Электростатика, электрофорез, электроосмос.

При воздействии электрического поля высокой напряженности на вещество, находящееся в твердом, жидком или газообразном состоянии, возникают процессы, при которых наряду с изменением физических и химических свойств материала происходит измене­ние распределения образующих его частиц в пространстве. Это применение электрических полей высокой напряженности в техно­логических процессах получило общее название электронно-ион­ной технологии (ЭИТ).

Электронно-ионная технология включает в себя три характер­ных процесса: электризацию материала в момент диспергирования или уже находящегося в дисперсном состоянии; организацию раз­личных форм движения частиц в электрическом поле; формирова­ние готового продукта или изделия.

Получили развитие следующие виды ЭИТ:

электрогазоочистка — выделение из газового (воздушного) по­тока содержащихся в нем твердых или жидких частиц;

электросепарация — разделение многокомпонентных систем на компоненты, путем использования электрофизических и физико-хи­мических свойств частиц компонентов;

электроокраска — нанесение твердых или жидких покрытий на изделия;

электропечать — формирование изображения, получение много­кратных копий, выполнение матриц для размножения;

электроформообразование.

В основе электронно-ионной технологии лежат следующие яв­ления.

Электроосмос — движение жидкости по отношению к твердому телу под действием электрического поля.

Электрофорез, или катафорез, — движение частиц, взвешенных в жидкости или газе под воздействием электрического поля.

Электродиализ—явление, которое составляют диализ (очистка растворов от электролитов) и электрофорез.

Указанные явления протекают в электростатических установ­ках. При массопереносе в таких установках электрическое поле перемещает не ионы, как это происходит при электролизе, а макрочастицы вещества, состоящие из большого количества молекул.

Электрокосмос используется для удаления избыточной влаги из почв при прокладке транспортных магистралей и гидротехническом строительстве, для сушки торфа, обезвоживания пористых материалов, очистки воды, технических жидкостей и т. д.

Скорость воды при электроосмосе

, (18.1)

Здесь с – константа; ρ — поверхностная плотность зарядов, Кл/м²; γ – объёмная плотность грунта, кг/м³; η — вязкость воды; S — общая поверхность частиц грунта в единице объема, м².

В электростатических установках протекание процессов обусловлено возникающими кулоновскими силами. Для их возникновения частицы должны быть заряжены.

На практике используются в основном три принципа зарядки частиц: I) путем осаждения на поверхности частицы ионов из объёма газа, окружающего частицу; 2) путем электростатической индукции, т. е. разделения зарядов в электрическом поле; 3) путем механической, химической и тепловой электризации.

Процесс зарядки частиц путем механической, тепловой или химической электризации сложен и мало изучен, поскольку в его основе лежат сложные молекулярные процессы.

Наиболее распространена на практике электризация частиц за счёт трения друг о друга и о стенки сосуда (трибоэлектричество).

Контактный заряд проводящей частицы, коснувшейся заряженного тела,

q = Cφ , (18.2)

здесь С — емкость частицы, Ф; φ — потенциал заряженного тела, В.

При неоднократном касании частицей заряженного тела ее заряд

, (18.3)

здесь S_K — площадь контактной поверхности, м²; N_д – число контактирований частицы с заряженным телом.

Чтобы уяснить сущность зарядки частиц путем электростатической индукции, представим себе плоский конденсатор, на нижней кладке которого находится тонкий слой частиц. Если между обкладками конденсатора приложить разность потенциалов U, то все частицы получат общий заряд q = CU= (S/d)U = SE (С — емкость конденсатора; S — площадь поверхности пластин конденсатора; d — расстояние между пластинами конденсатора). Со стороны внешнего электрического поля Е на каждую из частиц действует сила, стремящаяся оторвать частицу от пластины. При увеличении напряжения U эта сила может преодолеть силу сцепления частиц с обкладкой конденсатора. Частицы оторвутся от пластины и полетят к противоположной обкладке, но уже заряженные.

Наиболее часто в установках ЭИТ используется зарядка час­тиц путем осаждения ионов на их поверхность из-за достаточно высокой эффективности, т. е. большого значения заряда, приобре­таемого частицами. Источником ионов в этом случае может быть коронный разряд.