Исследования поддержаны грантом РНФ (проект 23-71-10040). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Journal of Aerosol Science (Q1, IF: 3.9).
Наиболее масштабными источниками выбросов твердых частиц в атмосферу являются электростанции и котельные, работающие на угле. Выбрасываемые из топок котельных агрегатов твердые частицы имеют дисперсность от 0,1 мкм до 1 мм. На сегодняшний день одним из наиболее эффективных способов очистки дымовых газов является мокрая очистка, предполагающая их пропускание через распыляемую воду или барботирование через определенный объем воды.
«Эффективность мокрого способа очистки дымовых газов возрастает, когда капли жидкости в аэрозольном состоянии улавливают твердые частицы, - рассказывает соавтор исследования, профессор Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Павел Стрижак. — Одна из основных причин этого явления связана со столкновениями капель суспензии на высокой скорости. Перед нами стояла цель выявить закономерности при соударении капель жидкостей, содержащих твердые частицы, и построить карты режимов для демонстрации условий, при которых слияние капель происходит стабильно».
Для исследования ученые Томского политеха использовали смесь дистиллированной воды со стеклянными сферами размером 20-160 мкм и с частицами угольной пыли размером 60-80 мкм. Массовая доля твердых частиц внутри капель воды варьировалась от 0,01 % до 0,5 %. Такая концентрация характерна для пылеулавливающих установок и составов, используемых в пищевой промышленности. Во время экспериментов определялся вклад совокупности факторов: материал, концентрация и размера частиц в каплях, а также размеры, скорость и угол столкновения капель.
«В ходе экспериментальных исследований определены четыре режима взаимодействия капель друг с другом: отскок, слияние, разделение и разрушение. По результатам экспериментов построены режимные карты, которые можно использовать для прогнозирования последствий взаимодействия капель. Зная размер капель, их скорость и физические свойства жидкости, мы можем предсказать, сольются ли капли или разрушатся, образуя вторичные фрагменты, — рассказывает соавтор исследования, доцент Исследовательской школы физики и высокоэнергетических процессов Анастасия Исламова. — Если говорить простыми словами, режимные карты помогают нам понять, что конкретно происходит внутри аппарата мокрой очистки воздуха и газов, не заглядывая в него».
Представленные в настоящей работе результаты экспериментов по соударению капель суспензии в дальнейшем целесообразно использовать при модернизации и оптимизации работы промышленных аппаратов мокрой очистки воздуха и газов.
Опыты с бинарными соударениями капель представляют упрощенный подход к изучению закономерностей столкновения капель в аэрозолях. Следующим этапом исследования станет изучение взаимодействия многофазных аэрозольных потоков.