Влияние переноса компонентов раствора на физико-химические характеристики разряда с жидким электролитным катодом Куленцан Антон Львович

Введение к работе

Актуальность работы. Интерес к разрядам атмосферного давления с жидкими электролитными электродами обусловлен возможностями их использования для реализации разнообразных плазмохимических процессов, включая разрушение токсичных и вредных примесей в газовой и жидкой фазе, стерилизацию воды и различных материалов и изделий, модифицирование поверхности материалов, получение нано-объектов и тонких пленок. В таких разрядах ионная бомбардировка жидкого катода приводит не только к неравновесному возбуждению и диссоциации молекул растворителя (воды) с образованием активных частиц и инициированием реакций в жидкой фазе, но и к неравновесному переносу компонентов раствора в плазму. Это отражается, в частности, наличием в спектрах излучения разряда линий и полос, отвечающих компонентам жидкого катода.

Степень разработанности темы. Перенос молекул растворителя и растворенных веществ в газовую фазу изменяет состав плазмы и, как следствие, набор протекающих в ней элементарных процессов. Это неизбежно сопровождается изменением физико-химических характеристик плазмы, включая функцию распределения электронов по энергиям, заселенности возбужденных состояний компонентов плазмы, скоростей генерации и состава активных частиц. Очевидно, что при анализе механизмов плазмохимических процессов в разрядах с жидкими электролитными электродами необходимо учитывать влияние переноса компонентов жидкого катода на свойства плазмы. Однако к началу данной работы эта проблема была практически не изучена в литературе, что и определило постановку задачи исследования.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИГХТУ и пользовалась поддержкой Российского фонда фундаментальных исследований (грант 07-02-00578, 2007 – 2009 гг.), гранта KOSEF-2004-0150 и KRF-2005-6130 (Республика Корея), Минобрнауки РФ (проект 3.137171/ПЧ).

Цель диссертационной работы. Установить закономерности влияния переноса компонентов растворов на физико-химические характеристики плазмы атмосферного давления на примере разрядов постоянного тока с катодами из водных растворов хлоридов калия, натрия и меди.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

получить и сопоставить экспериментальные данные о физических характеристиках разряда атмосферного давления в воздухе при использовании металлического катода и жидких электролитных катодов (водных растворов разного состава);

c использованием этих результатов рассчитать функцию распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), среднюю энергию и концентрацию электронов, константы скоростей процессов, протекающих под действием электронного удара. Проанализировать влияние молекул воды в плазме на формирование ФРЭЭ;

- оценить вклад в образование заряженных частиц в плазме процессов ионизации
атомов металлов, которые появляются в газовой фазе в результате неравновесного
переноса из жидкого электролитного катода;

- рассчитать и сопоставить скорости образования активных частиц в плазме разрядов
атмосферного давления в воздухе при использовании металлического катода и жид
ких электролитных катодов.

Научная новизна работы.

На основе комплекса экспериментальных и расчетных данных показано, что свойства разряда (плотность тока, напряженность электрического поля в плазме, катодное падение потенциала, спектральный состав излучения разряда) зависят от состава жидкого катода и существенно отличаются от соответствующих характеристик для разряда с металлическим катодом. Различия минимальны при малых токах разряда, для которых характерна наименьшая интенсивность процессов переноса, однако увеличиваются с ростом тока разряда и с изменением концентрации растворов, используемых в качестве катода.

Установлено, что неравновесный перенос молекул воды в зону плазмы разряда атмосферного давления с жидкими электролитными электродами, приводит к снижению средней энергии электронов, скорости дрейфа и констант скоростей процессов, протекающих под действием электронного удара, причем степень влияния зависит от приведенной напряженности электрического поля и содержания молекул воды.

Показано, что перенос атомов металлов в газовую фазу существенно сказывается на балансе заряженных частиц, что ведет к заметному уменьшению напряженности поля и плотности тока в плазме. Найдено, что при мольной доле атомов калия или меди ~10⁶ частоты их ионизации соизмеримы с частотой ионизации исходных компонентов газовой фазы.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные в работе данные о характеристиках разряда атмосферного давления с металлическим и жидким электролитным катодом могут использоваться при анализе механизмов физико-химических процессов и построении моделей в системе плазма - раствор.

Данные о характеристиках образования активных частиц в плазме могут быть использованы при изучении механизмов модифицирования поверхности полимерных материалов с целью изменения их поверхностных свойств или иммобилизации на ней других молекул, а также при получении нанопорошков катализаторов и полупроводниковых соединений, синтезе фуллеренов, очистке сточных вод и газовых выбросов от органических соединений и др.

Методология и методы исследования. Методологию исследований составили положения теории кинетики равновесных процессов, включающие одновременное рассмотрение физических параметров плазмы, кинетики электронного газа и колебательной кинетики.

Для решения поставленных целей и задач был предпринят комплексный подход, основанный на экспериментальных исследованиях и теоретическом анализе литературных источников. Методы исследования включали: измерения распределения потенциала и напряженности электрического поля, эмиссионную спектроскопию, которые происходили по стандартным методикам. Для определения характеристик электронов использовалось численное решение уравнения Больцмана, позволяющее определить функцию распределения электронов по энергиям, среднюю энергию и концентрацию электронов, константы скоростей и скорости процессов, протекающих под действием электронного удара.

Достоверность результатов. Высокая достоверность результатов работы обеспечивается использованием современных методик измерений, надежных физико-химических методов исследований, а также согласованностью получаемых результатов с литературными данными при моделировании плазмы.

Вклад автора. Все экспериментальные результаты получены лично автором. Направление и задачи исследований сформулированы автором совместно с профес-

сором Рыбкиным В.В. и доцентом Титовым В.А., которым автор выражает глубокую признательность за постоянное внимание к работе и участие в обсуждении результатов. Моделирование процессов, протекающих в плазме, проводилось автором с использованием программного обеспечения, разработанного ранее на кафедре технологии приборов и материалов электронной техники ИГХТУ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Перенос компонентов раствора-катода в зону плазмы приводит к существенному влиянию на свойства плазмы.

2. Появление в газовой фазе молекул воды изменяет среднюю энергию и концентрацию электронов, скорость их дрейфа и константы скоростей процессов, протекающих под действием электронного удара.

3. Более 90 % энергии, приобретаемой электронами от электрического поля, расходуется на возбуждение колебательных уровней N₂. Заселенности колебательных уровней других молекул должны существенно зависеть от характеристик V–V-обмена при столкновениях с молекулами N₂.

4. Атомы металлов, появляющиеся в газовой фазе в результате неравновесного переноса из раствора-катода, приводят к тому, что процессы ионизации определяются не ионизацией молекул исходного плазмообразующего газа, а ионизацией атомов металла.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы представлены на следующих семинарах, конференциях и симпозиумах: V Региональная студенческая научная конференция «Фундаментальная наука – специалисту нового века» (Иваново, 2004 г.); Студенческая научная конференция «Дни науки» (Иваново, 2005, 2007 гг.); IV, V и VI Международные симпозиумы по теоретической и прикладной плазмохи-мии (Иваново, 2005, 2008, 2011 гг.); 9^th International Symposium «High Technology Plasma Processes» (St.-Petersburg, 2006); 28^th International Conference on Phenomena in Ionized Gases (Prague. Czech Republic, 2007); XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Москва, 2007 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 4 статьи в журналах из Перечня рецензируемых научных изданий.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 223 наименования. Общий объем диссертации составляет 119 страниц, включая 60 рисунков и 16 таблиц.