Использование подогретой или холодной воды для фильтрации. С увеличением температуры воды возрастает энергия движения частиц, а следовательно, растворимость всех веществ, кроме газов, процент диссоциировавших молекул, а так же парциональное давление над поверхностью воды. Вместе с тем увеличивается и процент частиц летучих примесей, удоляющихся с поверхности воды в атмосферу. Поэтому именно прохладная вода (с температурой от 0 до 35 ºС) способна удерживать в себе летучие органические соединения. Это условие позволяет задерживать и накапливать разного рода вещества, и выделять их для дальнейшего применения.
Выше были рассмотрены зависимости степени очистки газов при пропускании через воду в случаях, когда температура газов и воды примерно одинакова. Однако на практике распространены случаи (опять же кальян), когда в воду поступают газы разогретые до температуры ее кипения. В этом случае пузырек воздуха может не только не увеличиваться по мере подъема к поверхности, но и наоборот, уменьшаться! Имеет значение как глубина подъема, так и диаметр пузырька. Чем больше глубина, тем дольше будет подниматься, тем сильнее сможет остыть и отчиститься за время подъема. С другой стороны, чем меньше диаметр пузырька, тем скорее он будет остывать, тем сильнее изменяется его объем за время подъема. Чем больше температура пузыря, тем меньше в нем частиц, и тем сильнее он сожмется за счет охлаждения. Разумеется, кинетическая энергия разогретого газа выше, чем у охлажденного, следовательно, возрастает роль коэффициента диффузии из воздушной в газовую среду. Имеет значение и температура самой воды. Чем ниже температура, тем выше растворимость газов, но ниже растворимость негазообразных веществ. К тому же, с понижением температуры воды, падает и способность диссоциации молекул. Таким образом, может быть существенно снижена растворимость компонентов, растворимых в кислотах и других соединениях. Понижение температуры жидкости способствует конденсации паров, находящихся в пузырьке. Это означает большую степень очистки растворимых жидкостей, но меньшую от газов, так как энергия их молекул и коэффициент диффузии падают при уменьшении температуры.
Ранее рассматривались случаи, когда пузырек поднимается вертикально, отделившись от поверхности трубки. И именно высота столба воды считалась путем, пройденным пузырьком, которая и подставлялось во все формулы. Однако, увеличение водяного столба приводит к увеличению давления, что не всегда желательно. Большее давление подразумевает увеличение плотности воздуха в пузырьках, а так же требует более высокой мощности устройства. Как уже отмечалось выше, давление внутри пузырька можно снизить, откачивая газ над поверхностью, то есть, разряжая его и уменьшая давление, оказываемое на жидкость сверху. Есть возможность увеличить путь пузырька не увеличивая давление, – просто заставить пузырек подниматься вдоль наклонной плоскости. Однако в этом случае на скорость подъема влияет сила трения. То есть, двигаться вдоль направляющей плоскости пузырек будет лишь по достижении определенного диаметра. При этом, для начала движения требуется тем больший диаметр пузырька, чем больше угол отличается от 90 º. Кроме того, за счет соприкосновения с плоскостью, частично уменьшается поверхность раздела между водой и газом, изменяется характер перемешивания слоев. В ряде случаев могут образовываться пузырьковые «пробки», приводящие к слиянию пузырьков. Так же проблемой является образование пузырьков изначально растворенных в воде газов, в частности чистого воздуха, на стенках сосуда. Слияние фильтруемого пузыря с обычным приводит к увеличению диаметра и разбавлению примесей. А как было сказано выше, эффективность очистки тем эффективнее, чем больше концентрация примесей. Самый значительный рост пузырька происходит при его подъеме по трубке, загнутой в спираль. В этом случае пузырек не только испытывает силу трения при контакте с поверхностью трубки, но и вынужден изменять направление в горизонтальной плоскости, при этом сильно возрастает сопротивление движению за счет вязкости воды.
5.3 Взаимная растворимость компонентов
Следует отметить, что прогнозирование растворимости тех или иных компонентов дыма в воде ограничивается сложностью протекающих процессов взаимодействия всех веществ, которые уже в ней растворены. Так, кислотные оксиды при попадании в воду подвергаются гидратации и последующей диссоциации. В результате, кислотный остаток и ион водорода находятся в определенном равновесии. Растворение же аммиака в воде приводит к образованию гидроксида аммония («нашатырного спирта»). Как и всякий гидроксид, он взаимодействует с растворами кислот, образуя соли аммония. Однако, все соли аммония так же хорошо растворимы в воде, поэтому тут же диссоциируют, не приводя к какому-либо изменению химического состава. В обычных условиях гидроксид аммония легко разлагается на аммиак и воду. Но в этом случае, кислотные остатки, способствуют накоплению и удерживанию иона аммония в жидкости.
Растворимость твердого вещества в воде всегда ограничена и редко превышает 50% по массе. Многие твердые вещества органического происхождения лишь на сотые доли процента растворимы даже в горячей воде. Растворимость жидких при комнатной температуре веществ (спирты, альдегиды, карбоновые кислоты) обычно определяется смешиваемостью. Для растворения одной жидкости в другой обычно требуется, чтобы их вязкости были примерно одинаковы. Сильно различающиеся по вязкости жидкости обычно плавают одна поверх другой, хотя возможно частичное взаимопроникновение. Жидкости с примерно одинаковой вязкостью фактически неограниченно растворимы друг в друге. В данном случае не идет речи о диссоциации этих жидкостей друг в друге, так как она связана с диэлектрической проницаемостью обоих веществ. Обычно, вязкость связана с молекулярной массой вещества. В частности, для углеводородов вязкость связана с количеством звеньев в цепи и конфигурацией молекул изомеров. Однако, многие нерастворимые в воде вещества растворимы в спиртах, кислотах и других потенциальных растворителях. Поэтому присутствие в воде кислот, спиртов и т.д. обычно способствует растворению некоторых нерастворимых в чистой воде веществ. Обычно, в водном дистилляте продуктов горения присутствуют фактически все классы органических веществ.
Так, древесный дым содержит не менее 100 относительно концентрированных компонентов, сочетая в себе альдегиды, карбоновые и аминокислоты, ароматические углеводороды, кетоны и т.д. Взаимная растворимость всех этих компонентов трудно определима. Тем не менее, есть 2 производственных процесса, проливающих свет на взаимную растворимость компонентов дыма. Это – пиролиз (сухая возгонка) – разложение без доступа кислорода древесины, и производство коптильных препаратов на основе дыма.
Так, коптильный ароматизатор «Жидкий дым», получаемый методом водной абсорбции продуктов горения, представляет собой прозрачную жидкость от светло-желтого до светло-коричневого цвета в зависимости от концентрации и характеризуется следующим составом:
– кислоты 1–40 г./кг
– фенолы 2–10 г./кг,
– карбонильные соединения 4,5–30,0 Моль/100 л,
– метанол 3 г/кг;
содержание токсичных элементов, не более:
– свинец – 1х10-3 г/кг,
– мышьяк – 0,2х10-3 г/кг,
– кадмий – 0,1х10-3 г/кг,
– ртуть – 0,1х10-3 г/кг,
– бенз(а) пирен – не более 5х10-8 г/кг.
Коптильные препараты получают при горении древесины, то есть, большая часть компонентов окисляется до оксидов углерода, и лишь некоторая доля проходит через воду. Как видно из приведенных данных, данный коптильный препарат не является насыщенным, то есть, можно считать, что концентрация одних компонентов не влияет на растворимость других. Следовательно, растворимость примерно иллюстрирует средний составы проходящего через воду дыма.
При пиролизе же (возгонка без доступа кислорода) ситуация несколько иная. Вещество подвергается термическому разложению окисляясь лишь за счет кислорода, присутствующего в самом веществе. При этом происходит образование воды, которая до предела насыщается растворимыми в ней веществами. Следовательно, данный материал гораздо полнее отражает процессы фильтрации водой дымовых потоков, чем кальян и копчение.
В процессе пиролиза получают компоненты в 3 состояниях: 24–25% древесного угля, 50–55% жидких и 22–23% газообразных продуктов.
| Уголь 24 – 25% | Жижка 50 – 55% | Растворимость чистых веществ в воде | Газы 22 – 23% |
| вода 67 – 81% | 100% | СО2 (по объему) 43 – 46% | |
| Оставшаяся | смола 7 – 10% | СО 29 – 33% | |
| пористая | растворимая древесная смола 4,5 – 14% | Н2 1,9 – 2,3% | |
| твердая | уксусная кислота и ее гомологи 6 -9% | неограниченно | Непредельные углеводороды 2,2 – 3,7% |
| фаза | метанол 2,5 – 4,5% | неограниченно | Предельные углеводороды 17 – 22% |
| соединений разных классов (альдегидов, кетонов, сложных эфиров и т.д.) 5 – 6% |
В данной таблице приведены весьма общие сведения по наиболее часто встречающимся группам компонентов. По всей видимости, растворимость продуктов при пиролизе является наиболее близкой к предельной, и наилучшим способом раскрывает протекающие при фильтрации через воду процессы. Жидкий дистиллят (жижка), при отстаивании разделяется на два слоя: верхний водный слой, называемый подсмольной водой, и смоляной слой, называемый отстойной, или осадочной смолой. Подсмольная вода, или отстоявшаяся жижка, содержит водорастворимые продукты разложения древесины. В составе этой жижки найдены разнообразные органические соединения, в том числе различные кислоты жирного ряда (муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, валериановая и др.), спирты (главным образом метиловый), сложные эфиры (метилацетат, этилацетат и др.), – кетоны (ацетон, метилэтилкетон), альдегиды (муравьиный, уксусный, фурфурол и др.). В отстоявшейся жижке содержатся также нелетучие смолистые вещества, называемые растворимой смолой. При перегонке отстоявшейся жижки эти вещества дают смолистый остаток, поэтому их называют также кубовой смолой.