можно представить как последовательность следующих временных интервалов:
Индукционный период.
При выдавливании вяжущего из объёмной поры в сужающийся капилляр продвижение потока должно удовлетворять следующему силовому условию: > τ0(φ).
С ростом объёмной концентрации частиц твёрдой фазы по длине канала увеличивается и предельное напряжение сдвигу . Одновременно уменьшается радиус поперечного сечения, и при определённом давлении прессования происходит остановка переднего фронта движущейся вязкой массы. Усилению "затвердевания" потока способствует появление в некоторый момент электростатической компоненты расклинивающего давления, которая создаёт эффект "распора" и ещё более усиливает напряжения трения о стенки канала. Последний фактор обусловлен избыточным отрицательным электрокинетическим потенциалом гидросиликатов кальция и частиц кремнезёма в межзёрновой области. У фронта потока образуется первоначальная динамическая мембрана из твёрдой фазы, которая играет роль подложки - фильтра. Движущей силой процесса является фильтрат, сбрасываемый через поры в объёмную область стока.
Основной квазистатический период.
В процессе движения гетерогенной смеси на фильтре происходит её разделение на свободную жидкость (фильтрат) и твёрдую фазу, которая при конденсации образует необратимую перемычку. Увеличение перепада давления в межчастичной области компенсируется ростом сопротивления, и расход можно принять приближённо постоянным.
Заключительный период.
Увеличение сопротивления системы, как за счёт длины капиллярно-пористого тела, так и кольматации его пор, приводит к снижению движущей силы - расхода фильтрата, и в результате - к завершению контактно- конденсационных процессов в граничной области [6].
По длине канала, в зависимости от реологии, можно наметить несколько областей:
- область сжимаемого осадка (в этой области поверхностные эффекты незначительны и поэтому ими можно пренебречь);
- область фронта перколяции, где при достижении нестабильной фазой концентрации, равной критической, происходит структурный фазовый переход в виде образования бесконечного перколяционного кластера из сросшихся необратимо частиц; фронт перколяции перемещается навстречу набегающему потоку к объёмной области;
- область капиллярно-пористого тела; через него в процессе фильтрации жидкости происходит кольматация капилляров остатками частиц, не вошедших вo фронт перколяции.
В рассматриваемой схеме формирование перемычки связано с более плотной переупаковкой частиц в зоне осадка. Прилегающая к фронту перколяции область обладает сильной нелинейностью, что связано с действием поверхностных сил. Если перепада давления достаточно, то происходит преодоление расклинивающего давления и частица попадает в ближнюю потенциальную яму, где и происходит необратимая конденсация.
Таким образом, в межграничной области под действием гидродинамического перепада осуществляется механический синерезис жидкости в объёмную область стока.
В зависимости от реологии вяжущего (суспензия в режиме фильтр-прессование) мы допускаем и несколько иную картину образования перемычки: при выжимании суспензионного потока сжимаемый осадок будет состоять из двух областей: зоны подвижного и неподвижного осадков. В пристеночных областях будет особенно сильное изменение градиента скорости , что увеличит градиентную коагуляцию в виде налипающего на стенки осадка и приведёт к сужению капилляра трaнcпортного типа. Вяжущая среда, проходя между частицами, осуществляет силовое воздействие и раздвигает их. При этом интенсивность эпюры силовых воздействий на частицу по длине капилляра будет переменной [7]. Вяжущее, находящееся ближе к вертикальной оси симметрии, будет подвергаться большим деформациям, чем располагающееся ближе к объёмной фазе, пористость также будет убывать. Объёмное содержание твёрдой нестабильной фазы •т начинает увеличиваться, пока не достигнет порога перколяции •*т. Для системы случайно упакованных сфер, согласно данным G.D. Scott, J.D. Bernal, J. Mason, критическая концентрация срастания •*т = 0,64. Размер зоны сросшихся частиц по продольной координате будет хаpaктеризовать степень проведения контактной конденсации. Процесс перехода частицы из области дальнего энергетического минимума в область ПКС II связан с возникновением неустойчивости и увеличения степени чувствительности системы.
Уоллис при анализе уравнений неразрывности и движения в процессе осаждения твёрдой фазы приходит к выводу, что значительное изменение концентрации твёрдой фазы ведёт к потере устойчивости течения. Дополняя эти сведения, И.М. Федоткин [8, 9] уточняет, что данный процесс зависит от соотношения скоростей статической и динамической волн.
Рассматривая процесс формирования необратимого контакта с точки зрения аналогизации фазовых переходов (кристаллизации, адсорбции, полимеризации и т.д.), необходимо отметить, что принцип "узкой" зоны часто используется на пpaктике (так, Я.Б. Зельдович и Д.А. Франк-Каменецкий применяют его для анализа фронта пламени в газе, Б.В. Новожилов - для горения paкетного топлива). При этом считают, что химические превращения происходят при наибольшей температуре, полагая, что ширина зоны стремится к нулю, т.е. заменяют реальный профиль температурной кривой разрывной функцией. Ряд процессов полимеризации сопровождается диффузионными процессами и отверждением тонких слоёв. Процесс контактной конденсации является не термодинамическим переходом, а структурным, топологическим. Ему соответствует скачок вязкости / модуля упругости, теплопроводности в связи с переходом от дискретной совокупности к связанной. Таким образом, рассматривается процесс создания контактно-конденсационной перемычки как уплотняющееся движение многофазной среды по длинному сужающемуся каналу.
Объёмная область и область входа в капилляр хаpaктерны явлениями разупрочнения как на межагрегатном, так и внутриагрегатном уровнях, что связано с поступлением свободной воды в область из мелких капилляров при их деформации. Поступающая свободная жидкость оказывает различное действие на агрегат:
- на первоначальном этапе возникает химический градиент давления между дисперсионной средой внутри кластерных частиц и внешней средой, что приводит к оттоку жидкости из кластера и сближению его частиц;
- позднее кластер будет пронизываться свободной жидкостью, что приведёт к возникновению гидродинамической составляющей, стремящейся раздвинуть частицы кластера.
Знак суммарной расклинивающей компоненты для области дальней энергетической ямы будет определяться тремя составляющими - молекулярной, ионно-электростатической и гидродинамической.
Гетерогенный поток, проходя ряд последовательных зон, под действием силовых деформаций претерпевает существенные реологические изменения, которые имеют как эволюционизирующий, так и пороговый хаpaктер. Поэтому оправдано применение подхода, когда процесс расчлeняется на элементарные области и моделируется каждая из них в отдельности со стыковкой граничных условий по каждой из зон.
В рамках гранта, финансируемого Министерством образования и науки Самарской области в 2006 г., наименование НИР: "Моделирование механизма твердения нестабильного силикатного вяжущего на мезоуровне системы" (раздел - 364Т3.13 П).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Духин С.С., Рулев Н.Н., Димитров Д.С. Коагуляция и динамика тонких пленок.- Киев: Наук. думка, 1986. - 229 с.
- Старов В.М., Гoлyбев В.В. Формирование динамической мембраны в условиях тангенциального потока // Коллоидный журнал.-1995.- Т.57, №6. - С.857-861.
- Дьяконов Г.С. Физико-химические основы применения жидких мембран в процессах разделения веществ: Дис. ... д-ра хим. наук: - Казань, 1994. - 399 с.
- Брык М.Т., Цапюк Е.А. Ультрафильтрация. - Киев: Наукова Думка, 1989. - 292 с.
- Хванг С.Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения.- М.: Химия, 1981.- 463 с.
- Сидоренко Ю.В. Моделирование процессов контактно-конденсационного твердения низкоосновных гидросиликатов кальция: Дис. ... канд. техн. наук. - Самара, 2003. - 217 с.
- Коднир Д.С. Контактная гидродинамика смазки деталей машин. - М.: Машиностроение, 1976. - 304 с.
- Федоткин И.М. Интенсификация технологических процессов. - Киев: Вища школа, 1979. - 342 с.
- Федоткин И.М., Воробьёв Е.И., Вьюн В.И. Гидродинамическая теория фильтрования суспензий. - Киев: Вища школа, 1986. - 166 с.
Работа представлена на заочную электронную конференцию «Новые технологии, инновации, изобретения», 15-20 июля 2006 г.
Статья в формате PDF
240 KB...
18 05 2025 11:24:35
Статья в формате PDF
120 KB...
17 05 2025 23:32:34
Статья в формате PDF
109 KB...
16 05 2025 1:53:56
Статья в формате PDF
601 KB...
15 05 2025 23:44:57
14 05 2025 4:50:39
Статья в формате PDF
103 KB...
13 05 2025 12:54:22
Статья в формате PDF
112 KB...
12 05 2025 12:12:20
Статья в формате PDF
115 KB...
11 05 2025 8:50:47
Статья в формате PDF
153 KB...
10 05 2025 19:49:46
Статья в формате PDF
281 KB...
09 05 2025 13:58:16
Нами впервые синтезированные арилиденпроизводные пиридазин-3-онов и 3Н-пиррол-2-онов исследованы на ростостимулирующую активность. Установлено, что 6-R-4-арилиден-пиридазин-3-оны, имеющие два атома азота в кольце, и N-арил-4-бром-3-арилиден-3Н-пиррол-2-оны обладают умеренной ростостимулирующей активностью. Можно утверждать, что выявленны синтетические ростостимулирующие соединения, которые проявляют свойства близкородственных натуральным гормонам веществ.
...
08 05 2025 21:53:26
Статья в формате PDF
117 KB...
07 05 2025 10:54:17
Статья в формате PDF
291 KB...
06 05 2025 10:17:39
Статья в формате PDF
414 KB...
05 05 2025 14:48:12
Статья в формате PDF
120 KB...
04 05 2025 4:18:57
Статья в формате PDF
253 KB...
03 05 2025 11:44:16
Статья в формате PDF
257 KB...
02 05 2025 14:52:59
Статья в формате PDF
114 KB...
01 05 2025 1:30:49
Статья в формате PDF
124 KB...
30 04 2025 12:13:33
Статья в формате PDF
121 KB...
29 04 2025 10:40:27
Статья в формате PDF
106 KB...
28 04 2025 23:13:13
Статья в формате PDF
116 KB...
27 04 2025 7:20:19
Статья в формате PDF
108 KB...
26 04 2025 1:44:33
Статья в формате PDF
133 KB...
25 04 2025 14:15:10
Статья в формате PDF
114 KB...
24 04 2025 11:25:58
Статья в формате PDF
112 KB...
23 04 2025 18:28:25
Статья в формате PDF
122 KB...
21 04 2025 21:47:31
Статья в формате PDF
120 KB...
20 04 2025 21:38:46
Статья в формате PDF
102 KB...
19 04 2025 21:52:14
Сравнительным исследованием костного мозга больных, перенесших
острую и хроническую кровопотери, установлено, что после острой кровопотери общее количество миелокариоцитов, количества эритрокариоцитов и гранулоцитов были существенно меньше аналогичных показателей морфологического состава костного мозга после хронической кровопотери. Уменьшение содержания гранулоцитарных миелокариоцитов после острой кровопотери было обусловлено резким снижением количества их созревающих форм, чего не наблюдалось после хронической кровопотери. При этом содержание в костном мозге зрелых форм гранулоцитов было одинаковым после обоих видов кровопотери. Уменьшение содержания в костном мозге после острой кровопотери созревающих форм гранулоцитов сопровождалось значительным уменьшением индекса созревания нейтрофилов, что свидетельствует об ускорении их созревания и выброса в кровеносное русло. Для хронической кровопотери была хаpaктерна эритроидная гиперплазия костного мозга.
...
18 04 2025 3:26:27
15 04 2025 16:12:58
Статья в формате PDF
254 KB...
14 04 2025 5:56:46
Статья в формате PDF
122 KB...
13 04 2025 3:51:59
Рассмотрена современная классификация и номенклатура пробиотических средств. Проведен анализ по составу и форме выпуска препаратов, представленных на российском фармацевтическом рынке. Даны рекомендации по оптимальному дозированию препаратов пробиотиков и повышению их устойчивости с помощью метода иммобилизации.
...
11 04 2025 2:25:36
Статья в формате PDF
123 KB...
10 04 2025 20:27:51
Статья в формате PDF
186 KB...
09 04 2025 23:45:16
Еще:
Поддержать себя -1 :: Поддержать себя -2 :: Поддержать себя -3 :: Поддержать себя -4 :: Поддержать себя -5 :: Поддержать себя -6 :: Поддержать себя -7 :: Поддержать себя -8 :: Поддержать себя -9 :: Поддержать себя -10 :: Поддержать себя -11 :: Поддержать себя -12 :: Поддержать себя -13 :: Поддержать себя -14 :: Поддержать себя -15 :: Поддержать себя -16 :: Поддержать себя -17 :: Поддержать себя -18 :: Поддержать себя -19 :: Поддержать себя -20 :: Поддержать себя -21 :: Поддержать себя -22 :: Поддержать себя -23 :: Поддержать себя -24 :: Поддержать себя -25 :: Поддержать себя -26 :: Поддержать себя -27 :: Поддержать себя -28 :: Поддержать себя -29 :: Поддержать себя -30 :: Поддержать себя -31 :: Поддержать себя -32 :: Поддержать себя -33 :: Поддержать себя -34 :: Поддержать себя -35 :: Поддержать себя -36 :: Поддержать себя -37 :: Поддержать себя -38 ::