水溶液中油滴和固体颗粒电动运动界面效应研究

发布时间：2020-05-26 00:40

【摘要】：研究水中油滴和颗粒电场作用下的运动行为具有重要的科学意义,并且对于发展基于电场机制的船舶含油污水分离、海洋污染物富集和检测技术等也具有较好的应用前景。本文以多种不同界面处的油滴和固体颗粒为研究对象,分别研究了空气-水界面附近的油滴、附着在空气-水界面的油滴、水平固体壁面附近的油滴和吸附在油-水界面中的球形固体颗粒在外加直流电场条件下的电动运动规律。具体研究内容如下:(1)数值模拟研究了空气-水界面附近油滴的电动运动规律。首先,分析并计算了外加直流电场下微尺度油滴与水平空气-水界面之间的稳定间距;然后,通过建立油滴靠近空气-水界面时平移运动的三维数学模型,数值模拟了油滴在空气-水界面附近的电动运动。研究结果表明:水域无限大的情况下,靠近带负电水平空气-水界面的带负电微尺度油滴的电动运动方向与水中外加直流电场方向相反。(2)通过建立油滴电动运动的三维数学模型,数值模拟研究了粘附在空气-水界面下面的油滴的电动运动行为,分析了可移动的空气-水界面和油-水界面对油滴电动运动速度的影响。数值模拟结果表明:当处于无限大水域中的油滴和空气-水界面都带负电时,油滴在空气-水界面下面会向水中直流电场正极移动,其运动速度随着油滴和空气-水界面负zeta电势的绝对值的增大而增大。(3)数值模拟研究了外加直流电场下水中带负电油滴靠近一个带负电水平固体壁面时的平移运动规律。首先,分析并计算了不同参数下油滴和固体壁面之间的稳定间距;然后,通过油滴平移运动的三维数学模型,数值模拟了油滴在水平固体壁面附近的电动运动。模拟结果显示:在水中直流电场作用下,固体壁面负zeta电势的绝对值越大,油滴表面负zeta电势的绝对值越小,水平固体壁面附近油滴的电动运动速度越大,并且当油滴表面负zeta电势的绝对值足够大时,油滴会改变运动方向,向直流电场正极移动。另外,研究还发现油滴的移动速度随着油滴和固体壁面间距的减小而增大。(4)分析并推导了直流电场下吸附在油-水界面中的固体球形带电颗粒所受到的电泳力数学表达式,建立了固体颗粒在油-水界面中电动运动的三维瞬时数学模型,数值模拟计算了固体球形颗粒在水平油-水界面中的电动运动速度。数值模拟结果显示:对于带负电的微尺度球形固体颗粒吸附在带负电的油-水界面中,当该颗粒-油-水系统在微尺度通道中时,即当油-水界面距离固体底面高度很近时,如果颗粒负zeta电势的绝对值相比于油-水界面的较小,那么颗粒在界面中沿电场方向运动;反之,颗粒的运动方向会改变。当上述带负电的油-水界面系统区域无限大时,带负电固体颗粒在该油-水界面中会沿电场相反方向运动,并且模拟结果与实验结果具有较好的匹配度,验证了本数学模型的准确性。本文的研究完善了油滴和固体颗粒的电动运动理论,为该技术在油水分离、污水净化处理、新材料合成、液液萃取等方面的实际应用提供了一定的理论依据。
【图文】：

示意图,双电层,示意图,离子

电化学反应的影响，这些材料的表面会自发地获得电荷。带电的固体壁面会吸引逡逑水溶液中异号离子，同时排斥同号离子，最终在固体表面附近形成ＥＤＬ。离子在逡逑ＥＤＬ中的分布如图１．１所示。首先，带电壁面会从水溶液中吸附异号离子，在其逡逑表面形成一层异号离子层，称为接触层（Ｓｔｅｍ邋ｌａｙｅｒ）。接触层中的异号离子紧密排逡逑列，无法移动，厚度通常只有几个纳米。而相邻接触层的离子同样受到带电壁面逡逑的影响，异号离子靠近壁面，同号离子远离壁面。所不同的是相邻接触层的这些逡逑离子排列相对稀疏，是可移动的，这些可移动的离子形成的离子层称为扩散层逡逑（ｄｉｆｆｕｓｅ邋ｌａｙｅｒ）邋［６“８１。逡逑Ｓｔｅｒｎ邋Ｌａｙｅｒ邋Ｄｉｆｆｕｓｅ逡逑—Ｌａｙｅｒ逦＾逡逑二？逦ｓ逦０逡逑－ａｊｉ邋？邋＾逦？逡逑＂ｉ邋？邋？逦？逦９逡逑Ｃｈａｒｇｅｄ邋—由丨邋ｄ？逦条逡逑Ｗａｌｌ邋—邋ｉ邋０邋＾逦？邋Ａｑｕｅ＾ｉｓ邋Ｓｏｌｕｔｉｏｎ逡逑‘邋卜二逦＊ｅ．ｅ逡逑二＿０邋？邋？逦？邋＠逦？逡逑Ｉ邋？逦？逦？邋＜９逡逑＾＾Ｓｈｃａｒ邋Ｐｌａｎｅ逡逑图１．１双电层中离子分布示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｏｎ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ａｎ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｄｏｕｂｌｅ邋ｌａｙｅｒ逡逑从图１．１可清楚地看出，受带电固体壁面的影响，ＥＤＬ中的异号离子浓度远逡逑大于同号离子浓度，导致ＥＤＬ中的净电荷密度不为零。接触层和扩散层的分界面逡逑称为ｓｈｅａｒ邋ｐｌａｎｅ

示意图,电渗流,示意图,带电颗粒

逡逑由图１．２可看出，受到壁面高剪切速率（ｓｈｅａｒ邋ｒａｔｅ）的影响，电渗流速度从ｓｈｅａｒ逡逑ｐｌａｎｅ^u始由零逐渐增大，在ＥＤＬ外缘处，，电渗流速度达到最大值，并保持恒定不逡逑变ｔ７Ｇ］。电渗流速度可由Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ－Ｓｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉ方程［７１］（式１．５）来评估计算。逡逑Ｕｅｏｆ＝－＾＾－Ｅ逦（１．５）逡逑其中，Ｖｖｖ为水溶液动力粘度，五是外加电场强度。逡逑Ａｑｕｅｏｕｓ邋Ｓｏｌｕｔｉｏｎ逦Ｅ逡逑④邋Ｑ邋④邋Ｑ邋？逦？逦？邋Ｉ逦＾逡逑０邋？邋？邋０邋ＵＥＯＦＥＯＦ逡逑？邋？逦？逦１逦？？邋Ｓｈｅａｒ逡逑④逦？逦？逦０逦？逦一逦ｙＰｌａｎｅ逡逑一ｙｇ－务ｍ—条—ｇＨ—ｙｙ逡逑Ｃｈａｒｇｅｄ邋Ｗａｌｌ逡逑图１．２带电壁面附近产生的电渗流示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃ邋ｆｌｏｗ邋ｇｅｎｅｒａｔｅｄ邋ｎｅａｒ邋ａ邋ｃｈａｒｇｅｄ邋ｗａｌｌ逡逑１．２．３电泳逡逑悬浮于静止水溶液中的带电颗粒响应外加电场而产生的运动称为电泳，如图逡逑１．３所示。理论上，当外加直流电场施加在水溶液中后，悬浮在溶液中的带电颗粒逡逑受到电场施加的库仑力，从而使得颗粒在溶液中运动。与图１．２中的水平带电固体逡逑壁面相同，处于水溶液中的带电球形颗粒表面也会形成ＥＤＬ，在电场作用下，颗逡逑粒表面同样会产生ＥＯＦ。所不同的是图１．２中的带电壁面是固定不动的，其表面产逡逑生的电渗流使得溶液沿着壁面运动
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.92

【参考文献】