ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2007, том 81, № 7, с. 1339-1341
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 62-555+534.23:536.755:541.13
РАЗРЯД МЕДНО-МАГНИЕВОГО ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА В СЛАБОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
© 2007 г. А. А. Колесников, Я. В. Зарембо, В. И. Зарембо
Санкт-Петербугский государственный технологический институт (технический университет)
E-mail: wisekaa@bk.ru Поступила в редакцию 01.02.2006 г.
Представлены экспериментальные данные по исследованию влияния слабых периодических электромагнитных импульсов с частотой следования 250 кГц на процесс разряда медно-магниевого гальванического элемента. Приведены сравнительные результаты изменения показателей электрохимического процесса, данные растровой электронной микроскопии продуктов электродных реакций.
В ходе неравновесного стационарного разряда на фоне слабых электромагнитных импульсов обнаружены модификации кинетических процессов и твердых продуктов восстановления медно-магние-вого гальванического элемента, относящегося к типу резервных химических источников тока (ХИТ) с водно-солевой активацией М§|№С1, Н20|СиС1 и применяемого в качестве аварийного источника электропитания [1].
Этот ХИТ, имеющий теоретическую ЭДС, равную 2.51 В, показывает реальное напряжение на оптимальной нагрузке от 1.2 до 1.5 В [1]. Элемент в активированном состоянии характеризуется значительным саморазрядом, нарастающим с увеличением тока нагрузки и температуры (отрицательный дифферент-эффект), что не позволяет реализовать высокие энергетические возможности магниевого анода. Аналогично вследствие саморазряда хлоридно-медного анода (особенно в морской воде) коэффициент его использования не превышает 70%.
В серии экспериментов использовалась гальванически изолированная от электролита ХИТ короткозамкнутая петля магнитного диполя - нагрузки генератора импульсов электрического тока (ИТ) полной мощностью 10 ВА. Мощность электромагнитного поля, отдаваемая генератором в окружающую среду, исчезающе мала в сравнении с тепловыми потоками - милливатты.
Для получения сопоставимых данных изготавливались идентичные ХИТ с использованием пористого анода из магниевого сплава МА-2 габаритной площадью 1.00 ± 0.01 дм2. Катод равной площади формировался термическим впеканием медной контактной сетки в расплав хлорида меди (I) массой т = 0.250 ± 0.001 кг. Межэлектродный зазор (5 мм) заполнялся водным раствором хлорида натрия (3 мас. %). Измерения проводились в условиях термостатирования Т = 293 ± 1 К при замыкании электродов на внешний резистор сопро-
тивлением Я = 6.2 ± 0.4 Ом с мониторингом во времени разрядного тока I.
Фоновое (назовем так действие импульсного электрического тока) управление работой ХИТ осуществлялось погружением в электролит электрически и химически изолированной фторопластом петли-антенны от генератора ИТ с экспериментально найденной частотой следования 250 кГц. Аналогичное действие производится посредником - твердотельным медиатором (диэлектрическим или проводящим), жестко примыкающим и к антенне, и к зоне влияния. А вот через воздух даже вблизи ХИТ поле не действует никак. Не действует и электрический диполь, подключенный к тому же генератору даже при его механическом контакте с ХИТ.
На рис. 1 представлены экспериментальные графики мониторинга разряда ХИТ в обычном
j, A/дм2
^ т[ч]
Рис. 1. Разрядные характеристики медно-магниевых ХИТ в различных режимах работы; 1 - контроль, 2 -фон 250 кГц.
1340
КОЛЕСНИКОВ и др.
Сравнительные разрядные характеристики медно-магниевых ХИТ в управляемом (У) и контрольном (К) режимах работы
Режим т, ч I ± 0.01, А и, В п, % с ± 8, А ч/кг w, Вт ч/кг
К 169 0.20 1.24 ± 0.15 49 ± 8 135 168 ± 30
У 169 0.30 1.86 ± 0.19 74 ± 9 203 380 ± 60
(контрольном) и управляемом режимах. Оба режима характеризуются стабильностью разрядного тока в стационарной области, но отдача управляемого гальванического элемента при одинаковой длительности стационарной работы оказывается в 1.5 раза больше.
Данные экспериментов позволяют сделать сравнительные оценки эффективности работы медно-магниевых ХИТ в управляемом и контрольном режимах. В таблице приведены усредненные параметры разряда одинаковых элементов за неделю непрерывной работы (т) - до полного истощения окислителя (СиС1). КПД ХИТ (п) определялся как отношение стационарного напряжения на нагрузочном резисторе и = 1Я к теоретической (равновесной) ЭДС, равной 2.51 В. Удельная емкость ХИТ (с) - это интеграл разрядного тока (площадь под кривой 1(¿) на рис. 1), отнесенный к первоначальной массе хлорида меди. Удельная (по окислителю) энергия ХИТ (м?) - это РЯт/т в стационарном режиме.
Усредненные данные разрядных характеристик этого ХИТ показали возрастание напряжения, стационарного тока, КПД и удельной емкости ХИТ в фоновом режиме на 50% по сравнению с контрольными значениями, что дает оценку увеличения нагрузочной мощности и удельной энергии ХИТ на 125%. Сравнение теоретической удельной емкости хлоридно-медного электрода (270 А ч/кг [1]) с данными таблицы показывает 50 и 75% эффективности расходования активной массы окислителя соответственно в контрольном и управляемом режимах.
На рис. 2 представлены данные растровой электронной микроскопии характерных участков кристаллов катодной меди после ее отделения от сепаратора и кислотной промывки. На фотограммах меди, полученной в фоновом режиме (справа), отчетливо наблюдается более однородная поверхность без дендритов и выраженной нуклеации.
Еще одна особенность поведения гальванического элемента в фоновом режиме разряда требует отдельного анализа. Если после выхода фонового разряда на стационарный участок (рис. 1) прекратить подачу электромагнитных импульсов, параметры работы ХИТ сохраняются до полного истощения активной массы, а структура восстановленной меди остается такой же регулярной, как и при электрокристаллизации в режиме фона. Эта "оперативная" - кинетическая - память проявляется исключительно в неравновесных условиях разряда ХИТ: никакие попытки предварительной
Рис. 2. Кристаллы меди, образовавшейся на катоде медно-магниевого ХИТ в контрольном (слева) и фоновом (справа) режимах разряда. Увеличение х100 (вверху) и Х2000 (внизу). Снимки сделаны на растровом электронном микроскопе ШОЬ 18М-35С.
ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ том 81 № 7 2007
РАЗРЯД МЕДНО-МАГНИЕВОГО ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА
1341
фоновой активации гальванического элемента (при разомкнутой цепи нагрузки) не дают аналогичного или иного результата.
В заключение следует отметить, что различные по характеру и воспроизводимые в идентичных условиях фоновые отклики мы наблюдали в других неравновесных процессах в открытых дис-сипативных системах [2-5], так что электрохимические эффекты не стали неожиданными. Потребовался лишь экспериментальный подбор рабочих характеристик генератора фона по критериям желаемых параметров процесса и свойств продуктов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Варыпаев ВН., Дасоян М.А., Никольский В.А. Химические источники тока. М.: Высш. школа, 1990. 240 с.
2. Киселева О.Л, Колесников А.А., Зарембо ВН. и др. // Хим. пром-сть. 2003. Т. 80. № 5. С. 12.
3. Зарембо ВН., Киселева О.Л., Колесников А.А. и др. // Неорган. материалы. 2004. Т. 40. № 1. С. 96.
4. Зарембо В Н., Колесников А.А. // Теор. основы хим. технологии. 2006. Т. 40. № 5. С. 520.
5. Зарембо В Н., Колесников А.А., Нванов Е В. // Изв. РАН. Сер. физ. 2006. Т. 70. № 8. С. 1088.
ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ том 81 < 7 2007
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.