Mewn trin dŵr diwydiannol a threfol, mae arnofio yn dechnoleg puro dŵr sy'n defnyddio swigod bach i godi amhureddau crog i'r wyneb. Er ei fod yn ymddangos yn syml, mae'n ymgorffori egwyddorion cymhleth mecaneg hylif a chemeg rhyngwynebol. Bydd yr erthygl hon yn cyfuno fformiwlâu clasurol â phrofiad peirianneg i roi-dadansoddiad manwl o'r mecanweithiau craidd a ffactorau dylanwadol arnofio er mwyn i weithwyr proffesiynol trin dŵr gyfeirio atynt.
I. Egwyddorion Sylfaenol Arnofiad
Mae arnofio i'r gwrthwyneb i waddodiad. Er bod gwaddodiad yn defnyddio disgyrchiant i suddo gronynnau a chael gwared ar ddeunydd crog, mae arnofio yn defnyddio hynofedd swigod sydd ynghlwm i ddod â gronynnau crog i'r wyneb, a thrwy hynny gyflawni gwahaniad hylif solet.
Yr allwedd i buro dŵr arnofio yw cynhyrchu nifer fawr o swigod bach, sy'n glynu wrth ronynnau crog i ffurfio "swigod-flocs." Mae'r swigod hyn yn codi oherwydd hynofedd ac yn y pen draw yn cael eu crafu i ffwrdd.
Y broses ffisegol sylfaenol yw: cynhyrchu swigen → cyswllt ac adlyniad rhwng swigod a gronynnau → cynnydd o ronynnau ynghlwm â'r swigod → ffurfio a gwahanu haen ewyn.
II. Dadansoddiad o Gyflymder Cynnydd Swigod
Pan fydd swigen yn codi mewn dŵr, mae tri grym yn gweithredu arno: disgyrchiant F1, hynofedd F2, a llusgo F3. Yn seiliedig ar ail ddeddf Newton, gellir deillio'r fformiwla ganlynol.
Ble: v yw cyflymder codi'r swigen, cm/s; m yw màs yr aer-flocs llwythog, g; disgyrchiant F1=ρ1gV, lle ρ1 yw dwysedd y swigen-cymhlyg floc, g/cm³, a V yw cyfaint y swigen-cymhlyg floc, cm³; hynofedd F2=ρ2gV, lle mae ρ2 yn ddwysedd dŵr, g/cm³; llusgwch F3=CAρ2v²/2, lle C yw'r cyfernod llusgo ac A yw arwynebedd rhagamcanol yr aer-flocs llwythog i gyfeiriad llif y dŵr, cm².
Mae amnewid disgyrchiant F1, hynofedd F2, a llusgo F3 i'r fformiwla uchod yn rhoi'r fformiwla ganlynol.
Pan fydd cyflymder codi'r swigen yn sefydlogi, gellir cyfrifo dv/dt=0, a chyflymder codiad y swigen v fel y dangosir yn y fformiwla ganlynol.
Os dychmygwn y strwythur "swigen-floc" fel sffêr gyda diamedr o d, yna V/A=2d/3. Ar ben hynny, mae cyfernod llusgo'r sffêr C=4, a chyflymder codi'r swigen fel a ganlyn.
Mae'r fformiwla uchod yn datgelu bod cyflymder codi'r swigen v mewn cyfrannedd union â gwreiddyn sgwâr diamedr y gronyn d ac mewn cyfrannedd gwrthdro â'r dwysedd dŵr ρ1. Hynny yw, po fwyaf yw'r swigen a'r mwyaf yw'r gwahaniaeth dwysedd, y cyflymaf yw'r cyflymder cynyddol. Fodd bynnag, mae swigod rhy fawr yn llai tebygol o ddenu amhureddau, gan wneud cynhyrchu microbubbles yn arbennig o bwysig. Ar ben hynny, oherwydd mai dim ond 1/775 o ddwysedd dŵr yw dwysedd yr aer, mae fflociau â nifer benodol o ficro-swigod yn codi'n gyflymach na'r sinc fflocs gwreiddiol. Felly, mae arnofio yn cyflawni amseroedd gwahanu hylif solid llawer byrrach na gwaddodiad.
III. Tensiwn Arwyneb a Phwysedd Ychwanegol
Mae craidd y broses arnofio yn gorwedd yn adlyniad swigod i ronynnau, ac mae tensiwn wyneb yn pennu sefydlogrwydd y swigod. Diffinnir tensiwn arwyneb hylif fel a ganlyn.
Lle: T yw'r tensiwn arwyneb, mewn dynes, sy'n adlewyrchu cryfder y grymoedd rhwng moleciwlau hylif; yw'r cyfernod tensiwn arwyneb, mewn dynes/cm; ac l yw hyd yr haen arwyneb, mewn cm.
Mae aer heb ei hydoddi mewn dŵr yn cael ei ddenu gan y moleciwlau dŵr, gan gynhyrchu tensiwn arwyneb yn y rhyngwyneb rhwng y ddau gam. Mae'r haen denau hon o foleciwlau dŵr sy'n cynhyrchu tensiwn arwyneb yn ffurfio pilen swigen. Mae arwyneb crwm y bilen, oherwydd tensiwn arwyneb, yn rhoi pwysau ychwanegol Ps ar yr aer y tu mewn i'r swigen. I gydbwyso'r pwysau ychwanegol hwn, rhaid i'r pwysau y tu mewn i'r swigen, P, fod yn fwy na'r pwysau y tu allan i'r swigen, P0, hy, P=P0 + Ps. Mae maint y pwysau ychwanegol hwn mewn cyfrannedd union â'r cyfernod tensiwn arwyneb ac mewn cyfrannedd gwrthdro â'r radiws swigen, fel y dangosir yn yr hafaliad canlynol.
Ble: r mae radiws y swigen, mewn cm.
Mae'r hafaliad uchod yn datgelu po leiaf yw'r swigen, y lleiaf yw'r radiws r, a'r mwyaf yw'r pwysau ychwanegol, gan wneud y swigen yn fwy tebygol o fyrstio. Felly, rhaid i'r system arnofio ystyried maint a sefydlogrwydd y swigod. Os yw'r swigod yn rhy fawr, byddant yn arnofio'n rhy gyflym ac yn anodd eu cadw; os yw'r swigod yn rhy fach, byddant yn hawdd eu torri ac yn anodd ffurfio haen llysnafedd effeithiol.
IV. Mecanwaith adlyniad swigod a fflocs
Y cyfuniad o swigod a fflocs yw'r allwedd i arnofio. Gellir crynhoi ei fecanwaith gweithredu fel tair effaith fecanyddol:
(1) Effaith lleihau ynni wyneb. Pan fydd swigod yn cadw at wyneb flocs, mae cyfanswm egni arwyneb y system yn lleihau ac mae'r rhyngwyneb yn tueddu i fod yn sefydlog;
(2) Effaith pontio capilari. Mae'r ffilm hylif rhwng y swigod a'r flocs yn cael ei ymestyn i ffurfio pont capilari, gan wneud y ddau wedi'u bondio'n dynn;
(3) Effaith arsugniad electrostatig. Mae gronynnau mewn dŵr yn aml yn cael eu gwefru'n negyddol, a gellir rheoli potensial arwyneb microbubbles hefyd i ffurfio effaith arsugniad electrostatig.
Mae'r cyfuniad o swigod a fflocs nid yn unig yn cynyddu gwahaniaeth disgyrchiant penodol gronynnau crog, ond hefyd yn gwella effeithlonrwydd gwahanu arnofio.
V. Effaith entrainment ac effaith arnofio
Yn y tanc arnofio, pan fydd microbubbles yn cario fflocs i fyny, byddant yn llusgo rhan o'r dŵr i fyny gyda nhw. Gelwir y ffenomen hon yn effaith entrainment. Er bod yr effaith cynhwysiant yn effeithio ar y crynodiad ewyn, mae'n helpu i wella'r gyfradd symud. Mae ei fecanwaith yn cynnwys: (1) gwella cyswllt cymysgu, gan wneud y swigod a'r fflocs yn cysylltu'n llawnach trwy gynnwrf; (2) hyrwyddo arsugniad swigen a chynyddu'r ardal gyswllt; (3) ffurfio haen llysnafedd sefydlog, lle mae swigod bach yn cyfuno â fflocs gludiog i ffurfio haen drwchus, sy'n hawdd ei sgrapio i ffwrdd.
Casgliad
Mae arnofio yn cyflawni puro trwy "wneud carthion arnofio". Mae'n dechnoleg gwahanu effeithlon sy'n integreiddio prosesau ffisegol a chemegol. Yr allwedd i'w lwyddiant yw cynhyrchu microbubbles, ffurfio fflocs a chyfuniad effeithiol o'r ddau. Mae deall deddfau deinamig arnofio swigen a'r ymddygiad cemegol rhyng-wyneb nid yn unig yn helpu i optimeiddio dyluniad offer arnofio, ond hefyd yn darparu cefnogaeth ddamcaniaethol ar gyfer trin dŵr gwastraff diwydiannol a charthffosiaeth drefol yn ddwfn. Pan welwch yr haen honno o lysnafedd yn cael ei chrafu'n araf, cofiwch ei bod yn wyrth buro a gyflawnir gan swigod a gronynnau di-rif.
