Диспергация твердой фазы, полимеров, клеток и микроорганизмов

Рассмотрим действие кавитационных пузырьков для организации различных технологических процессов. Особое значение имеет случай диспергирования частиц, имеющих достаточно малые размеры, сопоставимые с размерами молекул или межмолекулярными расстояниями несущей фазы. Частицы таких размеров будут увлекаться движущейся жидкостью с большой легкостью, на их перемещение будет оказывать влияние механизм броуновского движения, т. е. такие тела в первом приближении будут вести себя как частицы жидкости. Вероятно, здесь основную роль в измельчении движения должны играть механизмы ударного воздействия групп пузырьков при их коллективном схлопывании, а также механизмы воздействия, изложенные выше.

По-видимому, описать все возможные схемы взаимодействий схлопывающихся микропузырьков и дисперсной фазы не представляется возможным. Имеет смысл остановиться на наиболее очевидных (см. табл. 5.2), предполагая, что равновероятно существование множества других схем и их всевозможных комбинаций. В табл. 5.2 отмеченные схемы можно рассматривать как элементарные «трибологические ячейки» взаимодействия кавитационных микропузырьков и дисперсной фазы; сферическая форма частиц дисперсной фазы - только первое приближение к реальной форме, которая в общем случае произвольна.

Следует отметить, что измельчение полимеров, клеток и микроорганизмов, твердофазных включений в растворах и смесях имеет свои, в каждом конкретном случае, специфические особенности, рассмотрению которых целесообразно посвятить отдельное исследование. Измельчение размера частиц дисперсной фазы (геля, золя, полимерного раствора и т.д.) можно охарактеризовать зависимостью, представленной на рис. 5.4.

В общем случае размер дисперсной фазы Яф должен зависеть от следующих факторов: концентрации дисперсной фазы Сф; концентрации пузырьков заданного размера CR; параметров потока, определяемых числами Вебера We, кавитации у, Рейнольдса Re; температуры Т°; давления Р; скорости V; времени т; преобладания того или иного механизма разрушения, учитываемого коэффициентом воздействия Кв; начальных размеров (в общем случае спектра размеров) дисперсной фазы R(); коэффициента, учитывающего вероятность или частоту события разрушающего взаимодействия Kf и др. Формализованно эта зависимость в неявной форме будет иметь вид

Задачей исследований на перспективу является отыскание конкретных функций влияния отдельных факторов на процесс диспергации, а также конкретизация и уточнение определения различных коэффициентов, входящих в (5.66) для дисперсной и несущей фаз различного состава. Кроме того, необходимо определить влияние всех факторов на процесс диспергации с целью возможного упрощения зависимости (5.66) путем исключения факторов, влияющих на процесс разрушения незначительно.

Так, кинетику распада макромолекул в ультразвуковом поле можно описать уравнением первого порядка относительно средней степени полимеризации Р:

где X - число разрывающихся связей в единице объема; к - константа скорости; - конечная степень полимеризации.

Предложенная Бретом и Джелинеком более сложная формула, пригодная для описания скорости деструкции макромолекул при вибрационной кавитации, имеет вид

Здесь X(t) - число имеющихся в системе связей С-С в полимерных молекулах; к' - константа скорости; Во - коэффициент, характеризующий активность кавитации, зависит от частоты f, интенсивности ультразвука I, природы растворенного газа, растворителя и т.д.; п - число кавитационных пузырьков в жидкости. В данном случае предлагается учитывать накопление энергии деформации частицами твердой фазы (энергию механоактивации). Показано, что степень измельчения i зависит от исходного радиуса частицы Ro, удельного энергоподвода Е, длительности обработки т:

Зависимость размера частицы R от числа кавитации и времени обработки (комплексный показатель ехр ц)

Рис. 5.4. Зависимость размера частицы R от числа кавитации и времени обработки (комплексный показатель ехр ц)

Схемы силового взаимодействия ударных волн и полидисперсной фазы в жидкости

Таблица 5.2

Схема

Описание

1

Взаимодействие одиночной частицы дисперсной фазы с фронтом ударной волны

2

Взаимодействие частицы с кумулятивной струйкой при несимметричном коллапсе пузырька (при соответствующем размере частицы)

3

Кроме гидродинамического, проявляется и трибомеханическое разрушение частиц из-за возникающих при таком контакте сил трения, качения и сдвиговых деформаций

4

Взаимодействие одиночной частицы с системой ударных волн при схлопывании групп пузырьков

5

Воздействие ударных волн при схлопывании групп пузырьков на скопление частиц дисперсной фазы

6

Одновременное воздействие ударных волн и кумулятивных ультраструек

7

Деструкция несущей фазы в результате кавитационного воздействия и вызванных им механических реакций

где А] и b - коэффициенты, определяющие физико-механические свойства материала. Конечный размер частиц определяет степень механической активации в материала:

где g - скорость удельного энергопривода; А и С - коэффициенты, учитывающие физико-химические свойства материала. Подставляя (5.70) в (5.69), определяют энергию механической активации в функции от конечного радиуса частицы.

Разрушение клеток идет в основном за счет возникновения поперечных градиентов скорости и неоднородного распределения скоростей. Собственно говоря, клетка при механической дезинтеграции испытывает на себе действие суммы факторов, определяющих общую микромасштабную картину процессов трения - объемного (внутреннего) или поверхностного (внешнего). Воздействие сил внутреннего трения при очень неоднородном сдвиговом течении жидкой, реологически сложной «аморфной» и твердой среды наиболее эффективно, если имеется диаметральный перепад скоростей среды AVcp, определяемый выражением

где СПр - предел прочности материала клеточной оболочки; dKJI - диаметр клетки; р - эффективная вязкость среды.

Анализ литературных источников показал малую степень изученности оценки взаимодействия силовых полей в жидкости с материалом (веществом) дисперсной фазы. Затруднения, встречающиеся при исследовании данной проблемы, - неопределенность форм, структур, размеров, схемы взаимодействия и т.п. Однако исследования такого рода важны и с научной, и с практической сторон для обеспечения конструирования новых технологических процессов, прогнозирования конечного результата, проектирования технологического оборудования и т.д.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >