Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

ON ALTERING THE PROPERTIES OF MECHANICALLY ACTIVATED AQUEOUS DISPERSED SYSTEMS

Research article
Rudnev S.D.
Krikun A.I.
Feoktistova V.V.
Kryuk R.V.
Ivanov V.V.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.109.7.015
Issue: № 7 (109), 2021
Published:
2021/07/19
PDF

ОБ ИЗМЕНЕНИИ СВОЙСТВ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ ВОДНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Научная статья

Руднев С.Д.1, Крикун А.И.2, Феоктистова В.В.3, *, Крюк Р.В.4, Иванов В.В.5

1 ORCID: 0000-0003-2506-6121;

2 ORCID: 0000-0002-9330-2555;

3 ORCID: 0000-0002-7680-2611;

4 ORCID: 0000-0001-5884-8598;

5 ORCID: 0000-0002-4711-9821;

1, 3, 4, 5 Кемеровский государственный университет, Кемерово, Россия;

2 Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, Владивосток, Россия

* Корреспондирующий автор (feonika13[at]mail.ru)

Аннотация

В данной статье представлены результаты экспериментального исследования в виде графических зависимостей, показывающие прямое влияние механоактивации воды и водных дисперсных систем (суспензий) разными подходами на производительность процесса фильтрования, как основной стадии технологической водоподготовки на пищевых предприятиях, не вдаваясь на данном этапе в подробности конструкций и принципа работы фильтров. Установлен наиболее эффективный режим механического диспергирования – вибромеханоактивация, при котором зафиксировано повышение пропускной способности до 33,3 %. Также экспериментально показано изменение свойств воды (с течением заданных промежутков времени) при механоактивации путем перемешивания.

Ключевые слова: механоактивация, изменение, свойства, водные дисперсные системы, фильтрование.

ON ALTERING THE PROPERTIES OF MECHANICALLY ACTIVATED AQUEOUS DISPERSED SYSTEMS

Research article

Rudnev S.D.1, Krikun A.I.2, Feoktistova V.V.3, *, Kryuk R.V.4, Ivanov V.V.5

1 ORCID: 0000-0003-2506-6121;

2 ORCID: 0000-0002-9330-2555;

3 ORCID: 0000-0002-7680-2611;

4 ORCID: 0000-0001-5884-8598;

5 ORCID: 0000-0002-4711-9821;

1, 3, 4, 5 Kemerovo State University, Kemerovo, Russia;

2 Far Eastern State Technical Fisheries University, Vladivostok, Russia

* Corresponding author (feonika13[at]mail.ru)

Abstract

The article presents the results of an experimental study in the form of graphical dependencies showing the direct effect of mechanical activation of water and water dispersed systems (suspensions) by different approaches on the performance of the filtration process as the main stage of technological water treatment at food enterprises, without going into details of the filter designs and operating principle at this stage. The most effective mode of mechanical dispersion is vibration mechanical activation, in which an increase in throughput up to 33.3 % is observed. The study also experimentally demonstrates that the properties of water change (over a given period of time) during mechanical activation by stirring.

Keywords: mechanical activation, modification, properties, water dispersed systems, filtration.

Введение

В настоящее время вода является самым распространённым и изученным бинарным неорганическим соединением на планете (по структуре, назначению, составу и свойствам, аномальным изменениям при активации различными способами, в том числе при механическом диспергировании (механоактивации, далее МА) и мн. др.), занимающим ключевую роль в разнообразных процессах и явлениях флоры и фауны, неживой природы и в производственной деятельности человека.

В литературных источниках и исследовательских работах, опубликованных ведущими учеными в направлении МА жидких сред [1], [5, С. 5-17, 32-38, 40-680], [10], [19], и мн. др. предложены разнообразные теории, способные объяснить большинство свойств воды и растворов на ее основе, а также возникающих дополнительных эффектов [19], которые позволяют ускорить производственные процессы. Однако основная часть исследований базируется в области строительной, текстильной, металлургической, химической и пр. промышленностей. Научных работ в области же пищевой промышленности не достаточно, поэтому считаем данное направление актуальным.

На основании вышеперечисленного сформирована следующая цель исследования: экспериментально установить влияние МА воды и водных дисперсных систем (суспензий) на производительность процесса фильтрования, как основного этапа технологической водоподготовки на предприятиях пищевой промышленности.

Основные задачи исследования (этапы):

  1. показать изменение таких важных свойств воды как вязкость и поверхностное натяжение при МА путем перемешивания (экспериментально);
  2. определить тип фильтра и способы МА для основного исследования (не вдаваясь на данном этапе в подробности конструкции и принципа действия);
  3. провести эксперимент по исследованию влияния МА воды и суспензии на пропускную способность фильтров и определить наиболее эффективный способ МА.

Первый этап исследования

Данный этап представлял собой продолжение ранее проведенного комплексного исследования изменения некоторых свойств воды при ее МА [1], результаты которого уже зарекомендовали себя в хлебопекарной отрасли [10], [20]. Его основным назначением являлось: экспериментально показать изменение таких важных свойств (для технологической водоподготовки) как вязкость и поверхностное натяжение при перемешивании. Физическая модель представлена на рисунке 1.

06-08-2021 11-51-32

Рис. 1 – Физическая модель первого этапа исследования

 

Механическому диспергированию подвергалась дистиллированная вода (далее, вода). В качестве активирующего устройства использовалась планетарная венчиковая мешалка с объемом (V)=4∙10-3 м3 и числом оборотов активирующего устройства (n)=1002÷320 мин-1. Измерение вязкости (ν, м2/с) воды в процессе МА (через заданные промежутки времени) осуществлялось на капиллярном вискозиметре ВПЖ-2, основанном на определении времени истечения через капилляр диаметром (d)= 56∙10-5 м определённого объёма воды из измерительного резервуара. При этом определение вязкости производилось по известной формуле (1):

06-08-2021 11-53-13    (1)

где g – ускорение свободного падения, м/с2; τ – время истечения, с; К – постоянная вискозиметра (К=0,01).

Поверхностное натяжение или поверхностная энергия (σ, Н/м) определялось через уровень подъёма жидкости в капиллярных трубах диаметром (d)= 25∙10-5 м (определялся экспериментально), с учетом изменяющейся во времени температуры, по известной формуле (2):

06-08-2021 11-53-19    (2)

где ρ – плотность воды, кг/м3; h – высота поднятия жидкости в капилляре, м; r – радиус капилляра, м.

На основании полученных экспериментальных и расчётных данных, были построены графические зависимости (рисунки 2, 3).

06-08-2021 11-54-39

Рис. 2 – Изменение вязкости воды во время МА путем перемешивания (100 мин-1)

 

Анализ кривой (рисунок 2) показал, что вязкость (ν) при МА путем перемешивания (100 мин-1) стабильно снижается в 1,03 раза первые 5 минут, несмотря на характерное для процесса перемешивания понижение температуры, что хоть и противоречит закону вязкого трения Ньютона, но легко объясняется теорией кластеров [4]. Затем в течение последующих 5 минут заметно повышается в 1,1 раза, далее стабильно снижается в течение 10 минут.

06-08-2021 11-55-13

Рис. 3 – Изменение поверхностного натяжения воды во время (а) МА путем перемешивания (100 мин-1) и после в покое (б)

 

Анализ кривых (рисунок 3) показал, что поверхностное натяжение (σ) воды при МА путем перемешивания (100 мин-1) стабильно снижается на 49,04% первые 10 минут, затем в течение последующих 2 минут повышается в 2 раза, переходит в нестабильное состояние. Минимальное зафиксированное значение поверхностного натяжения составило на 58,47% меньше исходного. После прекращения механоактивации поверхностное натяжение (σ) плавно повышается на 21,11% (вода) в течение 2,5 минут.

Полученные значения подтверждают верность направления нашего исследования. 

Второй этап исследования

Основным назначением данного этапа являлось: определить тип фильтра для исследования производительности фильтрования при механоактивации воды и суспензии (не вдаваясь на данном этапе в подробности конструкции и принципа действия) и способы механоактивации.

Ранее проведенный подробный анализ по существующим конструкциям фильтров [21], позволил остановить наш выбор на фильтрах с перегородками (бумажными, тканевыми и зернистыми).

Поскольку одним из современных способов механоактивации в пищевой промышленности на настоящее время является виброактивация (далее, ВА) или вибродиспергирование, а наиболее перспективными являются устройства вибрационного действия [3], [19]. Было решено использовать следующие способы МА при фильтровании с перегородками: ВА и совместного применения МА и ВА – вибромеханоактивации (далее, ВМА). 

Третий этап исследования

Основным назначением данного этапа являлось: провести эксперимент по исследованию влияния ВА и ВМА воды и суспензии на пропускную способность фильтров с перегородками и определить наиболее эффективный способ МА. Физическая модель представлена на рисунке 4.

06-08-2021 11-58-21

Рис. 4 – Физические модель третьего этапа исследования

 

Механическому диспергированию подвергались дистиллированная вода (далее, вода), меловая суспензия заданной концентрации: 3∙10-3 кг на 1∙10-3 м3 (далее, С1) и морская вода, отобранная в б. Новик о. Русский (далее, С2). В качестве активирующего устройства использовался вибромеханоактиватор в режимах ВА и ВМА (число оборотов активирующего устройства (n)=10000 мин-1, амплитуда колебаний (А)=2,5÷5,3 мм, время (τ)=180 с). Через фильтрующие перегородки: бумажные, 1 слой (далее, БП) и тканевые, 2 слоя (далее, ТП) на физической модели пропускались вода (далее, В) и С1, а через зернистые, 3слоя (далее, ЗП) на ранее разработанном и сконструированном фильтре [21] С2 – без активации (далее, БА), после ВА и ВМА.

06-08-2021 11-59-32

Рис. 5.1 – Зависимость пропускной способности фильтров с бумажными перегородками от времени фильтрования

06-08-2021 11-59-42

Рис. 5.2 – Зависимость пропускной способности фильтров с тканевыми перегородками от времени фильтрования

06-08-2021 11-59-51

Рис. 5.3 – Зависимость пропускной способности фильтров с зернистыми перегородками от времени фильтрования

 

На основании данных эксперимента были построены графические зависимости (рисунок 5), их анализ позволил установить прямое влияние МА путем ВА и ВМА на рост пропускной способности фильтров с перегородками (как при активации В, так и С1 и С2). При ВА пропускная способность повышается: в 1,06÷1,09 раза (БП); в 1,04÷1,11 раза (ТП) и в 1,06 раза (ЗП). При ВМА: в 1,12÷1,32 (БП); в 1,29÷1,33 раза (ТП) и в 1,18 раза (ЗП). Наиболее эффективные результаты получены после МА путем ВМА, следовательно, этот способ представляет наибольший интерес для дальнейших исследований процесса фильтрования с перегородками.

Заключение

Таким образом, последовательное решение каждой из поставленных задач, позволило экспериментальным путем установить прямое влияние МА воды и суспензий на производительность процесса фильтрования. Повышение пропускной способности связано в первую очередь со снижением вязкости (на 4,85%) и поверхностного натяжения (58,47%).

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Руднев С.Д. Изменение свойств воды при её механоактивации / С.Д. Руднев, Т.В. Шевченко, И.Ю. Сергеева // Актуальные направления научных исследований: технологии, качество и безопасность: материалы Н(В)К, 2020. – С. 121-124.
  2. Николаев А.Ф. Современный взгляд на структуру воды / А.Ф. Николаев // Известия СПбГТИ (ТУ). – 2007. –№1(27). – С. 110-115.
  3. Блехман И.И. «Аномальные» явления в жидкости при действии вибрации / И.И. Блехман, Л.И. Блехман, Л.А. Вайсберг и др. // Доклады академии наук. Механика. – 2008. – Т. 422. – № 4. – С. 470-474.Известия СПбГТИ (ТУ). – 2007. –№1(27). – С. 110-115.
  4. Гончарук В.В. Кластеры и гигантские гетерофазные кластеры воды / В.В. Гончарук, В.Н. Смирнов, А.В. Сыроешкин и др. // Химия и технология воды. – 2007. – Т. 29, №1. – С.3-17.
  5. Кульский Л.А. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды: в двух частях / Л.А. Кульский, И.Т. Гороновский, А.М. Когановский и др. – Киев: Наукова думка, 1980. – 1206 с.
  6. Воробьёв Ю.В. Основы теории механоактивации жидких сред / Ю.В. Воробьёв // Вестник ТГТУ. – 2013. – №3. – С. 608-613.
  7. Зиновьева Е.В. Влияние процессов механоактивации на структурно-физическую модификацию и стабилизацию водных суспензий и смазочных эмульсий: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.13 / Зиновьева Екатерина Витальевна. – Иваново, 2016. – 166 с.
  8. Гуюмджян П.П. Взаимодействие механоактивированной воды с цементным вяжущим / П.П. Гуюмджян, Т.Г. Ветренко, Н.М. Ладаев и др. // Вестник МГСУ. -2011. – №2. – С. 117-120.
  9. Слизнева Т.Е. Мелкозернистые бетоны на основе механомагнитоактивированных водных систем с органическими и неорганическими добавками – модификаторами: дис. ... докт. техн. наук: 05.23.05 / Слизнева Татьяна Евгеньевна. – Иваново, 2016. – 347 с.
  10. Руднев СД. Интенсификация процесса получения однородных высококонцентрированных смесей с жидкой фазой в технологии производства хлеба / С.Д. Руднев, А.С. Марков, В.В. Иванов и др. // Международный научно-исследовательский журнал. – 2017. – № 07 (61), ч.3. – С. 72-78.
  11. Расцветова Е.А. Повышение механических свойств бетонных изделий путём механической активации цементных суспензий: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05 / Расцветова Елена Анатольевна. – Иваново, 2011. – 145 с.
  12. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. – М.: Физматлит, 2007. – 416 с
  13. Геллер С.В. Вихревые нагреватели жидкости: кавитация, созидающая / С.В. Геллер // Техника-молодежи. – 2005. – №11. – С. 56-59.
  14. Калачева Л.П. Получение водорода механоактивацией конденсированных фаз воды / Л. П. Калачева, В. В. Корякина, А. Ф. Федорова // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. – 2009. – № 2. – С. 12.
  15. Колпаков А.В. Исследование процесса диспергирования жидких сред импульсным гидродинамическим способом / А.В. Колпаков // Техника и технологии в животноводстве. – 2012. – №3. – С. 122-128.
  16. Косинцев В.И. Очистка воды с применением механоактивации / В.И. Косинцев // Успехи современного естествознания. – 2010. – № 3. – С. 128-129.
  17. Воробьёв Ю.В. Химические процессы в органических жидкостях, инициируемые гидродинамическим активатором / Ю.В. Воробьёв, А.П. Кузьмин // Вестник ТГТУ. – 2012. – №4. – С. 905-911.
  18. Ефремов И.М. Процесс распространения колебаний в условиях перемешивания смесей / И.М. Ефремов, К.Н. Фигура // Системы. Методы. Технологии. – 2010. – № 2 (6). – С. 42-45.
  19. Блехман И.И. Что может вибрация? О «вибрационной механике» и вибрационной технике / И.И. Блехман. – М.: Ленанд, 2017. – 216.
  20. Руднев С.Д. Совершенствование процесса структурообразования теста пшеничного / С.Д. Руднев, В.В. Иванов, Р.В. Крюк // Новые технологии. – 2019. – № 1 (47). – С. 149-161.
  21. Крикун А.И. Совершенствование процесса фильтрования воды на рыбоперерабатывающих предприятиях: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12 / Крикун Александра Игоревна. – Кемерово, 2017. – 219 с.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Rudnev S. D. Izmenenie svojstv vody pri eyo mekhanoaktivacii [Changing properties of water under mechanical activation] / S. D. Rudnev, T. V. Shevchenko, E. Y. Sergeeva // Aktualnye napravleniya nauchnyh issledovanij: tekhnologii, kachestvo i bezopasnost': materialy [Modern directions of scientific research: technology, quality and safety: materials] – 2020. – N(V)K. – P. 121-124. [in Russian]
  2. Nikolaev A. F. Sovremennyj vzglyad na strukturu vody [A modern look on the structure of the water] / A. F. Nikolaev // Izvestiya SPbGTI (TU) [Bulletin of the St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University)]. – 2007. – № 1 (27). – P. 110-115. [in Russian]
  3. Blekhman I. I. «Anomalnye» yavleniya v zhidkosti pri dejstvii vibracii ["Abnormal" properties in liquids under vibration] / I. I. Blekhman, L. I. Blekhman, L. A. Vaisberg et al. // Doklady akademii nauk. Mekhanika [Reports of the Academy of Sciences. Mechanics]. – 2008. – V. 422. – № 4. – P. 470-474. [in Russian]
  4. Goncharuk V. V. Klastery i gigantskie geterofaznye klastery vody [Clusters and giant heteropatric clusters of water] / V. V. Goncharuk, V. N. Smirnov, A. V. Siroeshkin et al. // Himiya i tekhnologiya vody [The chemistry and technology of water]. – 2007. – V. 29. – № 1. – P. 3-17. [in Russian]
  5. Kulsky L. A. [Directory for properties, analysis methods and water purification: in two parts] / L. A. Kulsky, I. T. Gornovsky, A. M. Koganovsky et al. – Kiev: Naukova Dumka, 1980. – 1206 p. [in Russian]
  6. Vorobiev Y. V. Osnovy teorii mekhanoaktivacii zhidkih sred [Fundaments of the theory of mechanical activation of liquid mediums] / Y. V. Vorobiev // Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Tambov State Technical University]. – 2013. –№ 3 – P. 608-613. [in Russian]
  7. Zinoveva E.V. Vliyanie processov mekhanoaktivacii na strukturno-fizicheskuyu modifikaciyu i stabilizaciyu vodnyh suspenzij i smazochnyh emulsij. [Influence of mechanical activation processes on structural and physical modification and stabilization of aqueous suspensions and lubricating emulsions] : dis. ... of PhD in Engineering : 05.02.13 : defense of the thesis 16.03.2017 : approved 12.10.2017 / Zinoveva Ekaterina Vitalevna. – Ivanovo, 2016. – 166 p. [in Russian]
  8. Guyumdzhyan P.P. Vzaimodejstvie mekhanoaktivirovannoj vody s cementnym vyazhushchim [Interaction of mechanically activated water with a cement binder] / P.P. Guyumdzhyan, T.G. Vetrenko, N.M. Ladaev et al. // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo stroitelnogo universiteta [Bulletin of the Moscow State University of Civil Engineering]. – 2011. – №2. – P. 117-120. [in Russian]
  9. Slizneva T.E. Melkozernistye betony na osnove mekhanomagnitoaktivirovannyh vodnyh sistem s organicheskimi i neorganicheskimi dobavkami – modifikatorami [Fine-grained concretes based on mechanomagnetically activated water systems with organic and inorganic additives - modifiers] : dis. ... of D.Sc. in Engineering : 05.23.05 defense of the thesis 17.06.2016: approved 12.12.2016 / Slizneva Tatyana Evgenevna. – Ivanovo, 2016. – 347 p. [in Russian]
  10. Rudnev S. D. Intensifikaciya processa polucheniya odnorodnyh vysokokoncentrirovannyh smesej s zhidkoj fazoj v tekhnologii proizvodstva hleba [The intensification of the process of obtaining homogenous highly concentrated mixtures with a liquid state in bread production technologies] / S. D. Rudnev, A. S. Markov, V. V. Ivanov et al. // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatelskij zhurnal. [International scientific research journal]. – 2017. – № 07 (61), part 3. – P. 72-78. [in Russian]
  11. Rascvetova E.A. Povyshenie mekhanicheskih svojstv betonnyh izdelij putyom mekhanicheskoj aktivacii cementnyh suspenzij [Improving the mechanical properties of concrete products by mechanical activation of cement suspensions] : dis. ... of PhD in Engineering : 05.23.05 defense of the thesis 01.07.2011 : approved 22.01.2012 / Rascvetova Elena Anatolevna. – Ivanovo, 2011. – 145 p. [in Russian]
  12. Gusev A. I. Nanomaterialy, nanostruktury, nanotekhnologii [Nanomaterials, nanostructures, nanotechnologies] / A. I. Gusev. – M.: Fizmatlit, 2007. – 416 p. [in Russian]
  13. Geller S. V. Vihrevye nagrevateli zhidkosti: kavitaciya, sozidayushchaya [Vortex heaters of liquid: cavitation, creation] / S. V. Geller // Tekhnika-molodezhi [Youth technology]. – 2005. – № 11. – P. 56-59. [in Russian]
  14. Kalacheva L. P. Poluchenie vodoroda mekhanoaktivaciej kondensirovannyh faz vody [Hydrogen production by means of mechanical activation of condensed phases of water] / L. P. Kalacheva, V. V. Koryakina, A. F. Fedorova // Elektronnyj nauchnyj zhurnal Neftegazovoe delo [Electronic scientific journal of Oil and Gas Business]. – 2009. – № 2. – P. 12. [in Russian]
  15. Kolpakov A. V. Issledovanie processa dispergirovaniya zhidkih sred impulsnym gidrodinamicheskim sposobom [Research of the process of dispersing of liquid matters through the use of impulse hydrodynamic method] / A. V. Kolpakov // Tekhnika i tekhnologii v zhivotnovodstve [Technology and machinery in livestock farming]. – 2012. – № 3 – P. 122-128. [in Russian]
  16. Kosincev V. I. Ochistka vody s primeneniem mekhanoaktivacii [Water purification using mechanical activation] / V. I. Kosincev // Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya [Advances in modern natural science]. – 2010. – № 3. – P. 128-129. [in Russian]
  17. Vorobiev Y. V. Himicheskie processy v organicheskih zhidkostyah, iniciiruemye gidrodinamicheskim aktivatorom [Chemical processes of organic liquids, initiated by a hydrodynamic activator] / Y. V. Vorobiev, A. P. Kuzmon // Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Tambov State Technical University]. – 2012. – № 4. – P. 905-911. [in Russian]
  18. Efremov I. M. Process rasprostraneniya kolebanij v usloviyah peremeshivaniya smesej [The process of vibrations distribution under mixing conditions] / I. M. Efremov, K. N. Figura // Sistemy. Metody. Tekhnologii. [Systems. Methods. Technologies]. – 2010. – № 2 (6). – P. 42-45 [in Russian]
  19. Blekhman I. I. Chto mozhet vibraciya? O "vibracionnoj mekhanike" i vibracionnoj tekhnike [What can vibration do? About "vibration mechanics" and vibration technology] / I. I. Blekhman. – M.: Lenand, 2017. – 216 p. [in Russian]
  20. Rudnev S.D. Sovershenstvovanie processa strukturoobrazovaniya testa pshenichnogo [Improving the process of structure formation of wheat dough] / S.D. Rudnev, V.V. Ivanov, R.V. Kryuk // Novye tekhnologii [New technologies]. – 2019. – № 1 (47). – P. 149-161. [in Russian]
  21. Krikun A.I. Sovershenstvovanie processa filtrovaniya vody na rybopererabatyvayushchih predpriyatiyah [Improving the process of filtering water at fish processing enterprises] : dis. ... of PhD in Engineering: 05.18.12 : defense of the thesis 29.09.2017 : approved 01.03.2018 / Krikun Aleksandra Igorevna. – Kemerovo, 2017. – 219 p. [in Russian]