【摘要】：研究水中油滴和顆粒電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)行為具有重要的科學(xué)意義,并且對(duì)于發(fā)展基于電場(chǎng)機(jī)制的船舶含油污水分離、海洋污染物富集和檢測(cè)技術(shù)等也具有較好的應(yīng)用前景。本文以多種不同界面處的油滴和固體顆粒為研究對(duì)象,分別研究了空氣-水界面附近的油滴、附著在空氣-水界面的油滴、水平固體壁面附近的油滴和吸附在油-水界面中的球形固體顆粒在外加直流電場(chǎng)條件下的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)數(shù)值模擬研究了空氣-水界面附近油滴的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。首先,分析并計(jì)算了外加直流電場(chǎng)下微尺度油滴與水平空氣-水界面之間的穩(wěn)定間距;然后,通過(guò)建立油滴靠近空氣-水界面時(shí)平移運(yùn)動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型,數(shù)值模擬了油滴在空氣-水界面附近的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)。研究結(jié)果表明:水域無(wú)限大的情況下,靠近帶負(fù)電水平空氣-水界面的帶負(fù)電微尺度油滴的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向與水中外加直流電場(chǎng)方向相反。(2)通過(guò)建立油滴電動(dòng)運(yùn)動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型,數(shù)值模擬研究了粘附在空氣-水界面下面的油滴的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)行為,分析了可移動(dòng)的空氣-水界面和油-水界面對(duì)油滴電動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明:當(dāng)處于無(wú)限大水域中的油滴和空氣-水界面都帶負(fù)電時(shí),油滴在空氣-水界面下面會(huì)向水中直流電場(chǎng)正極移動(dòng),其運(yùn)動(dòng)速度隨著油滴和空氣-水界面負(fù)zeta電勢(shì)的絕對(duì)值的增大而增大。(3)數(shù)值模擬研究了外加直流電場(chǎng)下水中帶負(fù)電油滴靠近一個(gè)帶負(fù)電水平固體壁面時(shí)的平移運(yùn)動(dòng)規(guī)律。首先,分析并計(jì)算了不同參數(shù)下油滴和固體壁面之間的穩(wěn)定間距;然后,通過(guò)油滴平移運(yùn)動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型,數(shù)值模擬了油滴在水平固體壁面附近的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)。模擬結(jié)果顯示:在水中直流電場(chǎng)作用下,固體壁面負(fù)zeta電勢(shì)的絕對(duì)值越大,油滴表面負(fù)zeta電勢(shì)的絕對(duì)值越小,水平固體壁面附近油滴的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度越大,并且當(dāng)油滴表面負(fù)zeta電勢(shì)的絕對(duì)值足夠大時(shí),油滴會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向,向直流電場(chǎng)正極移動(dòng)。另外,研究還發(fā)現(xiàn)油滴的移動(dòng)速度隨著油滴和固體壁面間距的減小而增大。(4)分析并推導(dǎo)了直流電場(chǎng)下吸附在油-水界面中的固體球形帶電顆粒所受到的電泳力數(shù)學(xué)表達(dá)式,建立了固體顆粒在油-水界面中電動(dòng)運(yùn)動(dòng)的三維瞬時(shí)數(shù)學(xué)模型,數(shù)值模擬計(jì)算了固體球形顆粒在水平油-水界面中的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度。數(shù)值模擬結(jié)果顯示:對(duì)于帶負(fù)電的微尺度球形固體顆粒吸附在帶負(fù)電的油-水界面中,當(dāng)該顆粒-油-水系統(tǒng)在微尺度通道中時(shí),即當(dāng)油-水界面距離固體底面高度很近時(shí),如果顆粒負(fù)zeta電勢(shì)的絕對(duì)值相比于油-水界面的較小,那么顆粒在界面中沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng);反之,顆粒的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)改變。當(dāng)上述帶負(fù)電的油-水界面系統(tǒng)區(qū)域無(wú)限大時(shí),帶負(fù)電固體顆粒在該油-水界面中會(huì)沿電場(chǎng)相反方向運(yùn)動(dòng),并且模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的匹配度,驗(yàn)證了本數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。本文的研究完善了油滴和固體顆粒的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)理論,為該技術(shù)在油水分離、污水凈化處理、新材料合成、液液萃取等方面的實(shí)際應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。
【圖文】：

電化學(xué)反應(yīng)的影響，這些材料的表面會(huì)自發(fā)地獲得電荷。帶電的固體壁面會(huì)吸引逡逑水溶液中異號(hào)離子，同時(shí)排斥同號(hào)離子，最終在固體表面附近形成ＥＤＬ。離子在逡逑ＥＤＬ中的分布如圖１．１所示。首先，帶電壁面會(huì)從水溶液中吸附異號(hào)離子，在其逡逑表面形成一層異號(hào)離子層，稱為接觸層（Ｓｔｅｍ邋ｌａｙｅｒ）。接觸層中的異號(hào)離子緊密排逡逑列，無(wú)法移動(dòng)，厚度通常只有幾個(gè)納米。而相鄰接觸層的離子同樣受到帶電壁面逡逑的影響，異號(hào)離子靠近壁面，同號(hào)離子遠(yuǎn)離壁面。所不同的是相鄰接觸層的這些逡逑離子排列相對(duì)稀疏，是可移動(dòng)的，這些可移動(dòng)的離子形成的離子層稱為擴(kuò)散層逡逑（ｄｉｆｆｕｓｅ邋ｌａｙｅｒ）邋［６“８１。逡逑Ｓｔｅｒｎ邋Ｌａｙｅｒ邋Ｄｉｆｆｕｓｅ逡逑—Ｌａｙｅｒ邐＾逡逑二？邐ｓ邐０逡逑－ａｊｉ邋？邋＾邐？逡逑＂ｉ邋？邋？邐？邐９逡逑Ｃｈａｒｇｅｄ邋—由丨邋ｄ？邐條逡逑Ｗａｌｌ邋—邋ｉ邋０邋＾邐？邋Ａｑｕｅ＾ｉｓ邋Ｓｏｌｕｔｉｏｎ逡逑‘邋卜二邐＊ｅ．ｅ逡逑二＿０邋？邋？邐？邋＠邐？逡逑Ｉ邋？邐？邐？邋＜９逡逑＾＾Ｓｈｃａｒ邋Ｐｌａｎｅ逡逑圖１．１雙電層中離子分布示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｏｎ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ａｎ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｄｏｕｂｌｅ邋ｌａｙｅｒ逡逑從圖１．１可清楚地看出，受帶電固體壁面的影響，ＥＤＬ中的異號(hào)離子濃度遠(yuǎn)逡逑大于同號(hào)離子濃度，導(dǎo)致ＥＤＬ中的凈電荷密度不為零。接觸層和擴(kuò)散層的分界面逡逑稱為ｓｈｅａｒ邋ｐｌａｎｅ

逡逑由圖１．２可看出，受到壁面高剪切速率（ｓｈｅａｒ邋ｒａｔｅ）的影響，電滲流速度從ｓｈｅａｒ逡逑ｐｌａｎｅ^u始由零逐漸增大，在ＥＤＬ外緣處，，電滲流速度達(dá)到最大值，并保持恒定不逡逑變ｔ７Ｇ］。電滲流速度可由Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ－Ｓｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉ方程［７１］（式１．５）來(lái)評(píng)估計(jì)算。逡逑Ｕｅｏｆ＝－＾＾－Ｅ邐（１．５）逡逑其中，Ｖｖｖ為水溶液動(dòng)力粘度，五是外加電場(chǎng)強(qiáng)度。逡逑Ａｑｕｅｏｕｓ邋Ｓｏｌｕｔｉｏｎ邐Ｅ逡逑④邋Ｑ邋④邋Ｑ邋？邐？邐？邋Ｉ邐＾逡逑０邋？邋？邋０邋ＵＥＯＦＥＯＦ逡逑？邋？邐？邐１邐？？邋Ｓｈｅａｒ逡逑④邐？邐？邐０邐？邐一邐ｙＰｌａｎｅ逡逑一ｙｇ－務(wù)ｍ—條—ｇＨ—ｙｙ逡逑Ｃｈａｒｇｅｄ邋Ｗａｌｌ逡逑圖１．２帶電壁面附近產(chǎn)生的電滲流示意圖逡逑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電泳逡逑懸浮于靜止水溶液中的帶電顆粒響應(yīng)外加電場(chǎng)而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為電泳，如圖逡逑１．３所示。理論上，當(dāng)外加直流電場(chǎng)施加在水溶液中后，懸浮在溶液中的帶電顆粒逡逑受到電場(chǎng)施加的庫(kù)侖力，從而使得顆粒在溶液中運(yùn)動(dòng)。與圖１．２中的水平帶電固體逡逑壁面相同，處于水溶液中的帶電球形顆粒表面也會(huì)形成ＥＤＬ，在電場(chǎng)作用下，顆逡逑粒表面同樣會(huì)產(chǎn)生ＥＯＦ。所不同的是圖１．２中的帶電壁面是固定不動(dòng)的，其表面產(chǎn)逡逑生的電滲流使得溶液沿著壁面運(yùn)動(dòng)
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U664.92

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2680997