Введение к работе
Актуальность проблемы.
В последние десятилетия технологическое применение неравновсной плазмы
вызывает непрерывно возрастающий интерес. Этот интерес обусловливается прежде
всего тем, что использование неравновесной плазмы дает возможность получать
недостижимые другими путями технологические эффекты, применять очень малые
количества химических реагентов и облегчает автоматизацию процессов. Как следствие -
экологическ?- чистота плазмохимических технологий и экономическая целесообразность
их применения. Решаемая методами плазмохимии задача в основном сводятся к тем или
иным вариантам модифицирования поверхностных свойств неорганических или
полимерных материалов. Реализованные в настоящее время технологии используют
процессы, брутто-эффект которых мало чувствителен к режиму их проведения. Этот факт
имеет принципиальное значение и тесно связан с фундаментальными свойствами
неравновесной плазмы. Отсутствие избирательности химического действия
неравновесной плазмы низкого давления является естественным следствием ее основного положительного качества - высокой химической активности. Средняя энергия электронов в неравновесной плазме низкого давления такова, что ионизация молекул электронными ударами компенсирует диффузионную и объемную гибель зарядов. Поскольку пороговые энергии любых процессов возбуждения внутренних состояний частиц ниже энергии ионизации, плазменное воздействие вызывает образование всего возможного набора возбужденных молекул и их осколков - атомов и радикалов. Эти частицы обладают повышенной химической активностью. В результате химическое действие плазмы оказывается весьма эффективным. Но этот же факт является причиной низкой селективности химического действия плазмы. Действительно, множество разнообразных химически активных частиц инициирует взаимодействия по многим каналам. Брутто-процесс оказывается многоканальным и многостадийным Это с неизбежностью приводит к очень малой его селективности. Множество разнообразных частиц с высокой химической активностью способны взаимодействовать практически со всеми компонентами любой сложной системы.
Неселективность плазмохимического воздействия сдерживает развитие и практическое применение перспективных плазменных технологий. Решение проблемы повышения селективности реакций, инициируемых неравновесной плазмой, на наш взгляд, следует искать на двух направлениях Во-первых, это детальное исследование
инициирования химических реакций в традиционных вакуумно - плазменных системах с поисками возможности управления генерацией и ' потоками активных частиц. Во-вторых, использование комбинации химической активности неравновесной плазмы с возможностями достижения селективности процессов протекающих в водных и неводных растворах (система плазма- раствор). До настоящего времени, насколько нам известно, систематических исследований таких систем не производилось.
Целью настоящей работы являлось :
1. Исследование важнейших факторов, обусловливающих инициирование
химических реакций в растворах под действием плазмы атмосферного давления.
2. Определение влияния свойств раствора и газовой фазы на характеристики
системы плазма - раствор.
3. Анализ общих свойств и различий систем вакуумная плазма- полимер и
плазма-раствор.
Предварительная характеристика системы.
Система плазма-раствор в исследуемом нами случае (рис.1) включает в себя
металлический электрод (анод) в газовой
г\ у 1 фазе 1, зону газоразрядной плазмы 2,
Г1 2 раствор электролита 3, межфазные области
/Л у 3 4. В межфазных областях сосредоточен
4 \/ \ Г '
у у скачок потенциала, имеющий
"^^"^Trf ^^ кинетическую природу и вызванный
-11::(:-::::11-:-:::111-1111-11:^.-11:-1:--1-1^.::. изменением Механизма Переноса Заряда При
Рас. 1 - „
переходе от гомогенной к пограничной
области. Можно ожидать, что физико-химические особенности системы определяются а)
физико-химическими процессами как в гомогенной в газоразрядной плазме, б)
процессами на границе раздела плазма - раствор, в) процессами в жидкой фазе.
Существенную роль можег играть также взаимодействие подсистем.
Научная новизна.
1. Исследование физических свойств стационарной плазмы с жидкостным электролитным катодом. Доказательства неравновесности такой плазмы,
обусловливающей наличие общих свойств систем плазма атмосферного давления -раствор и плазма низкого давления - полимер. Разработка модели плазмы атмосферного давления с жидкостным электролитным катодом, учитывающей поток пара с поверхности раствора и влияние на состав ионов в плазме процессов газофазной сольватации. Экспериментальное доказательство сложного динамического поведения систем плазма - раствор и плазма - полимер, вызванного влиянием химических процессов на физические свойства плазмы.
2. Экспериментальное доказательство влияния плазмы на физико-химические
свойства рас і иора.
-
Экспериментальное доказательство влияния свойств раствора на характеристики плазмы. Обнаружение корреляции между переносом растворенного вещества в зону плазмы и характеристиками его ионов в растворе.
-
Доказательство существования двух факторов, вызывающих инициирование химических реакций в растворах под действием плаз мы - генерации химически активных частиц в зоне плазмы с последующей их диффузией в раствор и активации раствора под действием бомбардировки гидратированными положительными ионами, инжектируемыми из зоны плазмы. Оценка эффективности химической активации раствора под действием ионной бомбардировки.
-
Экспериментальное доказательство инициирования окислительных процессов в растворах плазмой атмосферного давления на примере окисления галогенид ионов (Г, Вг') и окислительной деструкции водного раствора красителя активного ярко-голубого КХ. Оценки кинетических характеристик этих процессов, установление их связи с окислительнно-востановительными потенциалами реакций, и составом жидкой фазы.
-
Доказательство, на примере обработки льняной ровницы и ткани, возможности реализации технологических процессов в растворах, инициируемых плазмой.
Положения, выносимые на защиту.
Доказательство сильной неравновесности плазмы в исследованной системі.
Модель неравновесной плазмы атмосферного давления с жидким электролитным катодом, доказательство общих свойств систем плазма, низкого давления - полимер и плазма атмосферного давления - раствор, связанных с тс неравновесностью и нелинейностью
- Оценка влияния сольватации ионов в плазме и в растворе на процессы в
плазменно-растворной системе.
- Доказательство радиационно - химического инициирования процессов в
растворе и оценка выхода основных активных частиц.
- Экспериментальное доказательство протекания гетерогенных и гомогенных
окислительных процессов в шіазменно- растворном реакторе.
« Апробация работы.
Основные положения, результаты и выводы работы обсуждались и докладывались
на VI международной конференции " Проблемы сольватации и комплексообразования в
растворах" (Иваново, 10-12 октября 1995), на 1 региональной межвузовской
конференции "Актуальные проблемы химии, химической технологии и химического
образования" (Иваново 22-26 апреля 1996), на международной научно-технической
конференции "Вакуум-96" (Казань.май 1996), на 8 международной конференции
молодых ученых "Синтез, исследование свойств, модификация и переработка
высокомолекулярных соединений" (Казань, май 1996), на международном научно-
техничеком семинаре "Новые технологии 96" (Казань, июнь 1996), на Втором
Конгрессе химиков- текстильщиков и колористов (Иваново,' 17-19 сентября 1996), на
Международном симпозиуме по низкотемпературной плазмохимии при высоком
давлении "HAKONE V" (Милови, Чешская респ. 2-4 сентября 1996), на итоговой научной
конференции Ивановского государственного университета "Молекулярная физика
неравновесных систем" (Иваново, 28 января 1997).
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и библиографии.