Удаление микрочастиц и микроорганизмов электрофильтрованием

Значительная часть примесей, загрязняющих воду, находится в коллоидно-дисперсном состоянии. Наиболее распространенным методом выделения дисперсной фазы является коагуляция с последующим отстаиванием и фильтрованием. Метод отличается малой скоростью, громоздкостью оборудования, возможностью загрязнения дисперсной фазы и дисперсионной среды коагулянтами. В ряде случаев (например, при работе с защищенными коллоидами или высокочистыми жидкостями) метод вообще неприемлем.

Между тем известно, что ионообменные смолы задерживают коллоидные частицы и, в частности, микроорганизмы, однако, емкость ионообменных смол по коллоидным частицам невелика. Это объясняется тем, что поглощение коллоидных частиц ионитами происходит благодаря электростатическому взаимодействию противоположно заряженных поверхностей ионита и частицы. Такой механизм взаимодействия обеспечивает образование только монослоев частиц на поверхности ионита. Второй и последующие слои частиц не могут образоваться по тем же причинам, которые обусловливают стабильность коллоидных растворов: слипанию отдельных частиц препятствует электростатическое отталкивание одноименно заряженных двойных электрических слоев. Поэтому ионообменные смолы практически не применяются для улавливания коллоидных частиц. Вместе с тем иониты являются питательной средой для развития разнообразной микрофлоры; после обработки на ионитах в жидкости, как Правило, содержится микроорганизмов больше, чем до обработки. Понятен интерес исследователей к разработке таких методов ионного обмена, которые бы исключали заражение обрабатываемых растворов микрофлорой.

Еще в 1960 г. было замечено, что в электродиализаторах происходит отложение частиц песка и глины. Это дало основание Уилсону сравнить электродиализаторы с электрофильтрами, что принципиально неверно. В газовых электрофильтрах осаждение частиц аэрозоля сопровождается их разрядом. Гидрозоли, попадая на ионообменные материалы, не разряжаются. Поэтому сходство между газовым электрофильтром и электродиализатором чисто внешнее (к сожалению, путаницу вносит само название описываемого процесса — электрофильтрование жидкостей).

В процессе электрофильтрования жидкостей можно выделить две стадии: транспорт дисперсных частиц и их удерживание коллектором. Транспорт дисперсных частиц осуществляется за счет сил электрофореза, электроосмоса и диполофореза.

Во внешнем электрическом поле практически все коллоидные частицы приобретают некоторый наведенный дипольный момент.

Электрическое поле в системе ионит — раствор оказывается неоднородным. Максимум электрического поля всегда локализован между зернами ионитов, причем его положение зависит от соотношения электропроводимости ионита и среды. Попадая в неоднородное электрическое поле, ориентированный по полю диполь начинает двигаться в сторону максимума поля. Диполь, ориентированный против поля в неоднородном электрическом поле, движется в сторону минимума поля. Так как и величина наведенного дипольного момента, и скорость движения постоянного диполя (диполофорез) пропорциональны напряженности электрического поля, в целом эффект диполофореза квадратичен по полю.

Вблизи зерен ионита коллоидные частицы могут транспортироваться за счет электроосмотического потока жидкости через ионообменный материал. Если знаки заряда частиц и противоионов совпадают, электроосмос способствует образованию осадка коллоидных частиц на ионообменном коллекторе. Если же знаки зарядов частиц и противоионов противоположны, электроосмос препятствует осаждению коллоидов. Роль электроосмотического потока особенно велика в непосредственной близости от границы раздела ионит — раствор. Дело в том, что по мере утоньшения пленки жидкости, разделяющей частицы и коллектор, вязкость жидкости возрастает. В связи с этим убывает скорость электрофореза и диполофореза. Непрерывное «отсасывание» высоковязкой пленки внутрь гранулы ионита существенно ускоряет доставку коллоидных частиц к границе раздела ионит—раствор.

Удерживание дисперсных частиц в системе нонит — раствор возможно вследствие образования полислоев осевших частиц на ионите и вследствие их фокусировки в зазорах между зернами. Образование полислоев частиц объясняется тем, что дисперсные частицы в электрическом поле приобретают наведенные дипольные моменты и определенным образом (по полю или против поля) ориентируются по отношению к силовым линиям поля. Таким образом, первый слой частиц удерживается благодаря силам электростатического притяжения противоположно заряженных поверхностей ионита и частицы. Второй и последующий слои удерживаются благодаря диполь — дипольному взаимодействию, возникающему между наведенными диполями дисперсных частиц. При выключении электрического поля наведенные дипольные моменты исчезают, и частицы (кроме локализованных в первом слое) вымываются потоком жидкости. Таким образом осуществляется регенерация ионообменного электрофильтра.

Возможна также диполофоретическая фокусировка дисперсных частиц в узких зазорах между зернами ионита в областях максимума электрического поля. Но она возможна только для частиц, дипольные моменты которых ориентированы по полю, и заряд которых противоположен заряду противоионов ионита.

При сочетании двух условий дисперсные частицы силами диполофореза и электрофореза будут затягиваться в области максимума электрического поля, но осесть на зернах ионита не смогут, так как этому препятствует противоположно направленный электроосмотический поток растворителя. Концентрированию дисперсных частиц в областях максимума электрического поля благоприятствует также то обстоятельство, что эти области являются застойными в гидродинамическом отношении. При выключении электрического поля наведенные дипольные моменты исчезают, и частицы вымываются потоком раствора.

Осаждению дисперсных частиц на ионообменном материале способствует также эффект усиления поля. С принимающей стороны ионита создается слой обедненного по солевым ионам раствора; градиент потенциала в нем растет по мере приближения к границе раздела ионит — раствор. В результате увеличивается скорость электрофореза и диполофореза частиц, дипольные моменты которых ориентированы по полю. В диффузионном слое увеличивается диполь — дипольное взаимодействие как между осевшими слоями частиц, так и между отдельными частицами в растворе. При этом возможно образование агрегатов частиц и их необратимая коагуляция. Если учесть, что скорость диполофореза и дипольное взаимодействие для крупных частиц много больше, чем для мелких, следует ожидать положительного влияния эффекта усиления поля на электрофильтрование.

В то же время эффект усиления поля на границе раздела принимающая сторона ионита — раствор связан с возникновением конвективных потоков жидкости, затрудняющих формирование осадка дисперсных частиц на поверхности ионообменного материала.