Электроадсорбция – сепарация газов

on 25 December 2010.

Адсорбция заключается в том, что на поверхности твердого тела, помещенного в газовую среду, образуется тончайший слой уплотненного газа, как бы прилипающий к телу. Если тело имеет много мелких пор (как древесный уголь) или представляет собой тонкий порошок, то количество адсорбируемого газа может быть очень велико. (Например, самшитовый уголь поглощает 90! объемов аммиака, 55 объемов сернистого газа и 9 объемов кислорода).

«Поры» и «тонкий порошок» из определения приводят нас к площади свободных (реагирующих) поверхностей. «Уплотненный газ» говорит о том, что в оболочке адсорбированного газа давление превышает давление в окружающей среде.

Ряды частиц, лежащие на поверхности твердого тела, находятся в особом состоянии, вследствие того, что они с одной стороны не имеют соседей. Каждый положительный электрический заряд, входящий в состав какого-нибудь атома, является источником силовых линий, а каждый отрицательный - «стоком» этих линий. Для атомов, находящихся на поверхности, часть силовых линий проходит вне тела, через газовую среду. То есть вокруг тела образуется силовая оболочка из множества таких линий.

Атомы газа, попавшие в это поле, поляризуются, становятся диполями и притягиваются к поверхности. Подобная задача «диполь у стенки» рассматривается во многих учебниках.

Причем даже неполярные молекулы будут поляризоваться. Электрическое поле смещает заряды в молекуле (да и в атоме благородных газов тоже), образуется диполь с большим или меньшим электрическим моментом, диполь стремится к зарядам на поверхности, движется к ней, прилипает. После этого поле вне тела несколько ослабляется - диполь экранирует его. Но так как диполь не проводник и не нейтрализует заряды (заряды и у тела и у молекулы газа прочно связаны своими внутренними силами), а поляризуемость газа не так уж и велика, то поле экранируется слабо, не полностью. Поэтому следующий атом или молекула также поляризуется как полем твердого тела, так и полем прилипшего диполя, часть которого опять лежит вне тела, движется к телу и прилипает, но уже не к самому телу, а к предыдущему диполю. Так образуется слой, отнюдь не мономолекулярный, прилипшего к поверхности тела газа.

Чем дальше от поверхности слой молекул газа, тем слабее он притянут, тем легче его оторвать. Поэтому внешние слои нестойки, они могут разрушаться набегающим потоком, обмениваться молекулами со средой, приходить в некоторое динамическое равновесие с газами среды.

В большей или меньшей степени адсорбция присуща всем веществам. В большей степени при большой поверхности соприкосновения с газами. Но в общем случае при равных по качеству поверхностях адсорбция будет зависеть от «сродства» данного вещества с выбранным газом.

И заряд на поверхности тела должен способствовать накоплению (адсорбции) газа, и микропоры, шероховатости, выступы. А также наличие магнитного поля. Ведь любой газ или диа- или парамагнетик. А значит, газ или притянется к ферро-магнетику (ведь на магнитных доменах всегда есть поле, хотя в целом большой образец и не намагничен) или оттолкнется от него (диамагнетик). А если в смеси газов находятся два парамагнитных газа (например, кислород и азот), то тот из них, кто имеет большую магнитную проницаемость (кислород) займет область с наибольшим значением поля и вытолкнет другой газ (азот).

Следовательно, есть и чисто магнитная адсорбция газов и возможна магнитная сепарация газов. Учитывая, что созданы сверхмощные постоянные магниты можно это и доказать без особого труда. Если же использовать лабораторные рекордные поля (автор ловил доли процента на газоанализаторах при использовании дешевых магнитов), то и результат будет выражаться не в долях процента, а в десятках процентов.

Кроме того, любой газ – диэлектрик, причем даже не столь важно, что газы, хоть и незначительно, но отличаются диэлектрической проницаемостью, как важно то, что молекулы всех без исключения газов в электрическом поле поляризуются. Идеальный диэлектрик вытолкнется из электрического поля. А реальный газ втягивается в него, причем намного эффективней, чем в магнитных полях.

Причем газы поляризуются по-разному. Следовательно, и электрическая сепарация будет намного эффективней магнитной.

На поверхности адсорбента, как говорилось, находятся заряды, часть полей которых замыкается через газ. Зарядов много, замыкаются поля беспорядочно, суммарное поле равно нулю. Поля могут быть направлены встречно, ослабляться, действовать на диполь в разных направлениях, бессистемно, хаотично.

Представим себе, что в качестве адсорбента выбран проводник, на него подано высокое напряжение.

Прилегающие молекулы газа поляризуются и притягиваются к поверхности. Диполи нейтрализуют электрическое поле лишь частично, потому что они отнюдь не разряжают проводник, но зато выстраиваются так, что зарядами, противоположными заряду поверхности, прилипают к ней, а противоположные выставляют наружу. То есть их поле направлено противоположно внешнему.

Следующий слой молекул притягивается опять зарядами, противоположными заряду плоскости, и так до тех пор, пока поле, созданное суммой полей индуцированных зарядов не сравняется с внешним.

Это будет происходить слой за слоем, каждый последующий слой будет взаимодействовать за счет экранировки со все более слабым полем. Образуется огромный кластер диполей.

Так как газы отличаются по поляризации, то более сильные (те, у которых электрический момент больше) займут самый нижний слой, прилегающий к поверхности. Следовательно, произойдет сепарация, разделение смеси. Если откачивать потихоньку газ из ближайшего к поверхности слоя, то его можно будет использовать (если он нужен) или сбрасывать за борт, обогащая, таким образом, оставшийся объем (если поверхностный слой не нужен).

Есть еще несколько моментов, могущих качественно улучшить сепарацию.

Из теории известно, что диполи в однородном электрическом поле не смещаются, а лишь поворачиваются (принимают положение) согласно с собственным полем.

Известно также, что диполи будут втягиваться в область с большим градиентом напряженности поля. (Когда они выталкиваются, то см. предыдущий пункт - они все равно развернутся и втянутся).

Известно также.

-Если подавать потенциал на проводящую поверхность, то второй потенциал, как известно, будет находиться в бесконечности, поэтому напряженность поля будет невысока даже при очень большом потенциале. Чтобы увеличить напряженность поля, необходима вторая поверхность (второй потенциал). Воздух пробивается где-то при 2 кВ на миллиметр, поэтому больше уже не подать и не сблизить.

-При таких напряженностях поля с любого острия начнется утечка зарядов и (или) ионизация смеси, что совершенно не нужно. Следовательно, поверхности должны быть (предпочтительно) покрыты тонким слоем хорошего изолятора, препятствующего пробою.

-Две поверхности-плоскости, расположенные на таком малом расстоянии, будут препятствовать процессу диффузии. Поэтому вместо плоскостей лучше использовать множество отдельных проводников, сетки.

Конкретную конструкцию автор видит так.

(Моделирование диполей на поверхности плоскости).

Создана конструкция из параллельных тонких проводников, покрытых тонким слоем изолятора. Расстояние между проводниками порядка миллиметра. Разница напряжения между двумя соседними проводниками порядка 2 кВ. Между проводниками может свободно проходить газовая смесь.

Механизм действия таков.

Между двумя соседними проводниками, имеющими разницу потенциалов 2 кВ и расположенными на расстоянии миллиметр друг от друга, напряженность поля составляет 2 000 000 В/м. Это поле быстро убывает с расстоянием, оно явно не однородно. Поэтому любой диполь (жесткий или упругий) стремится в область максимального поля, то есть между проводниками. Из этого множества областей откачивается газовая компонента. Если этот компонент необходим, то он используется, если нет - сбрасывается за борт.

Так как области забора компонента малы и очень неудобны для использования, то можно предложить и объемную конструкцию.

Объемная (пространственная) конструкция может представлять из себя центральный проводник, вокруг которого по двум осям расположены параллельно проводники (или сетки) на расстоянии порядка миллиметра друг от друга. На проводниках по отношению к предыдущему подана разница потенциалов 2 кВ. То есть для ряда проводников по одной оси разница напряжений по отношению к центральному будет 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 кВ. Из центральной области отсасывается газовый компонент.

Можно, конечно, и избавиться от промежуточных проводников. Тогда конструкция обретет вид длинной проводящей трубы с центральным проводником на оси. Через трубу проходит газовая смесь. Между трубой и центральным проводником подано напряжение на грани пробоя. Центральная газовая компонента отсасывается. Неоднородность поля обеспечена, дрейф диполей гарантирован, конструкция упрощена. Скорость подачи газа должна соответствовать скорости адсорбции.

Простая расческа притянет после электризации несколько граммом бумаги или шерсти. Не должно быть сомнений, что она притягивает и газы. Стеклянный шар Герике, который он электризовал, натирая шерстью или ладонями, давал такие эффекты, о которым мы или забыли, или и знать не хотим. В сухую погоду и синтетические халаты прилипают, куда не надо. И волосы встают перед грозой. И огни Эльма появляются на деревьях. И воздух перед грозой невыносимо тяжел.

Есть, есть электроадсорбция.

Сколько раз, поднося руку к экрану старого телевизора, автор чувствовал уплотнение. И то же самое при поднесении руки к высоковольтному кабелю. Странно, что иногда кинескоп «не отвечал». Скорее всего, влажность воздуха оказывает большое влияние на адсорбционную оболочку (или необходимо приличное время для создания адсорбционной оболочки, или не так быстро стекло экрана приобретает заряд).

За счет электроадсорбции работают электрические фильтры на тысячах предприятий- это факт!

Обогащение воздуха кислородом позволит качественно улучшить процессы сгорания. (Автомобилестроение).

 

Металлургия, теплостанции, газосварка, химические предприятия.

А иметь компактную установку по обогащению (или обеднению) воздуха кислородом было бы желательно не только в больнице, но и в домашних условиях.

Для растений нужна двуокись углерода, поэтому насыщение теплиц, оранжерей, парников этим газом интенсифицирует процессы жизнедеятельности.

Противогазы, поглощающие выборочно заданные фракции, самоочищающиеся, многоразовые.

Респираторы, обогащающие и очищающие дыхательную смесь. Системы- скафандры.

Газовый налипший слой, улучшающий условия сварки.

Адсорбированный ядовитый газ, препятствующий коррозии и разложению.

Адсорбированный газ, улучшающий обработку металлов.

Адсорбированный газ на крыльях самолетов, уменьшающий трение о воздух (пусть это будет даже гелий  и пусть он даже быстро выдувается набегающим потоком - для форсированных режимов это вполне приемлемо).

Адсорбированный на колесах вагонов газ, уменьшающий трение, и адсорбированный на колесах тепловозов газ, увеличивающих трение и сцепление.

Адсорбированный на элементах газ, улучшающий или ухудшающий теплоотдачу.