المرسب الكهروستاتيكي

معظم أجهزة الترسيب الكهروستاتيكي المُستخدمة هي من النوع اللوحي. تُجمع الجسيمات على أسطح مستوية متوازية تفصل بينها  مسافة تتراوح بين 20 و30  سم، وذلك بواسطة سلسلة من أقطاب التفريغ الكهربائي موزعة على طول المحور المركزي للوحين المتجاورين. تمر الغازات الملوثة عبر الممر بين اللوحين، فتُشحن الجسيمات وتلتصق بألواح التجميع. تُزال الجسيمات المُجمعة عادةً بالنقر على الألواح وتُوضع في صناديق أو قواديس في قاعدة جهاز الترسيب.

يتكون جهاز الترسيب الأساسي من صف من الأسلاك الرأسية الرفيعة، يليه مجموعة من الصفائح المعدنية المسطحة الكبيرة الموجهة رأسياً، وتتراوح المسافة بين الصفائح عادةً من 1  سم إلى 18  سم، حسب التطبيق. يتدفق تيار الهواء أفقياً عبر الفراغات بين الأسلاك، ثم يمر عبر مجموعة الصفائح.

يُطبَّق جهد سالب مقداره عدة آلاف من الفولتات بين السلك والصفيحة. إذا كان الجهد المُطبَّق مرتفعًا بما يكفي، فإن التفريغ الكهربائي الهالي يُؤيِّن الهواء المحيط بالأقطاب الكهربائية، مما يؤدي بدوره إلى تأيين الجسيمات الموجودة في تيار الهواء.

تنحرف الجسيمات المتأينة، بفعل القوة الكهروستاتيكية ، نحو الألواح المؤرضة. تتراكم الجسيمات على ألواح التجميع وتُزال من تيار الهواء.

يتميز التصميم ثنائي المراحل (قسم شحن منفصل قبل قسم التجميع) بتقليل إنتاج الأوزون، ^{[ 6 ]} الذي قد يؤثر سلبًا على صحة العاملين في الأماكن المغلقة. في غرف محركات السفن حيث تُنتج علب التروس رذاذًا زيتيًا ، تُستخدم أجهزة الترسيب الكهروستاتيكي ثنائية المراحل لتنقية الهواء، مما يُحسّن بيئة التشغيل ويمنع تراكم رذاذ الزيت القابل للاشتعال. يُعاد الزيت المُجمّع إلى نظام تزييت التروس. ^{[ 7 ]}

تتكون المرسبات الأنبوبية من أقطاب تجميع أسطوانية مزودة بأقطاب تفريغ تقع على محور الأسطوانة. تتدفق الغازات الملوثة حول قطب التفريغ وتصعد عبر الجزء الداخلي من الأسطوانات. تُجمع الجسيمات المشحونة على الجدران المؤرضة للأسطوانة. يُزال الغبار المتجمع من قاع الأسطوانة.

تُستخدم المرسبات الأنبوبية غالبًا لجمع الضباب أو الرذاذ أو للمواد اللاصقة أو المشعة أو شديدة السمية.

تؤثر المقاومة على الظروف الكهربائية في طبقة الغبار من خلال تكوّن مجال كهربائي كامن (انخفاض الجهد) عبر الطبقة عندما تصل الجسيمات سالبة الشحنة إلى سطحها وتُسرّب شحناتها الكهربائية إلى لوحة التجميع. عند السطح المعدني للوحة التجميع المؤرضة كهربائيًا، يكون الجهد صفرًا، بينما عند السطح الخارجي لطبقة الغبار، حيث تصل الجسيمات والأيونات الجديدة، قد يكون الجهد الكهروستاتيكي الناتج عن أيونات الغاز مرتفعًا جدًا. وتعتمد شدة هذا المجال الكهربائي على مقاومة طبقة الغبار وسُمكها.

في طبقات الغبار ذات المقاومة العالية، لا يكون الغبار موصلاً جيداً للكهرباء، لذا يصعب على الشحنات الكهربائية المرور عبر طبقة الغبار. ونتيجة لذلك، تتراكم الشحنات الكهربائية على سطح طبقة الغبار وتحته، مما يُنشئ مجالاً كهربائياً قوياً.

قد تتجاوز الفولتية 10000 فولت. تلتصق جزيئات الغبار ذات المقاومة العالية باللوحة بقوة شديدة، مما يجعل إزالتها صعبة ويسبب مشاكل في الاحتجاز.

في طبقات الغبار ذات المقاومة المنخفضة، ينتقل تيار الهالة بسهولة إلى قطب التجميع المؤرض. ولذلك، يتولد مجال كهربائي ضعيف نسبيًا، يصل إلى عدة آلاف من الفولتات، عبر طبقة الغبار. لا تلتصق جزيئات الغبار المجمعة ذات المقاومة المنخفضة بقوة كافية بلوحة التجميع، فتُفصل بسهولة وتُحتجز في تيار الغاز.

تعتمد الموصلية الكهربائية لطبقة من الجسيمات على عوامل السطح والحجم. ويعتمد التوصيل الحجمي، أو حركة الشحنات الكهربائية داخل الجسيمات، بشكل أساسي على تركيب الجسيمات ودرجة حرارتها. في درجات الحرارة المرتفعة، فوق 260 درجة مئوية (500 درجة فهرنهايت) ، يتحكم التوصيل الحجمي في آلية التوصيل. كما يشمل التوصيل الحجمي عوامل أخرى، مثل انضغاط طبقة الجسيمات، وحجم الجسيمات وشكلها، وخصائص سطحها.  

يُمثَّل التوصيل الحجمي في الأشكال بخط مستقيم عند درجات حرارة أعلى من 260 درجة مئوية (500 درجة فهرنهايت) . عند درجات حرارة أقل من 230 درجة مئوية (450 درجة فهرنهايت) تقريبًا ، تبدأ الشحنات الكهربائية بالتدفق عبر الرطوبة السطحية والأغشية الكيميائية الممتصة على الجسيمات. ويبدأ التوصيل السطحي بخفض قيم المقاومة الكهربائية وانحناء المنحنى نحو الأسفل عند درجات حرارة أقل من 260 درجة مئوية (500 درجة فهرنهايت) .      

تختلف هذه الأغشية عادةً فيزيائيًا وكيميائيًا عن باطن الجسيمات نتيجةً لظواهر الامتزاز. وتشير الحسابات النظرية إلى أن أغشية الرطوبة التي لا يتجاوز سمكها بضع جزيئات كافية لتوفير الموصلية السطحية المطلوبة. يرتبط التوصيل السطحي على الجسيمات ارتباطًا وثيقًا بتيارات التسرب السطحي التي تحدث على العوازل الكهربائية، والتي خضعت لدراسات مستفيضة. ^{[ 8 ]} ومن التطبيقات العملية المهمة للتسرب السطحي تحديد نقطة الندى عن طريق قياس التيار بين قطبين كهربائيين متجاورين مثبتين على سطح زجاجي. يشير الارتفاع الحاد في التيار إلى تكوّن غشاء رطوبة على الزجاج. وقد استُخدمت هذه الطريقة بفعالية لتحديد الارتفاع الملحوظ في نقطة الندى، والذي يحدث عند إضافة كميات صغيرة من بخار حمض الكبريتيك إلى الجو (تتوفر أجهزة قياس نقطة الندى التجارية في الأسواق).

ينطبق النقاش التالي حول المقاومة العادية والعالية والمنخفضة على المرسبات الكهروستاتيكية التي تعمل في حالة جافة؛ أما المقاومة فلا تُشكل مشكلة في تشغيل المرسبات الكهروستاتيكية الرطبة نظرًا لتركيز الرطوبة فيها. وسيتم شرح العلاقة بين محتوى الرطوبة والمقاومة لاحقًا في هذه الدراسة.

كما ذُكر سابقًا، تعمل المرسبات الكهروستاتيكية بكفاءة عالية في ظل ظروف المقاومة الكهربائية الطبيعية. لا تفقد الجسيمات ذات المقاومة الكهربائية الطبيعية شحنتها بسرعة عند وصولها إلى قطب التجميع، بل تتسرب شحنتها ببطء إلى الألواح المؤرضة، حيث تبقى ملتصقة بها بفعل قوى التماسك والالتصاق بين الجزيئات. يسمح هذا بتكوين طبقة من الجسيمات، ثم إزالتها من الألواح بالطرق الخفيف. ضمن نطاق المقاومة الكهربائية الطبيعية للغبار (بين 10⁷ ^و 2 × ^10¹⁰ أوم-سم)، يُجمع الرماد المتطاير بسهولة أكبر من الغبار ذي المقاومة الكهربائية المنخفضة أو العالية.

إذا زاد انخفاض الجهد عبر طبقة الغبار عن الحد المسموح به، فقد تحدث عدة آثار سلبية. أولًا، يؤدي انخفاض الجهد العالي إلى تقليل فرق الجهد بين قطب التفريغ وقطب التجميع، وبالتالي تقليل شدة المجال الكهروستاتيكي اللازم لدفع الجسيمات المشحونة بأيونات الغاز إلى طبقة الغبار المجمعة. ومع تراكم طبقة الغبار وتراكم الشحنات الكهربائية على سطحها، ينخفض ​​فرق الجهد بين قطبي التفريغ والتجميع. وتتأثر سرعات هجرة الجسيمات الصغيرة بشكل خاص بانخفاض شدة المجال الكهربائي.

مشكلة أخرى تحدث مع طبقات الغبار ذات المقاومة العالية تُسمى التفريغ الهالي العكسي. يحدث هذا عندما يكون فرق الجهد عبر طبقة الغبار كبيرًا جدًا لدرجة أن التفريغات الهالية تبدأ بالظهور في الغاز المحصور داخلها. تنهار طبقة الغبار كهربائيًا، مُنتجةً ثقوبًا أو حفرًا صغيرة تنطلق منها التفريغات الهالية العكسية. تتولد أيونات غازية موجبة داخل طبقة الغبار وتتسارع نحو قطب التفريغ "السالب الشحنة". تُقلل الأيونات الموجبة بعض الشحنات السالبة على طبقة الغبار وتُعادل بعض الأيونات السالبة على "الجسيمات المشحونة" المتجهة نحو قطب التجميع. تُقلل اضطرابات عملية التفريغ الهالي الطبيعية بشكل كبير من كفاءة تجميع المرسب الكهروستاتيكي، والتي قد تنخفض في الحالات الشديدة إلى أقل من 50%. عند حدوث التفريغ الهالي العكسي، تتراكم جزيئات الغبار على الأقطاب مُشكلةً طبقة عازلة. غالبًا لا يُمكن إصلاح ذلك إلا بإيقاف تشغيل الوحدة.

المشكلة الثالثة، والأكثر شيوعًا عمومًا، مع الغبار ذي المقاومة العالية هي زيادة الشرارات الكهربائية. عندما يتجاوز معدل الشرارات "الحد الأقصى المحدد لمعدل الشرارات"، تحد أجهزة التحكم الآلية من جهد تشغيل المجال. يؤدي هذا إلى انخفاض شحن الجسيمات وانخفاض سرعات انتقالها نحو قطب التجميع. يمكن عمومًا تقليل المقاومة العالية باتباع ما يلي:

• ضبط درجة الحرارة؛
• زيادة نسبة الرطوبة؛
• إضافة عوامل التكييف إلى تيار الغاز؛
• زيادة مساحة سطح التجميع؛ و
• استخدام أجهزة الترسيب ذات الجانب الساخن (أحيانًا ومع العلم المسبق بنضوب الصوديوم).

تُهيئ طبقات الغبار الرقيقة والغبار ذو المقاومة العالية بيئةً مثاليةً لتكوّن فوهات التفريغ العكسي. وقد لوحظ تفريغ عكسي شديد مع طبقات غبار لا تتجاوز سماكتها 0.1  مم، إلا أن طبقة غبار بسماكة جسيم واحد فقط قادرة على خفض جهد الشرارة بنسبة 50%. وتتمثل أبرز آثار التفريغ العكسي على خصائص التيار-الجهد فيما يلي:

1. انخفاض الجهد الزائد للشرارة بنسبة تصل إلى 50% أو أكثر؛
2. القفزات أو الانقطاعات الحالية الناتجة عن تكوين فوهات خلفية مستقرة؛ و
3. زيادة كبيرة في الحد الأقصى لتيار الهالة، والذي قد يكون أعلى من تيار الشرارة فوق فجوة الهالة بعدة مرات من التيار الطبيعي.

يوضح الشكل أدناه وعلى اليسار تغير المقاومة الكهربائية مع تغير درجة حرارة الغاز لستة أنواع مختلفة من الغبار الصناعي، بالإضافة إلى ثلاثة أنواع من رماد الفحم المتطاير. أما الشكل على اليمين فيوضح قيم المقاومة الكهربائية المقاسة لمركبات كيميائية مختلفة تم تحضيرها في المختبر.

تم الحصول على نتائج رماد الفحم المتطاير (أ) (في الشكل على اليسار) في وضعية رفع درجة الحرارة. وتُعد هذه البيانات نموذجية لرماد يحتوي على نسبة متوسطة إلى عالية من المواد القابلة للاحتراق. أما بيانات رماد الفحم المتطاير (ب) فهي من نفس العينة، وتم الحصول عليها في وضعية خفض درجة الحرارة.

يعود الاختلاف بين نمطي رفع وخفض درجة الحرارة إلى وجود مواد قابلة للاحتراق غير محترقة في العينة. بين نمطي الاختبار، تُترك العينات لتتوازن حراريًا في هواء جاف لمدة 14 ساعة (طوال الليل) عند درجة حرارة 450 درجة مئوية (850 درجة فهرنهايت) . تزيل عملية التلدين هذه، التي تستغرق ليلة كاملة، عادةً ما بين 60% و90% من أي مواد قابلة للاحتراق غير محترقة موجودة في العينات. لا يزال فهم آلية عمل الكربون كناقل للشحنة غير مكتمل، ولكن من المعروف أنه يقلل بشكل ملحوظ من مقاومة الغبار.  

قد يتصرف الكربون، في البداية، كغبار ذي مقاومة عالية في جهاز الترسيب. وقد يتطلب بدء توليد التفريغ الهالي جهدًا كهربائيًا أعلى. ويمكن أن يُشكل هذا الجهد العالي مشكلةً لأجهزة التحكم TR-Set. تكمن المشكلة في أن بدء التفريغ الهالي يتسبب في تدفق كميات كبيرة من التيار عبر طبقة الغبار (ذات المقاومة المنخفضة). تستشعر أجهزة التحكم هذا التدفق على شكل شرارة. عند تشغيل أجهزة الترسيب في وضع الحد من الشرارة، يتم قطع التيار الكهربائي، وتبدأ دورة توليد التفريغ الهالي من جديد. وبالتالي، تُسجل قراءات طاقة (تيار) منخفضة مع قراءات جهد عالية نسبيًا.

يُعتقد أن الأمر نفسه يحدث في القياسات المختبرية. تُستخدم هندسة الألواح المتوازية في القياسات المختبرية دون توليد هالة كهربائية. يُثبّت العينة في كوب من الفولاذ المقاوم للصدأ، ويوضع فوقه ثقل قطب كهربائي آخر من الفولاذ المقاوم للصدأ (متصل مباشرة بطبقة الغبار). عند زيادة الجهد تدريجيًا (مثلًا 20 فولت)، لا يُقاس أي تيار. ثم يُبلغ الجهد مستوى عتبة معينًا، وعند هذا المستوى، يندفع التيار عبر العينة بقوة كبيرة لدرجة قد تؤدي إلى فصل وحدة تزويد الجهد. بعد إزالة المواد القابلة للاحتراق غير المحترقة خلال عملية التلدين المذكورة آنفًا، يُظهر منحنى انخفاض درجة الحرارة شكل حرف "V" مقلوبًا نموذجيًا كما هو متوقع.

يصعب جمع الجسيمات ذات المقاومة المنخفضة لأنها تُشحن بسهولة (موصلة للغاية) وتفقد شحنتها بسرعة عند وصولها إلى قطب التجميع. تكتسب الجسيمات شحنة قطب التجميع، وترتد عن الألواح، ثم تعود لتندمج في تيار الغاز. وبالتالي، تغيب قوى التجاذب والتنافر الكهربائية التي تعمل عادةً عند المقاومات العادية والأعلى، وتتضاءل قوى الالتصاق باللوح بشكل ملحوظ. ومن أمثلة الغبار ذي المقاومة المنخفضة الكربون غير المحترق في الرماد المتطاير والكربون الأسود.

إذا كانت هذه الجسيمات الموصلة خشنة، فيمكن إزالتها في اتجاه مجرى جهاز الترسيب باستخدام جهاز مثل جامع ميكانيكي إعصاري .

إضافة الأمونيا السائلة ( NH3)₃ ) وقد وجد استخدام الأمونيا في تيار الغاز كعامل تكييف استخدامًا واسعًا في السنوات الأخيرة. ويُفترض أن الأمونيا تتفاعل معالهيدروجين.₂ SO_{يحتوي غاز المداخن على 4} مركبات تُشكّل مركب كبريتات الأمونيوم الذي يزيد من تماسك الغبار. ويعوض هذا التماسك الإضافي فقدان قوى التجاذب الكهربائي.

يلخص الجدول أدناه الخصائص المرتبطة بالغبار ذي المقاومة المنخفضة والعادية والعالية.

يؤثر محتوى الرطوبة في تيار غازات الاحتراق أيضًا على مقاومة الجسيمات. فزيادة محتوى الرطوبة في تيار الغاز عن طريق رش الماء أو حقن البخار في مجاري الهواء قبل المرسب الكهروستاتيكي (ESP) تُقلل من المقاومة. في كلتا الحالتين، سواءً في ضبط درجة الحرارة أو التحكم في الرطوبة، يجب الحفاظ على ظروف الغاز أعلى من نقطة الندى لمنع مشاكل التآكل في المرسب الكهروستاتيكي أو المعدات اللاحقة. يوضح الشكل على اليمين تأثير درجة الحرارة والرطوبة على مقاومة غبار الأسمنت. فمع زيادة نسبة الرطوبة في تيار الغاز من 6% إلى 20%، تنخفض مقاومة الغبار بشكل ملحوظ. كما أن رفع أو خفض درجة الحرارة يُمكن أن يُقلل من مقاومة غبار الأسمنت لجميع نسب الرطوبة الموضحة.

وجود ثاني أكسيد الكبريتأظهرت الدراسات أن وجود ₃ في تيار الغاز يُفضّل عملية الترسيب الكهروستاتيكي عند حدوث مشاكل تتعلق بالمقاومة العالية. يتحول معظم محتوى الكبريت في الفحم المحترق لمصادر الاحتراق إلى ثاني أكسيد الكبريت._2. ومع ذلك، يتحول ما يقرب من 1% من الكبريت إلىثاني أكسيد الكبريت_3. كميةثاني أكسيد الكبريت_{يزداد تركيز 3} في غازات المداخن عادةً مع ازدياد محتوى الكبريت في الفحم. بينما تنخفض مقاومة الجسيمات مع ازدياد محتوى الكبريت في الفحم.

استُخدمت عوامل معالجة أخرى، مثل حمض الكبريتيك والأمونيا وكلوريد الصوديوم وكربونات الصوديوم (وأحيانًا على شكل ترونا خام)، لتقليل مقاومة الجسيمات. لذا، يُعد التركيب الكيميائي لتيار غازات المداخن مهمًا فيما يتعلق بمقاومة الجسيمات المراد تجميعها في المرسب الكهروستاتيكي. يوضح الجدول أدناه عوامل المعالجة المختلفة وآليات عملها.

إذا تم حقن كبريتات الأمونيوم عند درجة حرارة أعلى من 320 درجة مئوية (600 درجة فهرنهايت) ، فسينتج عن ذلك تفككها إلى أمونيا وثالث أكسيد الكبريت. وبحسب نوع الرماد، فإن SO  _{قد يتفاعل المركب 2} بشكل تفضيلي مع الرماد المتطاير على شكلSO_3- التكييف. يتحد المتبقي مع الأمونيا لإضافة شحنة الفضاء وكذلك زيادة تماسك الرماد.

في الآونة الأخيرة، تبيّن أن أحد الأسباب الرئيسية لانخفاض كفاءة المرسب الكهروستاتيكي هو تراكم الجسيمات على أسلاك الشحن بالإضافة إلى ألواح التجميع (ديفيدسون وماكيني، 1998). ويمكن معالجة ذلك بسهولة من خلال التأكد من تنظيف الأسلاك نفسها في الوقت نفسه الذي تُنظف فيه ألواح التجميع. ^{[ 9 ]}

بخار حمض الكبريتيك ( SO₃ ) يعزز تأثير بخار الماء على التوصيل السطحي. إذ يُمتص فيزيائيًا ضمن طبقة الرطوبة على أسطح الجسيمات. ويمكن ملاحظة تأثير كميات صغيرة نسبيًا من بخار الحمض في الشكل أدناه وإلى اليمين.

تبلغ المقاومة النوعية الذاتية للعينة عند درجة حرارة 150 درجة مئوية (300 درجة فهرنهايت) 5 × ^10¹² أوم-سم. ويؤدي تركيز التوازن البالغ 1.9 جزء في المليون من بخار حمض الكبريتيك إلى خفض هذه القيمة إلى حوالي 7 × 10⁹ ^أوم -سم.