Введение к работе
Актуальность. Широкое . практическое применение плазмы электронных пучков и разрядов в современной химии в экологических целях при удалении вредных веществ (SO2 , NOx, органических соединений из газовых выбросов), при получении высокоактивных веществ и пр. требует с одной стороны детального исследования кинетики плазмохнмнческнх процессов вплоть до описания физики элементарных процессов, а с другой стороны поиска путей снижения энергозатрат на осуществление химических реакции. Эффективность таких плазмохнмнческнх методов определяется как физическими особенностями плазмы, так и спецификой химических процессов генерации активных частиц (радикалов, ионов) являющихся центрами ускорения реакций. Так специфика химических процессов связана с возможностью существенного снижения энергозатрат за счет организации в плазме сильноточного пучка (J>1 А/см2) или разряда экзоэргических плазменно-катхіитических ион-молекулярных реакций, в которых активные частицы существенно ускоряют процесс, .выступая в роли катализатора, а ноны обеспечивают беспороговый характер процесса. Кинетика этих реакций зависит от вида фазы и может быть существенно изменена наличием аэрозольных частиц или молекулярных кластеров. Наряду с этим, особенности физической кинетики генерации активных частиц в плазме сильноточных пучков н разрядов атмосферного давления, когда существенными становятся такие нелинейные процессы как взаимодействие быстрых электронов пучка с термализованными электронами плазмы, колебательное возбуждение молекул н обратная передача энергии из колебательных степеней свободы к электронам плазмы, требует подробного их теоретического изучения и анализа. Указанные обстоятельства делают актуальным исследование стимуляции экзоэргических процессов активными частицами плазмы,
генерируемой элетронным пучком или разрядом за счет организации ион-молекулярных плазменно- каталитических механизмов. Цель работы.
1. Исследование процесса генерации активных частиц
сильноточным пучком быстрых электронов в газе атмосферного давления
на основе теории деградацнонного каскада, определение цен активных
частиц с учетом нелинейных процессов рассеянна быстрых электронов на
термализованных электронах плазмы.
-
Изучение особенностей кинетики генерации активных частиц в электрическом разряде, обусловленных влиянием колебательного возбуждения молекул и ударами второго рода, сравнение цен производства активных частиц электронным пучком и разрядом.
-
Исследование кинетики плазменно-каталитнческих реакций в гомогенных средах н описание процесса плазменного окисления SO: в воздухе с учетом ион-молекулярных реакций в кластерах.
-
Описание кинетики неравновесных плазменно-каталнтическнх процессов в гетерогенных средах и определение параметров пучка, плазмы, среды (плотности тока, степени ионизации, дисперсности аэрозоля, влажности и пр.) необходимых для осуществления высокоэффективных процессов окисления примесей SOi и NOx в гетерофазном воздушном потоке, содержащем жидкие аэрозольные частицы.
Научная новизна. Развита теория дегрэдационного каскада сильноточного пучка быстрых заряженных частиц и получено уравнение для функции деградацнонного спектра, учитывающее коллективные процессы взаимного рассеяния частиц пучка на вторичных электронах плазмы.
Впервые на основе теории деградацнонного каскада рассмотрено распространение сильноточного пучка быстрых электронов в газе атмосферного давления с учетом рассеяния быстрых электронов на термализованных электронах плазмы. Получены критерии, определяющие изменение цсиы активных частиц, генерируемых в плазме пучка электронов за счет таких коллективных эффектов.
В рамках диффузионного подхода к движению электрона в энергетическом пространстве описана кинетика генерации активных частиц в электрическом разряде с учетом, как процессов колебательного возбуждения молекул, так и тушения возбуисдення в столкновениях второго рода. Полученное выражение для функции распределенпя электронов по
энергии позволило определить влияние этих процессов на константы скоростей реакцниіі, идущих с участием высокоэнергичных электронов.
Показано, что процессы идущие через колебательно возбужденные состояния молекул могут обладать существенно меньшим энергетическим порогом и приводить к снижению цены производства активных частиц. Сотой целью было получено выражение для сечения колебательного возбуждения с учетом неравновесного положения ядер в молекуле. Показано, что такие состояния могут оказывать существенное влияние на сечение при возбуждении уровней с колебательным квантовым числом больше единицы.
Найдены критерии для энерговклада разряда, обеспечивающие условие насыщения процесса передачи энергии в колебательные степени свободы. Произведено сравнение цен производства активных частиц, генерируемых в плазме пучков и разрядов. Показано, что с увеличением энерговклада электрический разряд с точки зрения стимуляции экзоэргических процессов в плазме экспоненциально, относительно разности обратных колебательных и электронных температур приближается к пучку электронов.
На примере окисления SCh предложен, впервые исследован н рассчитай механизм плазменно-каталнтического окисления малых примесей на кластерах в гомогенной плазме. Найдено аналитическое выражение цены удаления примеси. Показано, что за счет цепных ион-молекулярных реакций в кластерах цена окисления SOi может быть снижена в несколько раз.
Разработана н исследована модель стимулирования экзоэргических реакций в гетерогенной плазме. Впервые найдено аналитическое выражение для частоты процесса, определяющего скорость реакции окислення в общем случае стимулирования цепных процессов, учитывающее весь спектр фнзпко- химических явлении в гетерофазных условиях аэрозольной смеси.
Рассчитан и оптимизирован процесс цепного окисления SOi в гетерофазном воздушном потоке пучком электронов. Определен массив основных параметров гетерофазной среды, обеспечивающих высокоэффективное цепное окисление. Показана возможность селективного ускорения реакции удаления NOx из воздушного потока за счет закалки продуктов реакций в жидких аэрозольных частицах. .
Практический ценность работы заключена в первую очередь в определении оптимальных условий для высокоэффективного стимулирования плазмохимнчеекпх процессов в плазме пучков и разрядов. Полученые в диссертации результаты использованы при создании промышленных установок для очистки дымовых газов, содержащих примеси SO2, NOx и органических соединении», в частности при разработке электронно-пучковой очистки на Славянской ГРЭС, при создании комплекса для плазменной обработки сбросных газов (EBARA^noima), (SAIC, США).
Апробация работы и публикации.Основные результаты диссертации докладывались на Международном симпозиуме по теоретической и прикладной илазмохнмнн (Рига, 1991), 10 Международном енпознуме по плазмохнмми (Вохум, Германия, 1991), Международном симпозиуме по использовании неравновесной плазмы в экологии (Кембридж, Великобритания, 1992), 11 Международном симпозиуме по плазмохпмпи (Лафборо, Великобритания, 1993), Первой международной конференции по передовым технологиям окисления при очистке воды и воздуха (Лондон, Канада, 1994), Первом международном снмпозииумс пучковых технологий (Дубна, 1995), Международная конференция по применению излучения в нлаїменной технологии (Гетерсбург, США, 1995). Всего по теме диссертации опубликовано 19 статаей. Список статей, в которых содержание диссертации изложено с достаточной полнотой, помещен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Содержіпуу страниц основного текста, три таблицы, 23 рисунка. Библиография - ПО названий.
