ORGANIC DUSTS, ELECTROSTATIC PROPERTIES. Encyclopedia of Agrophysics Jan Gliński, Józef Horabik, Jerzy Lipiec (eds.)

Transkrypt

1 ORGANIC DUSTS, ELECTROSTATIC PROPERTIES Encyclopedia of Agrophysics Jan Gliński, Józef Horabik, Jerzy Lipiec (eds.) Wiktor Pietrzyk, Prof. Marek Horyński, PhD. Lublin University of Technology Department of Computer and Electrical Engineering Nadbystrzycka Street 38A Lublin, Poland Tel.: Fax.:

2 ORGANIC DUSTS, ELECTROSTATIC PROPERTIES Synonimy Pyły Zanieczyszczenia pyłowe Dielektryki Definicje Pył. Frakcja cząstek ciała stałego zawartych w powietrzu. Dielektryk. Materiał nieprzewodzący prąd elektryczny. Przenikalność elektryczna. Wielkość fizyczna charakteryzująca właściwości elektryczne środowiska. Podatność dielektryczna. Bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca zdolność polaryzacji dielektryka. Tangens kąta stratności. Parametr opisujący straty w dielektryku dla składowej zmiennej sygnału. Miara wydajności przetwarzania energii mikrofalowej w energię termiczną. Wprowadzenie Materiały ziarniste i sypkie, których występowanie w przyrodzie jest powszechne są stosowane w wielu procesach przemysłowych. Określa się je pod względem fenomenologicznym lub strukturalnym. Pierwszy podział klasyfikuje je w grupie materiałów rozszerzalnych sprężysto-plastycznych, które mogą przenosić naprężenia mechaniczne, natomiast według drugiego są one substancją dwu- lub trzyfazową, której pory wewnątrz cząstek ciał stałych i zewnętrzne są wypełnione cieczą i gazem. Pyły to cząstki ciała stałego zawarte w powietrzu. Dzielą się na następujące klasy w zależności od wymiarów ziaren pyłu: - pyły o rozdrobnieniu makroskopowym o wymiarach ziaren 1 do 1000 mikrometrów, - pyły o rozdrobnieniu koloidalnym o wymiarach ziaren 0,001 do 1 mikrometra. W zależności od źródła pochodzenia pyłu lub formy jego występowania przyjęto podział na: - pyły dyspersyjne, tzn. powstałe wskutek mechanicznego rozdrabniania ciał stałych (np. pył węglowy przy kruszeniu i mieleniu węgla w zakładach energetycznych), - pyły kondensacyjne, powstałe wskutek skraplania się i zestalania par różnych substancji chemicznych (np. sadza). Występują one z zasady tylko w klasie o rozdrobnieniu koloidalnym. Ze względu na zachowanie pod wpływem grawitacji rozróżnia się: pył opadający, to znaczy ulegający sedymentacji, pył zawieszony, który nie ulega opadaniu. Ze względu na pochodzenie fazy rozproszonej pyły dzieli się na: nieorganiczne, mineralne (krzemionka, azbest, kreda, węgiel), metalowe (żelazo, ołów, miedź, chrom), organiczne,

3 roślinne (drzewny, bawełniany, mączny, kwiatowy, siana), zwierzęce (sierść, pierze starte naskórki, kopyta), pochodzenia chemicznego ( tworzywa sztuczne), mieszane (nieorganiczne i organiczne), zorganizowane ( drobnoustroje, zarodniki), radioaktywne. Pyły organiczne pochodzenia roślinnego i zwierzęcego stanowią ogromną rodzinę pyłów, których podstawową materią są cząstki różnego rodzaju roślin oraz różnych elementów zwierzęcych. Zwykle są to mieszaniny, w których obok cząstek roślinnych i zwierzęcych znajdują się cząstki nieorganiczne oraz liczna mikroflora i makroflora wraz z wytwarzanymi przez nie substancjami. Jest charakterystycznym wyróżnikiem tej rodziny pyłów. Zależność ta najsilniej uwidacznia się w pyłach rolniczych, w których o składzie decyduje różnorodność procesów roboczych i materiałów będących źródłem zapylenia, w tym również środków chemicznych wprowadzonych do produkcji, np. pestycydów i nawozów mineralnych, a także nakładanie się zanieczyszczeń pochodzących głównie z odpadów przemysłowych i spalin komunikacyjnych. Pyły te są zróżnicowane pod względem wymiarów zawartych w nich cząstek. Udział frakcji wyrażonej w liczbie cząstek o wymiarach < 5 µm, zawiera się w granicach 40 98%, a wyrażony w masie tych cząstek dochodzi do 60%. Ponadto można stwierdzić, że niemal we wszystkich pyłach organicznych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego występują drobnoustroje, a także endotoksyny. Obecność wolnej krzemionki stwierdza się w znacznej części tych pyłów. Największa zawartość SiO2 w pyle wdychanym, dochodząca do 60% zależnie od rodzaju gleby, występuje w fazie wytwarzania surowców roślinnych i ich pozyskiwania, a następnie spada poniżej 10% w dalszych etapach przetwarzania i najczęściej zanika w fazie produkcji finalnej. Składnik ten nie odgrywa istotnej roli w pyłach występujących w hodowli i procesach przetwarzania surowców zwierzęcych. Właściwości elektrostatyczne. Opisywane właściwości elektrostatyczne pyłów organicznych dotyczą właściwości fazy stałej układu dwufazowego: ciało stałe - powietrze. Wymiary ziaren pyłu są nieregularne i zawierają się w granicach μm. Właściwości elektrostatyczne pyłów organicznych są mało poznane. Należą one do grupy materiałów łatwopalnych i wybuchowych. Dlatego do ich wychwytywania używa się metod mechanicznych takich jak filtry tkaninowe, cyklony itp. Te metody wymagają jedynie znajomości rozkładu granulometrycznego pyłu. Dopiero opracowany niskonapięciowy elektrostatyczny filtr bifilarny wymagał znajomości właściwości elektrostatycznych pyłu. Pył organiczny przy wilgotności od 0 do 20% jest dielektrykiem. Podstawowe właściwości dielektryczne pyłu opisuje przenikalność elektryczna ε, która jest wielkością zespoloną: j (1) W tym wzorze jest nazywana składową rzeczywistą przenikalności elektrycznej, a składową urojoną przenikalności elektrycznej. Znajomość tych dwóch składowych pozwala na wyznaczenie tangensa kąta strat : -

4 tg (2) oraz przewodności elektrycznej dielektryka: (3) gdzie: 2 f (4) a f jest częstotliwością zmian napięcia. Źródłem pyłów organicznych spowodowanych działalnością człowieka są zakłady przemysłu spożywczego, w szczególności młyny, wytwórnie i mieszalnie pasz przetwarzające nasiona zbóż w różnorakich procesach technologicznych. Najczęściej stosowanym surowcem są nasiona pszenicy. Dlatego też jako przykład pyłu organicznego zbadano pył otrzymany z przemiału pszenicy ozimej odmiany Zawisza na laboratoryjnym młynku tarczowym. Rozkład granulometryczny dla trzech próbek pyłu uzyskanego z ziarna pszenicy, przesianych przez sita150 μm, 120 μm i 70 μm przedstawia rys. 1. Rys. 1. Rozkład granulometryczny dla trzech próbek pyłu uzyskanego z ziarna pszenicy Zawisza Wartości i przenikalności elektrycznej w funkcji częstotliwości przedstawiono na rys. 2 dla próbek luźno usypanych. W badaniach stwierdzono, że zagęszczenie pyłu ma niewielki wpływ na charakterystykę częstotliwościową zarówno dla części rzeczywistej i urojonej przenikalności elektrycznej.

5 Rys. 2. Zależność części rzeczywistych i urojonych zespolonej przenikalności elektrycznej ε próbek pozbawionych wilgotności o różnym składzie granulometrycznym w funkcji częstotliwości. Wartość części urojonej przenikalności elektrycznej jest mała w porównaniu z częścią rzeczywistą. W przypadku wilgotnych próbek (rys. 2) występuje nieznaczne zwiększenie wartości części rzeczywistych i urojonych dla próbek pyłu zagęszczonego w porównaniu z próbkami pyłu luźnego. Z wykresów na rys. 1 i 2 widać, że nie występują zjawiska relaksacyjne, nie stwierdzono bowiem znacznego wzrostu wraz ze spadkiem dla tej samej częstotliwości. Pozwala to na wyznaczenie elektrycznej konduktywności z pomiarów części urojonej (3). Zakres zmienności dla badanego pyłu zawiera się w granicach od 0,0 do 0,04 S m -1, przy czym wyższa wartość odnosi się do próbek wilgotnych. Przenikalność elektryczna pyłów organicznych silnie zależy od ich wilgotności i liniowo wzrasta z wilgotnością. Przykładowy przebieg przenikalności elektrycznej pozornej mierzonej metodą TDR (Time Domain Reflectometry) przedstawiono na rys. 3.

6 Rys. 3. Zależność pozornej przenikalności elektrycznej fazy stałej pyłu w funkcji wilgotności. Zwiększenie temperatury pyłu zmniejsza jego przenikalność elektryczną. Wpływ temperatury jest mniejszy od wpływu wilgotności. Wzrost gęstości pyłu powoduje wprost proporcjonalny wzrost przenikalności elektrycznej pyłu. Streszczenie Pyły organiczne powstają w środowisku naturalnym oraz w wyniku procesów technologicznych mających miejsce w zakładach przemysłu młynarskiego i paszowego. Cząsteczki pyłu pochodzenia roślinnego należą do dielektryków o słabej polaryzowalności, mają zróżnicowany kształt, często budowę niejednorodną oraz różną wielkość cząstek. Spotykany w przemyśle rolno-spożywczym i przyrodzie pył nie występuje w postaci cząstek tej samej wielkości, a zawiera zarówno cząstki duże, średnie, jak i małe. Zakwalifikowanie pyłu, jako gruboziarnisty lub drobnoziarnisty zależne jest od udziału cząstek danej wielkości, czyli składu ziarnowego pyłu. Bibliografia Marek Horyński Wiktor Pietrzyk Hlaváčová Z. 2005: Utilization of electric properties of granural and powdery materials. International Agrophysics Nelson, S. O Density-permittivity relationships for powdered and granular materials. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 54(5): Pietrzyk W., Modele ziarniaków zbóż stosowane w analizie elektrodynamicznej, Acta Agrofizyka, Lublin. PN-91/Z-04030/05: Ochrona czystości powietrza. Badania zawartości pyłu. Oznaczanie pyłu całkowitego na stanowiskach pracy metodą filtracyjno-wagową. PN-91/Z-04030/06: Ochrona czystości powietrza. Badania zawartości pyłu. Oznaczanie pyłu respirabilnego na stanowiskach pracy metodą filtracyjno-wagową.

7 PN-91/Z-04018/04: Ochrona czystości powietrza. Badania zawartości wolnej krystalicznej krzemionki. Oznaczanie wolnej krystalicznej krzemionki w pyle całkowitym i respirabilnym w obecności krzemianów na stanowiskach pracy metodą kolorymetryczną. Skierucha W., Wilczek A., Horyński M., Sumorek A., Determination of electromechanical properties of dusts obtained from cereal grain. Transaction of the ASABE. vol. 51(1), Pietrzyk W., Ścibisz M., Patent nr na wynalazek Filtr elektrostatyczny. Urząd Patentowy RP, Warszawa. Skierucha W., Wilczek A., Właściwości fizyczne pyłów technologicznych, str.9 22, Elektrofiltr bifilarny do usuwania pyłów pochodzenia roślinnego pod red. Pietrzyk W., Wyd. Naukowe FRNA, Komitet Agrofizyki PAN, Lublin Skierucha W., Wilczek A., Wpływ wilgotności na przenikalność dielektryczną pyłu, str.23 32, Elektrofiltr bifilarny do usuwania pyłów pochodzenia roślinnego pod red. Pietrzyk W., Wyd. Naukowe FRNA, Komitet Agrofizyki PAN, Lublin 2008.