ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2004, том 40, № 4, с. 509-512
КРАТКИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ СООБЩЕНИЯ
УДК 541.138.2
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КОЛЛАПСА ОДИНОЧНОГО КАВИТАЦИОННОГО ПУЗЫРЬКА
© 2004 г. Г. Н. Санкин1
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения РАН 630090 Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 15 Поступила в редакцию 23.04.2003 г. После переработки поступила 26.08.2003 г.
Исследовано изменение тока в электрохимической ячейке одновременно с динамикой и свечением одиночного кавитационного пузырька, полученного при фокусировке ударной волны вблизи дискового анода диаметром 0.6 мм в растворе №0. Показано, что максимальный скачок тока имеет место в момент коллапса пузырька. Увеличение тока вызвано интенсификацией массопереноса вблизи электрода в результате гидродинамического течения вокруг пузырька.
Ключевые слова: пузырек, кавитация, коллапс, ударная волна, соноэлектрохимия.
ВВЕДЕНИЕ
Комбинированное действие ультразвуковой кавитации и электролиза расширяет возможности применения данного метода для получения на-ночастиц металлов [1] и проведения ядерных реакций синтеза [2]. Действие кавитации приводит к увеличению тока в электрохимических системах за счет перемешивания электролита [3], повышает эрозию, способствует очищению электродов [4] и локальному повышению температуры и давления в момент коллапса пузырьков [5], возможно, содействует дополнительным электрокинетическим эффектам [6], связанным с различными фазами колебаний пузырьков. Все это может влиять на величину тока электролиза [7-9]. Негомогенность кавитации исключает прямую корреляцию фазы колебаний (расширение, коллапс) пузырька с током электролиза, поэтому причина транзитных событий при кавитации в ячейке заранее не очевидна.
В отличие от известных из литературы в настоящей работе представлены результаты исследования кинетических процессов, индуцированных одиночным кавитационным пузырьком, на границе электрод/электролит.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Использовалась электролитическая ячейка с дисковым анодом и опорным электродом, совмещенная с генератором сферически фокусируемого акустического импульса [10].
1 Адрес автора для переписи: sankin@hydro.nsc.ru (Г.Н. Санкин).
Анод был выполнен из медного провода ПЭВ-2 диаметром 0.6 мм с лаковой изоляцией. Он заканчивался срезом, перпендикулярным оси провода, и мог передвигаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Плоскость анода располагалась параллельно фокальной плоскости генератора. Ячейка заполнялась раствором КаС1 с концентрацией 25 г/л (сопротивление ячейки переменному току Я0 = 0.3-0.8 кОм). Питание ячейки подавалось от батареи ип = 4.5 В. Данный выбор потенциалов и материалов электродов при используемом составе раствора исключал выделение газообразных продуктов электролиза на аноде. Для измерения тока через ячейку использовали шунт Яш = 120 Ом. Время установления тока после включения питания составляло Грел = 0.2 с. Датчик устанавливали на ось излучателя, добиваясь максимальной амплитуды сигнала в фазе сжатия [10].
В фокусе импульс давления состоял из фазы сжатия с амплитудой 70 МПа и следующей за ней фазы разрежения, имеющей амплитуду -20 МПа [11]. В фазе разрежения в электролите (раствор КаС1) могла возникнуть кавитация с образованием пузырьков на торце электрода и облака пузырьков в объеме жидкости. Кавитация на границе электрод/электролит происходила с единичной вероятностью как с включенным, так и с выключенным источником напряжения. Так как амплитуда отрицательной фазы фокусируемого импульса давления зависит от расстояния до источника, максимальный радиус пузырьков мог быть изменен путем перемещения анода относительно фокуса.
Для фотографирования пузырьков, возникающих при кавитации, использовалась цифровая ка-
Um, В
'ш
0.3 0.2 0.1 0 -0.1
1.2 0.8 0.4 0
-0.4
А
(а)
К1 ,1
К2 1
250
500
t, МКС
750
Рис. 1. Напряжение на шунте электролитической ячейки: а) K > t0 , б) K < t0.
(а)
r\
I
;" * ж
V
480 мкс
т mf 1 0 "Т^ т т % > ж
500 600 700 720 800 мкс (б)
I»Ti
I
400
450 500
550 650 мкс
Рис. 2. Динамика изменения пузырьков, полученная с помощью микросекундной лампы-вспышки: а - кадры 1 и 5-10 при К > , кадры 2-4 при К < 10 ; б -tKl <
мера SensiCam Fast Shutter (PCO, Kelheim, Германия, экспозиция 100 нс) с ксеноновой лампой-вспышкой ИСШ-400 (длительность 1 мкс). Давление измерялось турмалиновым датчиком (размер кристалла 0.7 х 0.7 х 0.1 мм3, чувствительность ~1 мкВ/кПа), расположенным на том же расстоянии от излучателя, что и электрохимический датчик, но смещенным на расстояние 5-6 мм от оси. Собственное свечение пузырька регистрировали с помощью ФЭУ-35 (спектральный диапазон 300600 нм, сопротивление нагрузки 75 Ом).
Сигналы были записаны с помощью цифрового осциллографа TDS 210 (Tektronix, 8 бит) на персональный компьютер. Время отсчитывалось от момента начала разряда в генераторе тока. Наводка от разряда регистрировалась практически на всех осциллограммах в промежутке времени от 0 до ~20 мкс.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При прохождении акустического импульса через электролитическую ячейку наблюдаются несколько импульсов напряжения (тока) (рис. 1). Импульс А соответствует по времени воздействию фазы сжатия при tA = 37 мкс. Его передний фронт был 0.2 мкс, а задний ~1 мкс равен длительности импульса сжатия [10, 11]. Следующие импульсы тока О, К1, К2 присутствуют с задержкой 300-700 мкс в зависимости от положения датчика.
При давлении в фазе разрежения меньше -10 МПа в фокусе излучателя наблюдается кавитация, фотографии возникающих при этом пузырьков в разные моменты времени представлены на рис. 2. В результате коалесценции на торце электрода растет один пузырек, максимальный радиус которого равен (3.0 ± 0.2) мм, что превышает диаметр электрода в 5 раз и радиус соседних пузырьков более чем в 2 раза.
Дальнейшая динамика пузырька аналогична описанной в [12] для случая лазерного инициирования кавитации. В зависимости от интенсивности кавитации коллапс большого пузырька происходит либо вблизи электрода (рис. 2а), либо на его торце (рис. 26) в момент времени tK1■ В отстоявшейся воде количество кавитационных пузырьков меньше, а коллапс большого пузырька происходит на электроде (рис. 26). В этом случае вместо скачков напряжения (тока) О и К1 наблюдался один импульс К1 (рис. 16). При этом его амплитуда увеличивалась в 6-8 раз, достигая максимально возможного значения иК1 = иаЯш/(Яш + Я0) = 1.2 В. Последующий провал напряжения (тока), который продолжается до отрыва пузырька в момент времени tO, вызван разрывом электрической цепи расширившимся после коллапса пузырьком (кадры 3 и 4 на рис. 26). На последнем кадре после отделения пузырька виден результат кавитацион-ной эрозии электрода как итог многократного повторения опытов. Это приводит к увеличению поверхности электрода и уменьшению сопротивления ячейки Я0.
После отдельных пиков напряжение (ток) стремится к своему первоначальному значению с постоянной времени, которая оказалась приблизительно равной Трел.
Для определения относительного расположения момента коллапса и пика тока регистрировалось свечение из ячейки и давление вблизи элек-
0
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КОЛЛАПСА
511
ифЭу, МВ
3 -
0 да»
-3 -
-6
В
0.3 -
0.2 -
0.1 -
0
-0.1 I
(б)
К1
1
250
750
£, мкс
В
0.2 -
0.1 -
0
-0.1
иш В
0.3 -
0.2 -
0.1 -
0 Яя
-0.1
I, мкс
Рис. 3. Синхронно записанные световой сигнал (а) и напряжение на шунте (б) электролитической ячейки: анод помещен в фокус (г = 0).
Рис. 4. Синхронно записанные давление вблизи анода (а) и напряжение на шунте (б) электролитической ячейки. Анод расположен на оси при г = 15 мм.
трода. Осциллограмма сигнала с ФЭУ совместно с осциллограммой напряжения (тока) показана на рис. 3 в едином масштабе времени. Как можно видеть из рисунка, имеет место совпадение момента свечения пузырька с максимальным значением напряжения (тока) в момент tK1.
При изменении г от 0 до 25 мм (г = 0 - соответствует фокусу) период первой пульсации пузырька Т1 = tK1 - tA уменьшился от 470 до 210 мкс, однако амплитуда пика К1 практически не изменилась (с точностью 10%). Например, для г = 15 мм Т1 уменьшился до 275 мкс (рис. 46), амплитуда напряжения (тока) составила 0.25 В, как и в случае для г = 0 мм (рис. 36). Датчик давления регистрирует первоначальную волну в момент времени tA и, так же как в [12], ударную волну от коллапса пузырька (рис. 4). В последнем случае задержка импульса относительно коллапса равна ~4 мкс.
Кадры 6 и 9 на рис. 2а показывают пузырек в момент времени, близкий соответственно к первому и второму коллапсу. Как можно видеть из рис. 2а и осциллограммы напряжения (тока) на рис. 1а, отношение периодов второй и первой пульсаций пузырька Т2/Т1 было около 0.5.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, предложенный метод инициирования кавитации при фокусировке ударной волны позволил получить одиночный пузырек на электролитическом электроде и сопоставить фазы его колебаний и трансляционного движения с изменением тока в ячейке. Одиночный пузырек образуется за счет слияния многих пузырьков, растущих на границе твердого тела и электроли-
та. Его максимальный радиус и, следовательно, запасенная потенциальная энергия и период колебаний превосходят аналогичные показатели для пузырьков в объеме жидкости.
Пики тока соответствуют по времени: 1) фронту ударной волны, 2) отрыву пузырька от электрода, 3) коллапсу пузырька. Амплитуда пика тока за счет отрыва пузырька значительно превосходит тот же показатель для ударной волны амплитудой 70 МПа независимо от местоположения коллапса.
Очевидно, что размыкание тока кавитацион-ным пузырьком и затем воздействие на электрод потоками вокруг коллапсирующего пузырька приводят к нестабильности двойного электрического слоя (ДЭС). При расширении пузырька величина активной поверхности электрода уменьшается, а ток при этом убывает. Достигая максимального размера, пузырек полностью перекрывает поверхность электрода, который оказывается в разреженном газе внутри пузырька. Поэтому электрическая цепь становится разорванной, ДЭС на электроде отсутствует. Положи
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.