Использование электрокинетических явлений в автономном генерировании электрической энергии при геологоразведке

Невозможность регулярного применения накопительных устройств при геологоразведке (аккумулятора, блока питания) делает актуальным использование возобновляемых источников энергии. В статье приведено теоретическое исследование электрокинетических явлений, заключающееся в том, что в дисперсных материалах диэлектрической природы на границах раздела твёрдый диспергированный диэлектрик — вода возникает двойной электрический слой, причиной возникновения которого являются полиненасыщенные связи на поверхности раздробленного диэлектрика, притягивающие молекулы воды из окружающего пространства. Толщина двойного электрического слоя составляет не более 3–5 диаметров молекулы воды. При наложении на эту систему внешнего электрического поля двойной электрический слой приходит в движение, увлекая за собой окружающую воду — происходит массоперенос воды в неподвижной пористой «диафрагме». Это явление создания гидравлического напора под действием электрического поля называют электроосмосом. Явление, обратное электроосмосу, называют осмо-ЭДС. Для оценки потенциальной возможности извлечения электрической энергии из водоносных пластов необходимо определить не только коллоидные характеристики дисперсной фазы мембраны, но и фильтрационные характеристики этого грунта. Для выбора электроэнергопроизводящего пласта, очевидно, необходимо задаваться электрической мощностью источника и необходимой ЭДС. Предложена схема электроосмотического генератора, с помощью которой можно получать разность потенциалов электрической энергии ЭДС для электропитания различных приборов геологической экспедиции в походных условиях. Полученные в процессе исследования результаты возможно применять в практических ситуациях, основываясь на данных, приведённых в таблицах, а также на выполненных расчётах.

Порсев Е. Г., Борзенков А. Н., Абрамов Е. Ю., Чернов А.А., Рожкова М. В. Использование электрокинетических явлений в автономном генерировании электрической энергии при геологоразведке // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 10-1. — С. 141—155. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_101_0_141.

Порсев Евгений Георгиевич¹ — доцент, e-mail: porsev@corp.nstu.ru, РИНЦ AutorId: 413591;
Борзенков Алексей Николаевич¹ — младший научный сотрудник,
Абрамов Евгений Юрьевич¹ — ассистент, e-mail: e.abramov@corp.nstu.ru, ORCID ID: 0000-0002-5013-3288;
Чернов Алексей Александрович¹ — младший научный сотрудник;
Рожкова Марина Викторовна¹ — старший преподаватель, e-mail: rozhkova@corp. nstu.ru, ORCID ID: 0000-0001-5039-2039;
¹ Новосибирский государственный технический университет.

Порсев Е. Г., e-mail: porsev@corp.nstu.ru.

1. Абрамов Б. И., Иванов А. Г., Шиленков В. А., Кузьмин И. К., Шевырев Ю. В. Электропривод современных шахтных подъёмных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 5–2. — С. 145–162. DOI: 10.25018/0236_1493_ 2022_52_0_145.

2. Рыжаков В. В., Холуденева А. О., Рыжаков М. В. Иследования корреляционных связей процессов электроосмоса и сопутствующих // Межотраслевой научно-технический журнал «Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России». — 2015. — № 3. — С. 41–43.

3. Серов А. Д., Аксенова И. В. Применение явления электроосмоса для предохранения от увлажнения конструкций исторических зданий при реконструкции и реставрации // Промышленное и гражданское строительство. — 2014. — № 6. — С. 54–57.

4. Письменская Н. Д., Никоненко В. В., Мельник Н. А., Пурселли Ж., Ларше К. Влияние характеристик границы ионообменная мембрана/раствор на массоперенос при интенсивных токовых режимах // Электрохимия. — 2012. — Т. 48 — № 6. — С. 677– 697.

5. Сологаев В. И. О применении электроосмоса при защите от подтопления земель // Вестник Омского ГАУ. — 2017. — Т. 27 — № 3. — С. 122–129.

6. Kholudeneva A. O. The study of the characteristics of electroosmotic porous waste dehydration subject to the influence of the physical model of osmosis and voltage dynamics // Journal of Advanced Research in Dynamical and Control Systems. 2018, vol. 10 (10), pp. 2142–2146.

7. Ryzhakov V. V., Holudeneva A. O. Drying processes of wet materials: Environmental problem and choice of the theoretical, circuitry and experimental directions of their solutions // International Journal of Applied Engineering Research. 2017, vol. 12 (14), pp. 4638–4643.

8. Pai M. Y., Siddhartha S. Effect of Building Orientation and Window Glazing on the Energy Consumption of HVAC System of an Office Building for Different Climate Zones // International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). 2015, vol. 4 (9), pp. 838–843. DOI: 10.17577/IJERTV4IS090754.

9. Ломизе Г. М., Нетушил А. В. Электроосмотическое водопонижение. — Москва; Ленинград: Госэнергоиздат, 1958. — 176 с.

10. Chan F. S., Tan C. K., Ratnayake P., Junaidi M. U. M., Liang Y. Y. Reduced-order modelling of concentration polarization with varying permeation: Analysis of electro-osmosis in membranes // Desalination. 2020, vol. 495, p. 13. DOI: 10.1016/j.desal.2020.114677.

11. Godinez-Brizuela O. E., Niasar V. J. Simultaneous pressure and electro-osmosis driven flow in charged porous media: pore-scale effects on mixing and dispersion // Journal of Colloid and Interface Science. 2019, vol. 561, pp. 162–172. DOI: 10.1016/j.jcis.2019.11.084.

12. Ratnayake P., Bao J. Actuation of spatially-varying boundary conditions for reduction of concentration polarisation in reverse osmosis channels // Computers & Chemical Engineering. 2017, vol. 98, pp. 31–49. DOI: 10.1016/j.compchemeng.2016.11.045.

13. Hideyuki S., Koshi U. Experimental demonstration of closing and opening motions of an elastic valve using induced charge electroosmosis in a flow // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021, vol. 628, p. 7. DOI.org/10.1016/j. colsurfa.2021.127334.

14. Ling J., Han B., Xie Y., Dong Q., Sun Y., Huang B. Laboratory and field study of electroosmosis dewatering for pavement subgrade soil // J. Cold Reg. Eng. 2017, vol. 31, Issue 4, https://doi.org/10.1061/(ASCE)CR.1943−5495.0000136.

15. Zhao X.-D., Liu Y., Gong W.-H. Analytical solution for one-dimensional electroosmotic consolidation of double–layered system // Computers and Geotechnics. 2020, vol. 122, p. 10. DOI:10.1016/j.compgeo.2020.103496.

16. Sorokova, S. N.; Efremenkov, E. A.; Valuev, D. V.; Qi, M. Review Models and Methods for Determining and Predicting the Reliability of Technical Systems and Transport. Mathematics 2023, 11, 3317. DOI: 10.3390/math11153317.

17. Zhang Y., Lian G., Dong C., Cai M., Song Z., Shi Y., Wei Z. Optimizing and understanding the pressurized vertical electro-osmotic dewatering of activated sludge // Process Safety and Environmental Protection. 2020, vol. 140, pp. 392–402. DOI: 10.1016/j. psep.2020.05.016

18. Zhuang Y. Large scale soft ground consolidation using electrokinetic geosynthetics // Geotextiles and Geomembranes. 2021, vol. 49(3), pp. 757–770. DOI:10.1016/j. geotexmem.2020.12.006.

19. Cao B., Zhang Y., Shi Y., Ren R., Wu H., Zhang W., Wang D., Zhang T., Xiong J. Extracellular organic matter (EOM) distribution characteristic in algae electro-dewatering process // Journal of Environmental Management. 2020, vol. 265, p. 9. DOI: 10.1016/j. jenvman.2020.110541.

20. Степаненко В. П. К вопросу повышения ресурсосбережения на автономных электростанциях в республике Саха (Якутия) // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 6. — С. 62–68. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0−62−68.

21. Martyushev N. V., Malozyomov B. V., Sorokova S. N., Efremenkov E. A., Qi, M. Mathematical Modeling of the State of the Battery of Cargo Electric Vehicles // Mathematics. 2023, vol. 11, p. 536. https://doi.org/10.3390/math11030536.

22. Khalikov I. H., Kukartsev V. A., Kukartsev V. V., Tynchenko V. S., Tynchenko Y. A., Qi M. Review of Methods for Improving the Energy Efficiency of Electrified Ground Transport by Optimizing Battery Consumption // Energies. 2023, vol. 16, p. 729. DOI: 10.3390/ en16020729.

23. Shchurov N. I., Dedov S. I., Malozyomov B. V., Shtang A. A., Klyuev R. V., Andriashin S. N. Degradation of Lithium-Ion Batteries in an Electric Transport Complex // Energies. 2021, vol. 14, p. 8072. https://doi.org/10.3390/en14238072.