Синтез озона в игла-плоскость газовом разряде в воздухе
Представлены результаты исследований отрицательной и положительной короны, а также нестационарного стримерного разряда. Экспериментально изучался синтез O3. Проведено исследование излучения окиси азота NO и атомарного кислорода O на длине волны 777,1 нм. Была предложена концепция синтеза озона в газ...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2003 |
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2003
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111172 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Синтез озона в игла-плоскость газовом разряде в воздухе / В.И. Голота, Б.Б. Кадолин, В.И. Карась, И.А. Пащенко, С.Г. Пугач, А.В. Яковлев // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 254-257. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111172 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Голота, В.И. Кадолин, Б.Б. Карась, В.И. Пащенко, И.А. Пугач, С.Г. Яковлев, А.В. 2017-01-08T17:01:08Z 2017-01-08T17:01:08Z 2003 Синтез озона в игла-плоскость газовом разряде в воздухе / В.И. Голота, Б.Б. Кадолин, В.И. Карась, И.А. Пащенко, С.Г. Пугач, А.В. Яковлев // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 254-257. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1562-6016 PACS: 12.20.-m, 13.40.-f, 13.60-Hb, 13.88.+e https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111172 Представлены результаты исследований отрицательной и положительной короны, а также нестационарного стримерного разряда. Экспериментально изучался синтез O3. Проведено исследование излучения окиси азота NO и атомарного кислорода O на длине волны 777,1 нм. Была предложена концепция синтеза озона в газовом разряде атмосферного давления. Данная работа была поддержана Украинским научно-технологическим центром (проект № 2144). ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Газовый разряд, ППР и их применения Синтез озона в игла-плоскость газовом разряде в воздухе Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Синтез озона в игла-плоскость газовом разряде в воздухе |
| spellingShingle |
Синтез озона в игла-плоскость газовом разряде в воздухе Голота, В.И. Кадолин, Б.Б. Карась, В.И. Пащенко, И.А. Пугач, С.Г. Яковлев, А.В. Газовый разряд, ППР и их применения |
| title_short |
Синтез озона в игла-плоскость газовом разряде в воздухе |
| title_full |
Синтез озона в игла-плоскость газовом разряде в воздухе |
| title_fullStr |
Синтез озона в игла-плоскость газовом разряде в воздухе |
| title_full_unstemmed |
Синтез озона в игла-плоскость газовом разряде в воздухе |
| title_sort |
синтез озона в игла-плоскость газовом разряде в воздухе |
| author |
Голота, В.И. Кадолин, Б.Б. Карась, В.И. Пащенко, И.А. Пугач, С.Г. Яковлев, А.В. |
| author_facet |
Голота, В.И. Кадолин, Б.Б. Карась, В.И. Пащенко, И.А. Пугач, С.Г. Яковлев, А.В. |
| topic |
Газовый разряд, ППР и их применения |
| topic_facet |
Газовый разряд, ППР и их применения |
| publishDate |
2003 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| description |
Представлены результаты исследований отрицательной и положительной короны, а также нестационарного стримерного разряда. Экспериментально изучался синтез O3. Проведено исследование излучения окиси азота NO и атомарного кислорода O на длине волны 777,1 нм. Была предложена концепция синтеза озона в газовом разряде атмосферного давления.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111172 |
| citation_txt |
Синтез озона в игла-плоскость газовом разряде в воздухе / В.И. Голота, Б.Б. Кадолин, В.И. Карась, И.А. Пащенко, С.Г. Пугач, А.В. Яковлев // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 254-257. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT golotavi sintezozonaviglaploskostʹgazovomrazrâdevvozduhe AT kadolinbb sintezozonaviglaploskostʹgazovomrazrâdevvozduhe AT karasʹvi sintezozonaviglaploskostʹgazovomrazrâdevvozduhe AT paŝenkoia sintezozonaviglaploskostʹgazovomrazrâdevvozduhe AT pugačsg sintezozonaviglaploskostʹgazovomrazrâdevvozduhe AT âkovlevav sintezozonaviglaploskostʹgazovomrazrâdevvozduhe |
| first_indexed |
2025-11-25T20:29:32Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:29:32Z |
| _version_ |
1850523571307151360 |
| fulltext |
СИНТЕЗ ОЗОНА В ИГЛА-ПЛОСКОСТЬ ГАЗОВОМ РАЗРЯДЕ
В ВОЗДУХЕ
В.И. Голота, Б.Б. Кадолин, В.И. Карась, И.А. Пащенко, С.Г. Пугач, А.В. Яковлев
ННЦ ХФТИ, ул. Академическая 1, Харьков, 61108, Украина
paschenko@kipt.kharkov.ua
Представлены результаты исследований отрицательной и положительной короны, а также нестационар-
ного стримерного разряда. Экспериментально изучался синтез O3. Проведено исследование излучения окиси
азота NO и атомарного кислорода O на длине волны 777,1 нм. Была предложена концепция синтеза озона в
газовом разряде атмосферного давления.
PACS: 12.20.-m, 13.40.-f, 13.60-Hb, 13.88.+e
1. ВВЕДЕНИЕ
Мировая тенденция роста производства озона
стимулирует поиск новых, более эффективных ме-
тодов и систем синтеза озона, на первый план вы-
двигаются вопросы повышения надежности озона-
торов и снижения энергозатрат на синтез озона.
Большинство озонаторов, которые выпускаются в
мире, являются установками с барьерным разрядом.
Однако в последнее время, большое внимание уде-
ляется и генераторам синтеза озона с безбарьерны-
ми типами разрядов, в частности с газовым разря-
дом атмосферного давления в системе электродов
типа игла-плоскость.
Как известно, основной реакцией синтеза озона
является трехтельная реакция
MOMOO +→++ 32 . Концентрации О2 и М за-
даются составом рабочего газа. Следовательно,
основной задачей, с точки зрения уменьшения энер-
гозатрат на производство озона, является увеличе-
ние эффективности наработки атомарного кислоро-
да, т.е. увеличение скорости диссоциации O2.
В зависимости от условий в газовом разряде дис-
социация O2 может идти по разным каналам (пороги
реакций ~ 6 эВ, 20 эВ). Какой из диссоциативных
процессов будет доминирующим, зависит от энер-
гии электронов и состава газовой смеси. Таким об-
разом, зная всю цепочку процессов, приводящих к
диссоциации O2, можно попытаться оптимизировать
параметры разряда с целью эффективного получе-
ния атомарного кислорода, а следовательно и озона.
Данная работа была направлена на определение
цепочки физических процессов, приводящих к об-
разованию озона в нестационарном стримерном раз-
ряде в воздухе. Для этого был проведен анализ про-
цессов, характерных для отрицательной (ОК) и по-
ложительной (ПК) короны, а также для нестацио-
нарного стримерного разряда (СР). Для всех трех
типов разрядов экспериментально исследовалась эф-
фективность синтеза О3, а также изучалось излуче-
ние NO (γ-система) и атомарного кислорода О на
длине волны 777.1 нм. Озон и окись азота являются
продуктами синтеза разряда. Их генерация осуще-
ствляется благодаря наличию атомарного кислоро-
да, поэтому их наличие служило косвенным под-
тверждением процессов диссоциации О2.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Газовый разряд зажигался в лабораторном возду-
хе при атмосферном давлении между двумя элек-
тродами, один из которых был изготовлен из танта-
ла и имел форму иглы, а другой – нержавеющая пла-
стина. Межэлектродное расстояние составляло
h=10 мм. Электродная система находилась в герме-
тичной камере. С целью исследования разных типов
разряда (положительной и отрицательной короны,
нестационарного стримерного разряда) имелась воз-
можность изменять полярность острийного электро-
да и его потенциал.
Напряжение на электроды подавалось от стаби-
лизированного высоковольтного источника постоян-
ного тока. Для получения вольт-амперных характе-
ристик разряда контролировались напряжение на
межэлектродном промежутке U и средний ток раз-
ряда Iср.
Тип разряда определялся по характеру токового
сигнала, который регистрировался с шунта 50Ω ос-
циллографом Tektronix TDS-210.
Для поддержания стационарных условий по со-
ставу газовой смеси и для измерения концентрации
озона при проведении эксперимента осуществлялась
постоянная прокачка лабораторного воздуха через
разрядную камеру с расходом Q=1 л/мин.
На выходе из разрядной камеры была предусмот-
рена возможность измерять концентрацию озона по
поглощению Хиггинса-Хартли на длине волны
253,7 нм с помощью монохроматора МДР-12У и
ФЭУ-39А.
Для каждого типа разряда регистрировались
спектры излучения в диапазоне длин волн 200…
800 нм с помощью монохроматора МДР-12У с ди-
фракционными решетками 1200 и 600 штрихов на
мм и ФЭУ-39А, ФЭУ-79А.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Прежде всего, рассмотрим какие физические
процессы характерны для отрицательной короны,
положительной короны и стримерного разряда.
3.1. ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ КОРОНА (РЕЖИМ ИМ-
ПУЛЬСОВ ТРИЧЕЛЯ)
Ионизационные процессы идут только в непо-
средственной близости от острийного электрода
(ионизационная зона), где имеется сильное электри-
ческое поле (≥115 Тд для воздуха). В этой области
сечение ионизации больше сечения прилипания
электронов к молекулам О2. Через остальное про-
странство ток переносится отрицательными ионами,
которые вытягиваются имеющимся там слабым по-
лем. Газ вне ионизационной зоны разряда не иони-
зован и не возбужден.
Нестационарные явления (импульсы Тричеля) в
отрицательной короне обусловлены электроотрица-
тельностью газа. В воздухе электроны движутся от
острия в направлении уменьшающейся напряженно-
сти электрического поля и прилипают к молекулам
О2. Объемный заряд отрицательных ионов уменьша-
ет напряженность электрического поля в ионизаци-
онной зоне. Интенсивность ионизационных процес-
сов и ток уменьшаются. В электро-положительных
газах режим импульсов Тричеля не наблюдается.
После рассасывания объемного заряда процесс по-
вторяется вновь [1].
3.2. ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ КОРОНА
Положительная корона (стационарный разряд)
характеризуется Таунсендовской ионизацией только
в области, где E/N≥115 Tд (E – напряженность элек-
трического поля, N – плотность газа). Электроны,
появляясь в ионизационной зоне, движутся в
направлении увеличивающегося E/N и процессы
прилипания не эффективны. Ток в промежутке за-
мыкается дрейфом положительных ионов.
3.3. СТРИМЕРНЫЙ РАЗРЯД
Напомним, что данный тип газового разряда су-
ществует только в электроотрицательных газах.
Стример зарождается в генерационной зоне вблизи
поверхности анода и распространяется через разряд-
ный промежуток благодаря вторичным механизмам
(фотоионизации) к катоду. Согласно критерию ла-
винно-стримерного перехода [1-3] электрическое
поле положительно заряженной головки стримера
должно поддерживать процессы, при которых она
сформировалась, и обеспечивать условия для под-
держания фотоионизации. Т.е. процессы прилипа-
ния перед и внутри головки стримера практически
отсутствуют, а сама головка стримера идентична
ионизационной зоне положительной короны. Голов-
ку стримера с анодом связывает квазинейтральный
канал, поле в котором мало. Электроны, попадая из
области сильного поля головки (E/N~1000 Tд [3]) в
канал стримера, прилипают. Процессы прилипания
не только делают возможным существование неста-
ционарного стримерного разряда, но и, как и в слу-
чае отрицательной короны, обуславливают ряд его
особенностей, таких как вторичная волна иониза-
ции [4].
Анализ результатов многочисленных экспери-
ментальных и теоретических исследований позволя-
ет сделать вывод, что в генерационных зонах поло-
жительной и отрицательной корон, а также в голов-
ке стримера в нестационарном стримерном разряде
протекают одни и те же процессы (существует толь-
ко количественная разница). Основные отличия у
этих типов разрядов заключены вне зон ионизации –
главенство процессов прилипания в отрицательной
короне и в нестационарном стримерном разряде и
практическое отсутствие отрицательных ионов в по-
ложительной короне.
3.4. РЕЗУЛЬТАТЫ ДАННОГО ИССЛЕДОВА-
НИЯ
Для всех трех типов разряда были сняты
вольтамперные характеристики с одновременной
регистрацией концентрации О3 на выходе из разряд-
ной камеры. Полученные зависимости для положи-
тельного потенциала на острие представлены на
рис. 1.
Рис. 1. ВАХ и зависимость концентрации O3 от напряжения на промежутке (сплошные линии – положи-
тельный потенциал на игле, пунктирные линии – отрицательный потенциал на игле)
На ВАХ, соответствующей положительной по-
лярности острийного электрода, можно наблюдать
резкое изменение закона зависимости тока от прило-
женного к промежутку напряжения (область Т,
рис. 1). Именно эта точка и разделяет режимы поло-
жительной короны и нестационарного стримерного
разряда [5].
Косвенным подтверждением диссоциации О2 яв-
ляется наличие окиси азота NO, получающейся в ре-
акциях с участием атомарного кислорода. Для каче-
ственного анализа синтеза NO для всех трех типов
разряда были сняты спектры излучения в диапазоне
длин волн 200…300 нм (рис. 2) с целью зарегистри-
ровать систему γ-NO (А2Σ→X2Π). Спектры излуче-
ния разных типов разряда регистрировались при
практически одинаковой мощности вкладываемой в
разряд.
Линии спектров были идентифицированы как из-
лучение NO (γ-серия (2Σ→2Π)) и излучение N2 (II+
система (C3Π→B3Π), IV+ система (D3Π→B3Π), си-
стема Вегарда-Каплана (V-K) (A3Σ→X1Σ)). Исследо-
вались различия в спектрах излучения СР, ОК и ПК.
Рис. 2. Спектры излучения разряда
Результаты экспериментальных исследований и
анализа физических процессов для нестационарного
стримерного разряда, положительной и отрицатель-
ной корон сведены в таблице. В ней представлены
энергозатраты на синтез озона w по отношению к
энергозатратам в нестационарном стримерном раз-
ряде wsd (колонка 1), интенсивности излучения пере-
хода γ-NO (0-1) по отношению к интенсивности
перехода IV+ N2 (0-1) ( ) ( )1010
2 −− + NIVNO II γ (колон-
ка 2), интенсивность излучения O (777.1 нм) по от-
ношению к интенсивности перехода II+ N2 (0-3)
( ) )30(1.777
2 −+ NIIO II (колонка 3), роль отрицатель-
ных ионов (колонка 4).
Стримерный разряд
Отрицательная корона
Положительная корона
Экспериментальные результаты
1 2 3 4
sdw
w ( )
( )10
10
2 −
−
+ NIV
NO
I
I γ ( )
)30(
1.777
2 −+ NII
O
I
I Отрицательные
ионы
СР 1 1.32 0.2
Существование данно-
го типа разряда опре-
деляется прилипанием
электронов в канале
стримера
ОК ~2 0.91 0.1
Отрицательные ионы
обуславливают им-
пульсный режим
ПК >10 ≈0 0.02
Отрицательные ионы
практически отсут-
ствуют
4. КОНЦЕПЦИЯ СИНТЕЗА О3
Видна (см. табл.) строгая корреляция между на-
личием в разряде отрицательных ионов, т.е. процес-
сов прилипания с наличием (или следами) продук-
тов диссоциативных процессов. Таким образом,
можно сделать вывод, что электроны эффективно
диссоциируют молекулярный кислород, двигаясь из
области с большой напряженностью электрического
поля в сторону ее уменьшения. Это приводит к
уменьшению энергии электронов и увеличению эф-
фективности процессов диссоциативного прилипа-
ния.
Можно заключить, что процессы ионизации и
диссоциации O2 разделены во времени и/или про-
странстве. Кроме этого, так как в нестационарном
стримерном разряде электроны движутся из области
ионизации (головка стримера) в направлении умень-
шающейся напряженности электрического поля и,
произведя акт диссоциации, обладают энергией до-
статочной только для процесса О2+е→О2
- (0.5 эВ),
то можно сделать вывод, что плотность атомарного
кислорода (а тем более озона), образуемого стриме-
ром, не может превышать плотность электронов в
головке стримера.
Таким образом, эффективная диссоциация О2
должна осуществляться в два этапа. На первом,
электрическими полями с E/N~1000 Tд и более
должна достигаться необходимая плотность элек-
тронов в стримерном канале. На втором, электроны
должны оказаться в электрических полях с
E/N~100 Tд, в которых эффективно будут протекать
диссоциативные процессы. Более эффективно полу-
чать данные условия позволят особенности питаю-
щего напряжения (например, импульсное питание).
На основе данной концепции нам удалось со-
здать генератор озона на стримерном разряде со сле-
дующими параметрами: концентрация O3 – 2…5 %,
энергопотребление – 8…13 Вт⋅час/гO3, рабочий газ –
20 % N2 + 80 % O2.
Данная работа была поддержана Украинским
научно-технологическим центром (проект № 2144).
ЛИТЕРАТУРА
1. Л. Леб. Основные процессы электриче-
ских разрядов в газах. М.-Л., 1950.
2. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда.
М.: "Наука", 1987.
3. Э.М. Базелян, Ю.П. Райзер. Искровой
разряд. МГУ, 1997.
4. R.S. Sigmond // J.Appl.Phys., 1984, v.56,
№5, p 1355.
5. A.A. Бруев, В.И. Голота, Л.М. Завада,
Б.Б. Кадолин, В.И. Карась, И.А. Пащенко,
С.Г. Пугач // ВАНТ, 2000, №1, с. 50-53.
В.И. Голота, Б.Б. Кадолин, В.И. Карась, И.А. Пащенко, С.Г. Пугач, А.В. Яковлев
PACS: 12.20.-m, 13.40.-f, 13.60-Hb, 13.88.+e
|