Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

ОПТИЧЕСКАЯ СЕДИМЕНТАЦИЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ СМЕСЕЙ

Иванова Г.Д. 1 Хе В.К. 1 Иванов В.И. 1
1 ФГБОУ ВО Дальневосточный государственный университет путей сообщения
Для сепарации наночастиц по размерам обычно используют центрифугирование. Этот метод требует достаточно сложного и дорогого оборудования. Мы предлагаем использовать силы светового давления для седиментации наночастиц в жидкости. Данные силы имеют достаточно большую величину, обеспечивающую скорость осаждения сравнимую с центрифужными методами. Рассматривается теоретическая модель разделения наночастиц по размерам при помощи лазерного воздействия в жидкой среде. Получено точное решение одномерной нестационарной задачи светоиндуцированного массопереноса. Показано, что скорость светоиндуцированного осаждения характеризуется резкой зависимостью (как радиус в 5-й степени) от радиуса частицы, что может позволить эффективно разделять полидисперсные смеси. Предложенный метод сепарации наночастиц актуален при исследовании дисперсных жидкофазных сред, а также для оптической диагностики таких сред.
седиментация
электрострикция
дисперсная среда
1. Рафиков С.Р. Методы определения молекулярных весов и полидисперсности высокомолекулярных соединений / С.Р. Рафиков, С.А. Павлова, И.И. Твердохлебова. – М., 1963. – 174 с.
2. Иванов В.И. Термолинзовая спектроскопия жидкофазных двухкомпонентных сред / В.И. Иванов, Г.Д. Иванова, В.К. Хе // Вестник ТОГУ. – 2011. – № 4. – С. 43 – 46.
3. Иванов В.И. Электрострикционный механизм самовоздействия излучения в жидкости с наночастицами /
В.И. Иванов, А.И. Ливашвили, К.Н. Окишев // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика.– 2009. – Т. 4. – № 2. – С. 58–60.
4. Иванов В.И. Оптическая левитация наночастиц: монография / В.И. Иванов, А.А. Кузин, К.Н. Окишев. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. – 105 с.
5. Крылов В.И. Метод светоиндуцированной псевдо–призмы в наножидкости / В.И. Крылов, Г.Д. Иванова,
В.К. Хе // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов, межвуз. сб. науч. тр. / под общей редакцией В. М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. – Тверь: Твер. гос. ун-т, 2015. – Вып. 5. – С. 329–334.
6. Иванов В.И. Оптическая диагностика полимерных наночастиц / В.И. Иванов, Г.Д. Иванова, В.К. Хе // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 11–6. – С. 1085–1088.
7. Иванова Г.Д. Светоиндуцированная псевдо–призма в наножидкости / Г.Д. Иванова, В.К. Хе // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2.
8. Иванова Г.Д. Нелинейная линза в дисперсной среде / Г.Д. Иванова, С.И. Кирюшина, А.В. Мяготин // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1.
9. Иванов В.И. Самовоздействие гауссова пучка излучения в слое жидкофазной микрогетерогенной среды /
В.И. Иванов, А.И. Ливашвили // Оптика атмосферы и океана. – 2009. – Том 22. – № 8. – С. 751–752.
10. Иванов В.И. Динамика светоиндуцированной тепловой линзы в жидкофазной двухкомпонентной среде // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. – 2011. – Т. 4. – № 134. – С. 44–46.

В промышленности и научно-прикладных исследованиях физико-химических свойств жидких и газообразных сред используют разные способы разделения смешанных объёмов разнородных частиц (смеси, жидкости разной плотности, эмульсии, твёрдые материалы, взвеси, твёрдые частицы или капельки в газе) в зависимости от размеров исследуемых веществ либо осаждение в гравитационном поле, либо центрифугирование [1].

В гравитационном поле осаждаться способны только достаточно крупные частицы, не подверженные тепловому (броуновскому) движению. Установившаяся скорость осаждения частиц зависит от массы, размера и формы частиц, вязкости и плотности среды. При этом, чем больше масса и размеры частиц, тем больше скорость оседания. Для более мелких частиц, например, молекул природных и синтетических полимеров, обычно используют центрифугирование. Сепараторы, работающие на основе выше приведенных способов, имеют достаточно громоздкие (крупногабаритные) по исполнению конструкции.

Данная работа посвящена модели сепарации наночастиц световым полем, являющейся альтернативной выше приведенным методам, позволяющей создавать компактные сепараторы мелких частиц.

ivan1.tif

Рис. 1. Схема оптической сепарации наночастиц

Рассмотрим прозрачную наносуспензию, освещаемую потоком лазерного излучения с однородным распределением интенсивности (рис. 1). На наночастицу действует сила светового давления:

iv01.wmf, (1)

где I0 – интенсивность света,

iv02.wmf, (2)

iv03.wmf, (3)

где n1, n2 – показатели преломления веществ дисперсионной и дисперсной сред соответственно, iv04.wmf – коэффициент подвижности частиц, η – вязкость жидкости, a – радиус частицы, λ – длина волны излучения, c0 – скорость света.

Индуцированное световое давление приводит к изменению концентрации частиц, описываемой следующим уравнением [2]:

iv05.wmf, (4)

где скорость частицы iv06.wmf, iv07.wmf – массовая концентрация дисперсных частиц, D – коэффициент диффузии. В одномерном случае скорость наночастиц в жидкой среде удобно представить в виде iv08.wmf, где

iv09.wmf.

Решение уравнения (4) на участке ziv10.wmf с учетом отсутствия потока частиц на верхней и нижней границах [3]:

iv11.wmf

iv12.wmf (5)

где C0 – начальная концентрация наночастиц, iv13.wmf l – высота кюветы, iv14.wmf iv15.wmf. Как показывает анализ этого выражения установление равновесия фактически происходит уже при iv16.wmf (для u = 3).

В стационарном режиме выражение (5) можно представить в виде зависимости концентрации частиц от интенсивности излучения и высоты:

iv17.wmf. (6)

На рис. 2 показана расчетная зависимость концентрации наночастиц на полувысоте кюветы от интенсивности излучения в стационарном режиме.

ivan2.tif

Рис. 2. Зависимость концентрации наночастиц на полувысоте кюветы от интенсивности излучения (в отн. ед.)

ivan3.tif

Рис. 3. Зависимость относительной концентрации наночастиц в световом поле от высоты для двух наносуспензий, радиусы частиц в которых отличаются в 2 раза

На рис. 3 показана зависимость относительной концентрации наночастиц в световом поле от высоты для двух наносуспензий, радиусы частиц в которых отличаются в 2 раза.

Видно, что для частиц с меньшим радиусом концентрация С2 практически не отличается от первоначальной, в то время как для больших частиц С1 резко падает с высотой.

Это связано с резкой зависимостью (как радиус в 5-й степени) скорости осаждения от радиуса частицы, что, как мы считаем, может позволить значительно более эффективно разделять полидисперсные смеси.

Выводы

Таким образом, в работе получено точное решение одномерной нестационарной задачи светоиндуцированного массопереноса. Показано, что скорость светоиндуцированного осаждения характеризуется резкой зависимостью (как радиус в 5-й степени) от радиуса частицы, что может позволить эффективно разделять полидисперсные смеси. Предложенный метод сепарации наночастиц актуален при исследовании дисперсных жидкофазных сред, а также для оптической диагностики таких сред [4-8], как альтернативный методу центрифугирования.


Библиографическая ссылка

Иванова Г.Д., Хе В.К., Иванов В.И. ОПТИЧЕСКАЯ СЕДИМЕНТАЦИЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ СМЕСЕЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 8-2. – С. 141-143;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=9991 (дата обращения: 24.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074