ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИИ, 2004, том 38, № 2, с. 156-157
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ ^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМОХИМИЯ
УДК 541.12
ОБРАЗОВАНИЕ ОЗОНА ПРИ СИЛЬНОТОЧНОМ СТРИМЕРНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ НА ВОЗДУХЕ В ПАРАХ ВОДЫ И УГЛЕВОДОРОДОВ
© 2004 г. И. М. Пискарев*, Д. И. Ермаков*, В. Д. Селемир**, А. В. Ивановский**,
Г. М. Спиров**, С. И. Шлепкин**
*Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова 119992, Москва, Воробьевы горы E-mail: piskarev@depni.sinp.msu.ru **Российский федеральный ядерный центр Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики 607190, Нижегородская обл., Саров, просп. Мира, 37 Поступила в редакцию 20.06.2003 г.
Барьерный электрический разряд под действием высоковольтного наносекундного импульса с большой амплитудой тока (десятки ампер) к настоящему времени мало изучен. Особенностью такого разряда является большая длина искрового промежутка и большая толщина диэлектрика, что позволяет использовать в качестве диэлектрика как твердые вещества, так и жидкости. Разряд рассматриваемого типа может быть использован для обработки толстых слоев жидкости. Поэтому представляет интерес определить выход озона и других, эквивалентных ему окислителей, под действием сильноточного стримерного коронного наносекундного разряда для различных диэлектриков.
Эксперимент проводился при положительной полярности импульса напряжения на разрядном электроде, частоте повторения импульсов 1.5 Гц, амплитуде напряжения 75 кВ, амплитуде тока 80 А, длительности импульса тока 60 нс. Разряд осуществлялся в стеклянном реакторе цилиндрической формы высотой 25 см и объемом 2.5 дм3, закрытом фторопластовой пробкой. Через отверстия в пробке вводились разрядный электрод и два патрубка для продува через реактор воздуха. Воздух нагнетался насосом со скоростью 3 дм3/мин. Выходной поток газа пропускался через 0.1 М раствор К1 объемом 150 см3. Активные частицы, генерируемые в реакторе и уносимые потоком воздуха через фторопластовую трубку внутренним диаметром 4 мм и длиной 20 см, окисляли ио-дид-ионы. Образующийся молекулярный иод от-титровывался в кислой среде 0.01 М раствором тиосульфата натрия. Высоковольтный импульс подводился кабелем, центральная жила кабеля соединялась с разрядным электродом, оплетка кабеля - с плоским электродом, на котором уста-
навливался стеклянный реактор. Толщина дна реактора составляла 5 мм. На дно реактора помещался слой диэлектрика толщиной 15 мм: стекло, трансформаторное масло (150 см3) и для сравнения - дистиллированная вода (150 см3). Температура стекла и воды составляла 20 ± 1°С, масло обрабатывалось при двух температурах: 20 ± 1°С и 50 ± 5°С (начальная температура масла 55°С, в ходе эксперимента за 1 ч оно остывало до 45°С). Искровой промежуток электрод - обрабатываемый объект во всех экспериментах составлял 20 мм.
Результаты эксперимента - временная зависимость расхода 0.01 М тиосульфата натрия на титрование раствора К1, улавливающего активные частицы, представлены на рисунке. Основная активная частица, образующаяся при разряде на воздухе, а также на воздухе в присутствии паров воды, - озон, так как радикалы ввиду их высокой реакционной способности погибнут во взаимодействиях между собой, а выход соединений азота мал [1]. Энергетический выход озона при разряде над стеклом наибольший и составляет 0.25 на 100 эВ. При разряде над водой и трансформаторным маслом при 20°С выход окислителей составляет 0.2 и 0.1 на 100 эВ соответственно. Наибольший интерес представляет зависимость окисления I- от времени обработки для трансформаторного масла при 50°С. Для горячего масла концентрация паров углеводородов в газовой фазе намного больше, чем для холодного. При электрическом разряде над горячим маслом запах озона не чувствуется, однако выход окисления I- со временем становится заметным. При разряде над холодным маслом слабый запах озона в реакторе есть. В первые 20 мин обработки горячего масла выход окисления I- находится в пределах чувствительности метода и расход жидкости на титрование со-
ОБРАЗОВАНИЕ ОЗОНА
157
ставляет 0.1-0.2 мл. Затем выход начинает расти, причем скорость роста со временем увеличивается. За 1 ч обработки выход окисления I- становится заметным, хотя запаха озона в реакторе по-прежнему нет. Это означает, что окисление I-осуществляется не озоном. Если электрический разряд над маслом выключить, продолжая продувать через реактор воздух, окисление I- не наблюдается.
Образование озона при электрическом разряде в присутствии кислорода происходит в две стадии: 1) 02 — О + О; 2) О + 02 —- 03 [2]. Если кроме кислорода в газовой фазе имеются другие молекулы, которые под действием электрического разряда становятся реакционноспособными и могут взаимодействовать с атомарным кислородом, выход озона уменьшается. При разряде в парах воды (рисунок, кривая 2) могут образовываться возбужденные молекулы воды либо радикалы ОН, которые расходуют часть атомарного кислорода, поэтому выход окисления I- уменьшается. При разряде в парах масла могут образовываться окислители, которые присоединяют атомарный кислород, и выход озона тоже уменьшается (рисунок, кривая 3). Нелинейная (похожая на квадратичную) зависимость выхода окислителя от времени обработки может быть связана с накоплением в реакторе окислителя, образующегося при взаимодействии продуктов разложения углеводородов электрическим разрядом, либо с цепным окислением I- в растворе XI. Процессы, связанные с взаимодействием возбужденных электрическим разрядом молекул органического вещества, наблюдались также в работе [3].
В работе [4] при воздействии барьерного разряда на смесь кислорода и паров углеводородов было обнаружено, что в выходном потоке газа озон либо другие окислители отсутствуют. Разряд осуществлялся в малом объеме, поэтому накопление продуктов не наблюдалось. Результат работы [4] соответствует начальному участку кривой 4 на рисунке.
Таким образом, высоковольтный сильноточный наносекундный стримерный барьерный разряд позволяет проводить обработку газовой сме-
Y, мл
t, мин
Зависимость расхода 0.01 М раствора тиосульфата натрия (Y) на титрование 150 мл раствора KI от времени обработки (t) в реакторе: стекла (1), дистиллированной воды (2), трансформаторного масла при температуре 20 ± 1°С (3) и 50 ± 5°С (4).
си в большом объеме, что приводит к результатам, не наблюдаемым при барьерном разряде обычного диапазона напряжений и токов.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта Президента РФ - НШ-1619.2003.2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пискарев И.М. // Журн. физ. химии. 2001. Т. 75. № 11. С. 1997.
2. Лунин ВВ., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. 1998. М.: Изд-во МГУ, 1998. С. 61.
3. Бугаенко Л.Т., Вольф Е.Г., Ковалев Г.В., Сизи-ков А.М. // Химия высоких энергий. 2002. Т. 36. № 6. С. 453.
4. Кудряшов С В., Щеголева Г.С., Рябов А.Ю., Си-роткина Е.Е. // Химия высоких энергий. 2002. Т. 36. № 5. С. 386.
ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ том 38 < 2 2004
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.