ОКИСЛЕНИЕ КРАСИТЕЛЕЙ В ВОДНОМ РАСТВОРЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТЛЕЮЩЕГО И ДИАФРАГМЕННОГО РАЗРЯДА

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

Стройкова И.К., Максимов А.И.

Институт химии растворов РАН, Иваново

aim@ihnr.polytech.ivanovo.su

Газовый разряд атмосферного давления с одним или двумя электролитными электродами инициирует в растворах окислительные процессы. Возможны разные способы организации этого процесса. В настоящей работе исследовались два типа такого разряда: тлеющий разряд атмосферного давления с электролитным катодом и так называемый диафрагменный разряд. Металлические детали электродных систем были выполнены из нержавеющей стали. В случае тлеющего разряда катод погружался в раствор, а анод в виде заостренного стержня или проволоки располагался в нескольких миллиметрах от поверхности раствора. Напряженность электрического поля в положительном столбе зажигаемого между раствором и металлическим анодом тлеющего разряда постоянного тока составляет около 10³ В/см, а катодное падение потенциала у поверхности раствора в зависимости от свойств раствора и тока разряда изменяется в пределах 400 - 900 В. Положительные ионы, ускоренные в области катодного падения потенциала, бомбардируют поверхностный слой водного раствора и вызывают диссоциацию и ионизацию молекул воды с образованием химически активных частиц: радикалов Н, ОН и сольватированых электронов. Кроме того источником химической активации является и зона плазмы положительного столба разряда над раствором. В наших экспериментах тлеющий разряд атмосферного давления поддерживался с помощью высоковольтного выпрямителя при токе разряда 20-50 мА и напряжении 2-5 кВ. Объем раствора электролита в цилиндрической стеклянной ячейке составлял около 300мл. Режим разряда можно считать квазистационарным. Для создания диафрагменного разряда в ячейку с электролитом, аналогичную описанной выше, помещалась открытая кверху кварцевая ампула, в нижней части боковой стенки которой проделывались одно или несколько отверстий диаметром около 1 мм. Электроды в виде стержней из нержавеющей стали помещались в раствор как в ячейке, так и в ампуле. При прложении внешнего напряжения между электродами в ячейке протекает ток, замыкающийся через отверстия в ампуле. При возрастании плотности тока в районе диафрагмы возникает перегревная неустойчивость, приводящая к образованию пузыря пара, перекрывающего отверстие диафрагмы. В этот момент прохождение тока в цепи прекращается и вся внешняя ЭДС оказывается приложенной к возникшему паровому зазору. Если ее величина достаточно велика, происходит электрический пробой и в пузыре возникает электрический разряд. Пузырь схлопывается. Цепь вновь замыкается непосредственно через электролит. Описанный процесс повторяется периодически. При использовании источника постоянного тока частота возникающего таким образом пульсирующего разряда зависит от геометрии диафрагмы и свойств раствора, таких как темепратура, проводимость, поверхностное натяжение и др. В случае источника переменного или пульсирующего напряжения наблюдается синхронизация образования пузырей и их пробоев с изменениями внешнего напряжения. Исследования нестационарного по своей природе диафрагменного разряда гораздо сложнее исследований тлеющего разряда, В настоящее время практически нет никаких данных о его электрофизических свойствах. Нам неизвестны также исследования химических процессов в растворах, инициируемых этим типом разряда. Неясен также и конкретный механизм инициирования. Можно предполагать, что как и в случае тлеющего разряда, вклад в генерацию химически активных частиц дают процессы в катодной области и в зоне плазмы. Однако диафрагменный разряд горит при сравнительно низких напряжениях, которые могут быть меньше катодного падения напряжения тлеющего разряда. Это может приводить к меньшей эффективности активации в этом типе разряда. В то же время схлопывание пузырей при горении диафрагменного разряда вызывает появление ударных волн, которые могут приводить к эффектам механоактивации. Таким образом, каждый из рассматриваемых типов разряда может иметь свои положительные и отрицательные стороны при инициировании как гомогенных, так и гетерогенных процессов в растворах. В качестве возможных практических применений такого рода активации можно указать очистку воды и водных растворов от органических и неорганических загрязнений, стерилизацию растворов и помещаемых в растворы объектов, обработку природных и синтетических полимерных материалов и другие. Оптимальная реализация любых технических и технологических применений газоразрядной активации растворов электролитов требует знания зависимости эффективности активации от вида и параметров используемого разряда.

В настоящей работе для решения этой задачи были проведены исследования кинетики гомогенного процесса окисления водного раствора красителя. Для изучения этого процесса была изготовлена ячейка, позволяющая зажигать как тлеющий, так и диафрагменный разряд с электролитными электродами. Ток тлеющего разряда варьировался в пределах 20-50 мА, ток диафрагменного разряда составлял 70 - 250 мА. Для обеспечения необходимой проводимости раствора в ячейку объемом 300 мл добавляли 1 мл 2% раствора серной кислоты. Изменение оптической плотности раствора в процессе обработки контролировалось фотометрически. На диэлектрической крышке цилиндрической стеклянной ячейки были смонтированы системы электродов, мешалка с электродвигателем и лампа накаливания, излучение которой по стеклянному световоду проходило в глубь раствора и через стеклянное дно ячейки и расположенный под ним объектив попадало на вентильный фотоэлемент. Сигнал от фотоэлемента регистрировался двухкоординатным потенциометром Н-306. Типичные примеры кинетических кривых показаны на рисунке.

Рис. Изменение оптического пропускания раствора красителя

Под действием тлеющего и диафрагменного разрядов.

1- диафрагменный разряд, n=1, Iнач=150 мА, Uнач=560 В, Iкон=70 мА, Uкон=600 В;

2- диафрагменный разряд, n=2, Iнач=250 мА, Uнач=560 В, Iкон=100 мА, Uкон=600 В;

3- диафрагменный разряд ; n=2, Iнач=180 мА, Uнач=440 В, Iкон=80 мA, Uкон=480 В;

4- тлеющий разряд; I=50 мA, U=2000 В;

n- количество диафрагм в ампуле

Опыт показал, что в обоих случаях процесс окисления красителя протекает через стадию образования коллоидной фазы. В процессе обработки коллоидные частицы заряжаются положительно, поскольку наблюдается появление их осадка на катоде. Контролируемое изменение интенсивности излучения, проходящего через раствор определяется двумя факторами - ростом прозрачности раствора вследствие уменьшения концентрации молекул красителя и возрастанием рассеяния света образующимися коллоидными частицами. В результате ее значение в процессе плазменного воздействия проходит через минимум, положение и глубина которого зависят от соотношения скоростей образования и разрушения коллоидной фазы. Изменение вида разряда влияет как на скорость брутто процесса, так и на соотношение скоростей его стадий. Как видно из приведенных данных, максимальная скорость деструкции красителя наблюдается при использовании активации раствора диафрагменным разрядом. Различие в наблюдаемых скоростях обесцвечивания не может быть объяснено разной мощностью разряда.