Експериментальне дослідження роздільного існування фаз у двофазних системах вода-надкритичний вуглекислий газ

Надкритичні флюїдні технології в даний час знаходяться в процесі бурхливого розвитку та поширення. Це обумовлено тим, що технології хімічних виробництв, що використовують токсичні та вибухонебезпечні реагенти, не витримують конкуренції з більш ефективними та нешкідливими надкритичними флюїдними технологіями. Надкритичний флюїд як екстрагент має ряд особливостей. Порівняно з звичайним розчинником він характеризується на 1-2 порядки нижчою в'язкістю, на 2-3 порядки більшим коефіцієнтом дифузії та меншою щільністю. Це істотно (в кілька разів) скорочує час екстракції. Розчиняюча здатність надкритичного флюїду сильно залежить від температури та тиску, що дозволяє забезпечити селективну екстракцію. Особливе застосування надкритичні флюїдні технології отримали в процесах переробки відпрацьованого ядерного палива, відходів уранових виробництв та селективному вилученні актинідів. Незважаючи на високу ступінь експериментальної опрацювання даної тематики, залишаються нез'ясованими причини істотного збільшення екстракційної ефективності в двофазних системах, що складаються з НК-СО₂ та малого (але не менше 0,3об%), кількості дистильованої води.

Експериментальне обладнання

Експерименти з дослідження формування крапель води в НК-СО₂ in situ проводилися на установці СКФЕ-1. На виході з реактора об'ємом 48,13 см³ була розташована оптична комірка високого тиску з сапфіровими вікнами. Конструкція комірки наведена на рисунку 1.

Рисунок 1 – Конструкція оптичної комірки високого тиску

Розміри крапель води в НК-СО₂ аналізувалися за дифракційними картинами, що отримуються при пропусканні червоного або фіолетового лазерного випромінювання через оптичну комірку високого тиску з сапфіровими вікнами. Існування дифракційних картин при розсіянні лазерного випромінювання на краплях води в НК-СО₂ обумовлено тим фактом, що показники заломлення води та НК-СО₂ різні (як відомо, дифракційні решітки утворюються навіть у прозорій рідині або газі, в яких показник заломлення змінюється збудженими біжучими або стоячими ультразвуковими хвилями).

Методика експерименту

Дослідження дифракції лазерного випромінювання на краплях води проводилося відповідно до схеми, наведеної на рисунку 2. Комірка встановлювалася в тримачі перпендикулярно зовнішньою поверхнею сапфірового вікна до лазерного променя на відстані від вихідного вікна лазера не менше 0,5 м. Екран був віддалений від комірки на відстань L = 3,3 м. По периметру екрана були розташовані дві взаємно перпендикулярні лінійки з поділками 0,5 см, призначені для визначення розмірів елементів дифракційної картини.

Рисунок 2 – Схема утворення дифракційних картин при розсіянні лазерного випромінювання на краплях води: 1 – екран; 2 – надкритичний флюїд, НК-СО₂; 3 – металевий корпус комірки; 4 – крапля води; 6 – джерело лазерного випромінювання

Як джерело лазерного випромінювання використовувалися лазерна указка на основі червоного лазерного діода.

Розчинність води в НК-СО₂

Ваговим методом показано, що в досліджуваному інтервалі тисків (від 7 до 17 МПа) при фіксованій температурі 40 °С мольна частка розчиненої в НК-СО₂ води практично постійна.

Дослідження стаціонарних дифракційних картин розсіяння лазерного випромінювання на двовимірній решітці з квадратними комірками

Для оцінки розмірів крапель води були отримані та проаналізовані стаціонарні дифракційні картини від круглої дифракційної решітки з квадратними комірками для червоного та фіолетового лазерного випромінювання (див. рис. 3).


a)		b)		c)

Рисунок 3 – Дифракційна картина від решітки з квадратними комірками: a) якісна; b) для червоного лазера; c) для фіолетового лазера. Для оцінки розмірів елементів дифракційної картини на цих рисунках і далі в лівому нижньому куті наведено білий квадрат з довжиною сторони 10,0 мм

Дослідження дифракційних картин розсіяння лазерного випромінювання на краплях води в НК-СО₂

Фільтрувальний папір, просочений 0,5 мл дистильованої води, поміщався в реактор установки. Відповідно до сертифікату якості діоксиду вуглецю початковий вміст води при нормальних умовах (тиск 101,3 кПа, температура 20 °С) був менше 0,076 г/м³. Оцінки показують, що при тисках до 16,0 МПа власний вміст води в діоксиді вуглецю був значно менше кількості, розміщеної на фільтрувальному папері.

Знаходячийся в комірці флюїд з розчиненою в ньому водою просвічувався червоним або фіолетовим лазером. Пройшовше через комірку лазерне випромінювання направлялося на екран (див. рис. 2). Отримувана при певному тиску змінювана в часі (динамічна) дифракційна картина фіксувалася на відеокамеру протягом 5 хв. Створений таким чином кліп розбивався на окремі кадри, що представляють собою статичні дифракційні картини, які потім аналізувалися для отримання інформації про розміри крапель води в НК-СО₂ (див. рис. 4 - 6).


a) 0,1 МПа. Слід на екрані від червоного лазера за відсутності надкритичного флюїду в комірці високого тиску		b) 8,0 МПа. На екрані спостерігається інтенсивний хаотичний рух світлих точок розміром ∼3x2 мм (фіолетовий лазер ∼2x1 мм)

c) 10,0 МПа. На екрані спостерігається хаотичний рух світлих точок розміром ∼3x2мм (фіолетовий лазер ∼2x1мм)		d) 12,0 МПа. На екрані спостерігається хаотичний рух світлих точок

e) 14,0 МПа. На екрані спостерігається повільний рух світлих точок		f) 16,0 МПа. На екрані рух практично відсутній

Рисунок 4 – Фотознімки дифракційних картин у різні моменти часу в інтервалі витримки 5 хв для довжини оптичного шляху в комірці високого тиску 21,0 мм


a) 8,0 МПа. На екрані спостерігається хаотичний рух світлих точок розміром ∼3x2мм (фіолетовий лазер ∼2x1мм)		b) 10,0 МПа. На екрані рух світлих плям відсутній

Рисунок 5 – Фотознімки дифракційних картин у різні моменти часу в інтервалі витримки 5 хв для довжини оптичного шляху в комірці високого тиску 6,0 мм


a) 12,0 МПа. На екрані при напуску діоксиду вуглецю рух світлих плям відсутній		b) 12,0 МПа. На екрані при скиданні тиску спостерігається невеликий рівномірний рух світлих плям

Рисунок 6 – Фотознімки дифракційних картин у різні моменти часу в інтервалі витримки 5 хв для довжини оптичного шляху в комірці високого тиску 0,1 мм

Зображення дифракційної картини на екрані, як правило, представляє собою повільно рухаючі світлі плями для червоного лазера, та світлу круглу пляму з мерехтливими точками на ній для фіолетового лазера. Наявність однієї плями в останньому випадку пояснюється тим, що довжина хвилі лазера фіолетового менше, ніж для червоного, і тому світлі плями на екрані від фіолетового лазера зливаються в одну пляму. Тому в експериментах з отримання дифракційних картин використовувався світ червоного лазера.

Дослідження дифракційних картин розсіяння лазерного випромінювання на двовимірній решітці з квадратними комірками показало відповідність експериментальних результатів теоретичним уявленням.

Аналіз дифракційних картин розсіяння лазерного випромінювання на краплях води в НК-СО₂, а також оптична мікроскопія при тиску 10,0 МПа та температурі 40 °С визначають величину середнього діаметра крапель води величиною 55±3 мкм.