Синтез озона из кислорода в объемном разряде тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

московски? ордена ленййа, ордни октябрьской" . револщщ и .ордена трудового красного знамени'. ' государственный унквержет км.и.в.ломоносова-

'., хшетшам -факужгег- .

На правах рукописи

правдш мекса1щр борисович -

УДК 541.138 + 537.523 СИНТЕЗ ОЗОНА ИЗ КИСЛОРОДА В ОБЪЕМНОМ-РАЗРЯДЕ :

02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени-кандидата хкгачосккг наук

МОСКВА ГЭЗОг-од

Работа Есяголнзна з лаборатории катализа и газовой -электрохимщ/кафодрц физической хиши Химического факультета Московского государственного университета им.М.Ь.Ломоносова.

Научные руководители: кандидат химических наук - Самойлович В.Г.,

■ кандидат физико-математических наук Гибалов В.И.

Научный консультант: кандидат химических наук Козлов К.В.

Официальные оппоненты: доктор химических наук

РазумоЕский С.Д., кандидат физико-математических наук - Родэ C.B.

Ведущая : организация: Институт неорганической химии тл

электрохимии АН ГССР.

Защита состоится ^I^fXUu 1S9QT. в Я'* часов в

ического фжуль1

аудитории 34^ Химического факультета Московского государственного университета на заседании Специализированного ученого совета Д 053.05.59 при Московском государственном 'университете им К.В. Ломоносова по адресу: 11Э8УЭ, ГСП, Москва, В-234,-Ленинские горы, МГУ, Химический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета Московского государственного университета .

Автореферат разослан " ксЛ^^ 1990г.

Ученей секретарь ■ • • Специализированного совета, • кандидат химических наук с—' Ю.А.Коваленко

ОЕ£УЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ;

Актуальность темы. Oejh как сильный окислитель стал получать широкое практическое применение еще во второй половине прошлого Еека. В настоящее время в связи со значительным ростом проблем утилизации техногенных отходов интерес к озону как единственному экологически чистому сильному окислителя все возрастает. Сейчас озон является одним из основных' продуктов крупнотоннажного плазмохимического синтеза. Основным процессом получения озона является электросинтез его 2 барьерном (тихом) разряде, однаг.о до сегодняшнего времени затраты энергии на синтез остаются значительными, что делает весьма актуальной задачу повышения эффективности разряда. Ют оптимизации процесса необходима информация о влиянии электрофизических параметров газового разряда на величину энергетического зыхода озона. Специфика горения барьерного разряда не позволяет в широких пределах варьировать условия развития микроразрядов в газе, поэтому исследования в объемней разряде .представляются весьма перспективными для получения такого рода информация в силу того, что в объемном разряде (разряд с проводящими электродами, с импульсным питанием, организованный во всем, объеме разрядного промежутка) можно'моделировать условия, соответствующие барьерному разряду, с одной стороны* а, с другой сторо--. кы, южно значительно расширить границы изменения электрофизи- . ческих параметров (напряженности поля, плотности энерговклада в газ) разряда. •

При анализе работы, озонаторов барьерного разряда встает вопрос об электрических свойствах газовые сыесей, родеряащих . озон. До настоящего времени в литературе не имеется данных по -экспериментальному. оиределекию кинетических' коэффициентов . электронов в озон-кислсродяых смесях. *. 7

Цель работы. Цельп работы явилось определение зависише-ти эффективности электросинтеза озона в оааашхшическом: реакторе объемного разряда от электрофизических параметров процесса, изучение влияния примеси озона на: кинетические коэффициен-, ты электронов кислородной плазмы.;••;*;

Научная новизна Впервые в широком интервале от 50'до 5000 мДж/см3- атм опрёделела зависимость "нергозатратнз синтез озона а объемном самостоятельном разряде в . кислороде я воздухе от величины 'удельного знергсвкдада в газ. : • . .

Впервые- из екеперидаятадышх, данных получена количествен^ í

ная оценка коэффициента прилипания электронов к молекулам огона при 100Тд< E/N< 200ГД.

Впервые на основании экспериментальных данных по определению энергозатрат на синтез озона ь несамостоятельном объемном разряде с ишульсной прздыонизацией о ценен предельный энергетический выход озона при его плазмохимическом синтезе лр-кислорода в интервале 100Тд< E/N< 400ТД.

Практическая ценность. Результаты и выводы работы могут непосредственным образом быть использованы при описании процессов, происходящих в плазме микроразряда в барьерном разряде, являющемся практически единственным промышленным методом получения озона.

. Экспериментально полученные значения коэффициента прилипания электронов к молекулам озона могут быть использованы для моделироваки- физико-химических процессов в кислородной плазме, в том числе для оценки изменении электрофизических свойств содержащих кислород рабочих смесей газовых лазеров в процессе ст-рекия.

Предложенная математическая модель,' разработанные на ее основе алгоритм и программа, когут бьггь использованы для численного моделирования динара развития объемного разряда.

В частности, результаты работы могут бсть испольяованы в И© АН СССР, в Институте неорганической химии и электрохимик АН ГССР. е Езер:зжском филиале ЛЕНКШИММАШ, в НККЖ МГУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на УП Всесоюзно.; ежгггозиуме "Современные проблек-ы прогнозирования контроля качества воды и озонирование", г.'Таллинн, 1985; на конференции молодых ученых Химического факультета МГУ, г. Москва. 1987; на научных чтениях, посвященных памяти Кобозева H И., г. Москва, 1987; на П Международном симпозиуме по химии низкотемпературной плазмы высокого давления, Казшерж, Полька, 1980.

' Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ.

■ . Структура и объем работы. Диссертация состоит из вгеде-нкя, пяти глав, выводов, списка цитированной литературы и при ложений. i-аботй изложена на {¿/Остраницах, включает 42 рисунка-и 1 таблицу.. Список литературы содержит S2 наименования.

" .- Защищаемые положения отражены в выводах..

лнгератуигш обзор

В этой главе на основании имеющихся литературных данных дается обзор основных сведений по кинетике и механизму синтеза озока в электрическом разряде; рассматривается ряд элементарных процессов в кислорсдой плазме с участием заряженных частиц. Приведенный материал указывает на то, что к настоящему времени достаточно детально разработан механизм синтеза озона з разряде, накоплены обширные экспериментальные данные по константам скорос ей элементарных реакций (большинство результатов этих исследований получено для барьерного разряда). Однако, з отличие от реакций с участием молекулярного кислорода, сечения и константы скоростей которых в большинстве случаев надежно определены различными методами, процессы взаимодействия электрс-иов плазмы разряда с молекулами озона изучены мало; не имеется экспериментальных данных по величине коэффициента прилипания электронов к молекулам озона.

При анализе работ по синтезу огона в разряде с преходящими электрода),!и отмечается, что исследование электросинтеза ■ озона в объемном paspaде связано с учетом таких факторов, как устойчивость горений оиъемной Форш разряда, длительность импульса питания, предпробойяая концентрация электронов з разрядном промежутке. Приводятся раб-ты советских и зарубежных авторов, е которых определялась эффективность электросинтеза" озона из кислорода и. кислородсодержащих смесей в объемном самостоятельном разряде и наблюдалось снижение гзергетического-Еыхода при увеличении влеженой в газ энергии;. однако, некоторые экспериментально полученные величины энергетического выхода озона более чем в 1.5 раза превышают теоретический предел. '

На основании анализа литературы по математическому моделированию электрического пробоя з газа? делается заключение, • что б настоящее время существуют вполне апробирование методы численного исследования такого сложного явления, как электрический разряд. Представляется вполне возможным моделирование реальной пространственной задачи развития разряда в кислороде с учетом таких эффектов, кат: влияние объемного электрического заряда, катодная, фотоэмиссия и др. Необходимо отметить несовершенство используемых численных методов, приводящее к существенным искажениям электрического поля яри появлении . зкачи-

- Б -

тельных градиентов концентраций заряженных частиц и напряженности поля и, в итоге, к качественно неверному описанию процесса развития разряда й газе при больших перенапряжениях.

ШШСАНШ УСПЫШКИК КЕТСДШ1 ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Импульсы, питающие объемный самостоятельный разряд и разряд предыонизации в несамостоятельном-режиме, вырабатывались генератором наносекундньк импульсов высокого напряжения, собранным на однородной фойдрушей линии. Коммутирующим элементом генератора наяосекундных - импульсов служил газовый.разрядник высокого давления оригинальной,-конструкции с регулируемым нал-рялением вскрытия,. работающий в режиме самопрбоя. Регулировка частоты "вскрытия, разрядника .осуществлялась изменением напряжения зарядки линии. ~ Генератор устойчиво работал.на частотах от десятков герт до 0„8кГц. Диапазон амплитуды импульсов составлял 0,8-6,0кВ. Формировались -импульсы длительностью 12 к 24нс. Типичное время- нарастания импульсов составляло ~ 1нс.

Кроме генератора импульсов питания экспериментальная установка для исследования синтеза озона в самостоятельном объемном разряде включала в себя систему газонодготовки и регулирования расхода и давления, газа, систему- измерения и регистрации. электрических параметров разряда, а также систему анализа, содержания озона в газе. -

. - В качестве рабочих газов использовались технический кислород из баллона и атмосферный воздух, которые перед экспериментом очищались. Работа велась при давлеьии ниже атмосферного.

Концентрация озона в газе определялась по поглощению на длинах волн 253,7 и 296,7 ны. Была использована однолучевая схема, длина газовой кюветы составляла 0,5м.

Синтез озона проводился в специально разработанном плаз-мохимическом проточном реакторе. Для согласования с выходом • генератора импульсов реактор был выполнен в виде продолжения коаксиальной линии. Кольцеобразная зона объемного разряда располагалась меаду двумя плоскопараллельными металлическим:-! электродами, величина разрядного зазора регулировалась. Еша пременена предьшизация разрядного промежутка излучением вспомогательных разрядов.' '

Измерение и регистрация электрических параметров разряда осуществлялась евтоматизиронанной системой на базе ЭВМ ДЕК-2.

Измерение величин токов а цепях формирующей линии и реактора проводилось при njMoiiiji специально изготовленных малоиндуктиз-нкх датчикоз тока. Сигналы с датчиков подавались на стробоскопический осциллограф , с которого два "медленных'' аналоговых сигнала, но йорке повторяваие наносекундные импульсы па входе, и пилообразное напряжение развертки через многоканальный АЦП поступали для расчета электрофизических параметров разряда л документирования результатов в ДЕК-2.

Управление работой программы обработки данных селось в диалоговом режиме; рассчитывались и выводились на самописец зависимости ст времени: тока в цепи реактора, напряжения на :'лацных электродах, выделяемой з реал-лоре электрической мощности. выделившемся энергии, взвешеного по энергии напряжения ' Чча ГМ «dt/ J" V/dt. где У- электрическая мощность), перенесенного в цепи реактора заряда.

При исследованиях несамостоятельного разряда импульсный самостоятельный разряд был использован для предыонизации разрядной зоны несамостоятельного разряда, образованной анодом реактора и дополнительным низковольтным электродом. Кроме пос-' гоянного напрягкйния питания, подававшегося с гальванической батареи, регистрируемым электрическим параметром являлась величина перенесенного заряда, измеряемая по падению напряжения на измерительной емкости.

Для приготовления кислородаозонных смесей в газовую схему ' вводился лабораторный стеклянный озонатор. •

(жссгоятельйый скшлша разряд з кйслородз н я щ и:

синтез озона в этом рд4ряее

При исследовании синтеза озона а объемном самостоятельном разряде основными регистрируемыми электрическими параметра?®, разряда являлись ток через реактор и напряжение на его электродах. Амплитуда высоковольтного импульса питания была обычно такова, что в разрядном промежутке создавалась напряженность поля, превышающая в 5-10 разнаяряжякость пробоя для кислорода и воздала, оцененную для условий эксперимента из кривых Паке-на. При пробое газового промеяуъга -хек через неге за единицы наносекунд достигал своего стационарного значения, напряжение на электродах падало до уровня напряжения горения и оставалось лсактич^ски постоянные до конца-импульса питания. Если сезда-

ваемая в разрядкой промежутке перед началом пробоя приведенная напряженность поля.Е/N. варьировалась в нешироком интервале, наблюдалось приблизительное постоянство отношения величины напряжения горения и пробойного напряжения, рассчитанного по KDiiBoii Бале на. Однако, значительное увеличение величины предп-робойаого E/N (за счет снижения давления, уменьшения разрядного промежутка, увеличения амплитуды импульса питания) Бело к росту этого отношения.'

Во Есех экспериментах по синтез;' озона в самостоятельном ооъемнок разряде гид зависимости от времени тока и напряжения разряда в кислороде и в воздухе практически не различался.

Химическое действие электрического разряда определяется как .напряженность» поля в зоне разряда, так и величиной перенесенного через газовый промежуток заряда, зависящей от амплитуды и длительности импульоа тока. Изменение длительности импульса тока при неизменной длительности импульса питания было связано с наличием времени задержки пробоя. Эта величина показывала явнуи зависимость от значений приведенной напряженности поля в разрядном промежутке в момент подачи высоковольтного импульса. Значительное снижение создаваемого в зазоре E/N приводило к погасанию разряда, использование системы предыониза-цш: позволило расширить рабочий диапазон вверх по давпению газа и вниз по амплитуде импульсов питания.

- При исследовании электрических характеристик разряда был проведен ряд экспериментов с реактором, имеющим на порядок болыгую плошаль поперечного сечения разрядной зоны, при этом не наблюдалась зависимость амплитуды тока разряда от величины плсцади злестродог, что говорит об ограничении тока разряда в условиях эксперимента внутренним сопротивлением генератора импульсов питания. Взаимодействие разряда с внешней цепью проявлялось и в зависимости величины перенесенного заряда от параметра (E/Wapp t рассчитывалось как Ь'взв /(N-dj, являлось Ф-'истн-■ чески напряжением горения, приведенным по зазору и давление газа): без предыонизации при значениях (E/N^-, выше ЮООТд н:-наблкщается роста величины перенесенного заряда.

3 проведенных экспериментах электрическая энергия . выделившаяся з реакторе при поступлении на него одного импульса питания, рассчитывается в процессе автоматизированной обработки результатов измерений из зависимостей от времени тока раз-

ряда я напряжения на элегс-родах реактора. !1з значений энергии вычисляли удельны.» энерг^вклад в газ. из данных по измерению концентрации синтезированного озона с учетом расхода газа-реагента - массовый выход озона, а далее - величину энергетического выхода или энергозатраты на синтез. Основной задачей экспериментов являлось установление зависимости эффективности синтеза озона з объемном разряде от параметров разряда. Значения величин энергозатрат , полупенные в различных экспериментах при варьировании в широки пределах условий реализации самостоятельного ¿съемного разряда а кислороде и воздухе, сказались связанными зависимостью от величины удельного энет^говкла-■да з газ, с:.:. р;:с. 1. Для ¡сислорода результаты в области малых энерговкладов хорошо стыкуются с литературными данными (Захаров А. 'Л. , Самсродсв В. А., Соколов А. П.. 1984).

Характер полученых зависимостей указывает н- значительное возрастание энергетическое' "цены" озона по мере увеличения удельного энерговклада. Качественно такую закономерность мояно объяснить тем, что с одной стороны увеличение знерговкл_да вызывает увеличение количества атомарного кислорода, полученного

103

102 {-

1СА

Й , кВт*ч/кг

10х

о о

О

5

о

О О

<3

о

ро о о

о® о о°о . +

V/

V, дан/еы"*атм

10"

10

,3

ИР

Ряс. 1. рода(

Зависимость энергозатрат на синтез озона из кислс-»-) и воздуха! о) от величины удельного энерговклзда.

при диссоциации молекул электронным уларом, но с другой стороны эфдективная степень конверсии атомов кислорода б озон Судет снижаться по мерз увеличения, вызванного ростом вло;ю;ной .>■• газ энергии, концентрации возбужденных частиц, релаксация которых может приводить к увеличение скорости разложения озона к=..ч через локальное пэвшение поступательной температуры газа, и черег, разложение молекул озона при релаксации вооЬу>.зет«>: частиц непосредственно ка лих.

ЧК0Г2ШШС ШЯБ£.?<)5ДН»Е ОШСЕХГО РАЗРЯДА В В^УЙП

В четвертей глазе приводится построение системы уравнений, спис1шгк®;х развитие объемного разряда в кислороде, оо-суздазгсз совестное решение уравнения Пуассона и уравкгшй дизачмки количества заряженных частиц; обсуздакхгся регулькт»л численого м-целироваяия.

При построении математической модели, представлялось возможным осуЕзствить одномерную постановку задачи. Поскольку ь условиях экспериментов время установления функции ргепредгле-нггк электронов по энергии составляет 10 с, мокно предполо-кить существование локального равновесия «ему электрич-зекки полем и распределением электронов, что позволяет описшзть да-неи.жу система заряженных частиц в поле используя значения локальных концентраций частиц и кинетические коэффициенты элемент-арных процессов.

Уравнения, описывавпие в модели динамику концентраций за-рнаетных частиц, имели вид:

3 пй% - <а(Е/л) Пе у/е (

Э£ (П

ГЦ}ог = у(%<) ПеЫе {Еи) ~ Ко(%) П0г?

где ^ (Е/Ю - коэффициент прилипания, а «¡С(ЕУН) - коэффициент размножения электронов в плазме, п - концентрации частиц раз-

- 1,1 -

личного вил:- К0: Ь/Мл - константа скорости реекоих разрубят отрикатслькш попсе, \;'е (Е/М) - скорость дрейфа электрскг* : поле. Поскольку подаяаюсть молекулярных изноз г> аяекгричлс?:: пол*.- мала, величинами дрейфовых членов б уравнениях лиа'.-'ж,. ионов пгелеореггвт, а так как характерные времена гвсс'-чн--превьиают длительность разряда, в уравнениях (1-3) ги\е-;ео;-кгг дисфувгэккыма членами. Гранично" условие уравнения ГЗ) сывает г параметрической форме постоянную катояиу» эжссх.

;'..,(см " с--; - юзгйишен? катодной 3!.:'.'.ос::и. величина кстэгсгч-гарьирохалзсь с п^роплх лреяелах (0 - п-1С'~

Связь ня.зг.й;*гнности элекагрэтзсгсэто пэчя с концен^о^:::;?'. зарялэннкх чзсгка описывается уравнением Пуассона:

•л., с >г --г (С1

■-'о

где е - элементарный заряд,элеотричэская постоянная. Граничные условия этого уравнения шаю задать в интегральней норме через значение и - разности потенциалов мзкцу гле»сгро£?.-реактора: ^

X = о». (¿Ц ~ е. о1 Л Епе-ПоГ т-ПкЗЛгЖ

V -— ———=------*----—-----'(с.1

в « с/? с* с!л

здесь 1 - тек, в цепи реактора. Б - плоездь поперечного сеч- ■ пил разряда. Величины тока и напряжения связаны мекду сч: уравнением внешней цепи:

_ Л

/1+2

I -волновод сопрглгивлввие фэрмируногй линии. К - величина нагрузочного сопротивления, оунтируюиего г**актор. напрял-;:;: зарядки формирующей линии.

В систему втаючено глшетическэо уравнение накоплении Р' -разующегосг. в разряде атомарного кислорода:

У Па = Ка(£/*с)ПеПо, ' (?■;

31

где КдСЕ'М) - суммарная константа скорости процессов диссоциации молекулы кислорода э.-ектронным ударом.

Начальные условия системы уравнений имеют вид:

Таким ооразом, система уравнений (1-9) представляет собой математическую модель объемного разряда в кислороде; при реда-«и»х системы молшо получить пространственно-временные распределения всех реагирующих частиц, яаарядвяяосп! электрического "~ля и удельного знерговклада в разрядном промежутке, рассчитать значения измерлемого тока разряда и разности потенциалов ■¡а электродах реактора в любой момент времени.

Дискретизация задачи по пространственной переменной осуществлялась по равномерной сетке; величина шага по времени за-хлелась значение.».: коо(£фищ:енга К в условии д Ь = К (Уе -

^_г . 3 4 - t, не

Гис. 2. Пространственно-временное распределение напр-^яен-йости поля в зазоре, полученное при моделировании. '

ь

- 13 -

дрейфовая скорость электронов).

При последовательном решении уравнения Пуассона и уравнении динамики электронов при высоких капрякенностях поля для повышения устойчивости алгоритма применялась специальная итерационная схема, сходимость достигалась, как правило, за 2-е итерации. Для моделирования движения электронов в неоднородном поле для компенсации эффекта клеточной диффузии использовались корректирующие алгоритмы (Boris J.Р. , Book D. L., 1976; Morrow R. , 19S7. ).

Программа численого решения системы урзхнений (1-9) Сыла напкеана на языке FORTRAN и реализована на ЗШ ДВК-З!". практически удовлетворительная точность решения достигалась при числе узлов 64, К = 0,5; время счета одного варианта составляло, как правило, 20-30 минут.

Поскольку адекватность модели мо.'яго проверить моделируя определяемые в эксперименте характеристики системы, представляло интерес установление зависимости Форш и амплитуды рассчитанных импульсов тока через реактор от параметров счетгой модели, причем как от параметров, являющихся внутренними параметрами системы, так и ог тех параметров, которые задавались выбором условий опыта. Сравнение результатов моделирования с экспериментально полученными зависимостями показало, что модель удовлетворительно воспроизводит закономерности, наблюдаемые в экспериментах.

Накопленные в результате расчетов с различными наборам:: входных параметров данные по динамике проСся в кислороде указывают на возникновение е разрядном промежутке структуры с катодным слоем (рис. 2). Причем характерные времена формирована-.-, -акой кваопстацконарной структуры, сохраняться на протяднш«' импульса питания, близки к временам нарастания импульсов тг.;-: ь эксперименте. Существенная неоднородность элетарическсгс и.-ля в разряд» м промежутке при возникновении структуры с катодным слоем приводит к неоднородным распределениям удельной-энерговкдада в гаг- и концентрации атомарного гаслорода.

исслещш1йб синтеза озона в условиях

несамостоятельного разряда. ш^косгоятельння разряд в 0.1есях кислород-030л

В экспепиментах по исследованию несамостоятельной формы

объемного разряда измеряемой электрической величиной являлся перенесенный заряд при заданно;.! напряжении на электродах реактора. Эксперименты проводились в кислороде и кислород-озонных см-еях при давлении 38 Topp; разрядный промежуток изменялся от 0.3 до 1, 8млг. По результатам измерений строились зависимости величины^ перенесенного заряда от приведенной напряженности ?лектрического поля. Корректность расчета приведенной напря-•екнеети по величине напряжения на реакторе с принебремэнием . ¿ч&вьми зш^ектами и влиянием объемного заряда была проверена доставлением экспериментальных данных с расчетом величины -fpeнесенного заряда для условий эксперимента с использованием литературных данных по зависимостям коэффициентов прилипания :: р.пзмяс»«низ электронов от приведенной наггояжности поля з кие-лородпой плазме. Экспериментальные и расчетные данные показы-оа:ст удовлетворительное согласие, расхождения растут лияа в .■.сласти высоких значений E/N.

Яа основании измеренных концентраций синтезированого в несамостоятельном разряде озона рассчитывали производительность разряда по озону, из величины перенесенного заряда л тапряжния на реакторе - энергию, влтеннуга в реакционный объем, далее определяли величину энергетического выхода озона. Еыла обнаружена специфическая зависимость эффективности синтеза озона от приведенной напряженности поля: величина энергетического, выхода проходит через максимум (порядка 270г/кБт ч) в области 120-180ТД и-при дальнейшем увеличении приведенной нап-; рякенноети поля наблюдается спад эффективности синтеза.

В условиях малого удельного энерговклада в несамостоятельном. разряде- энергозатраты зависят от величины, вложенной энергии слабее, чем: в' случае-самостоятельного разряда, и достигают величин менее 4кЕт ч/кг в интервале 3 : 10 мДж/с^атм.

Разделение электронной и юной компонент экергевклада позволило из экспериментальных данных по эффективности синтеза получить оценку предельного- (соответствующего чисто электронному энерговкладу) энергетического выхода озона При малых величинах удельного эперговклада в несамостоятельный разряд полагалась полная конверсия атомарного кислорода, тогда для энергетического, выхода . озона модно было записать выражение А(Е/Ю = '3S (E/N) в-, где «Ü.CE/N) - величина энергетического выхода атомарного'кислорода, 9-- доля электронной компоненты в

энерговкладе. В условиях отсутствия существенных возмущений поля в разряде величина ©равна отношению заряда, перенесенного электронами, к общему перенесенному заряду. Она была определена из численного решения уравнений движения заряженных частиц, при решении учитывались условия предыонизации при разных.величинах газового промежутка.

На основании экспериментальных значений энергетического выхода озона оценивалась Ееличина-ЭВ(Е/Ю. а из нее предельны!": энергетический выход озона С рис. 3). Пунктирная кривая - это теоретическая оценка предельного энергетического выхода озона на основании расчета (ЕПаззоп В., КогеХдсЬаЬг и., 1985) величины энергетического выхода_ атомарного кислорода с использованием кинетических коэффициентов, получэных при решении уравнения Больцмана.

Полученные максимальные значения энергетического выхода составляют около 500г/кзт-ч, что согласуется с экспериментально полученными данными (Захаров А. И. , Самородов Е А. , Соколов А. И , 1984) для синтеза озона в самостоятельном объемном разряде в области малых энерговкладов.

При исследовании несамостоятельного разряда в смесях кислород-озон обнаружено, что присутствие озона в количестве нескольких объемных процентов значительно снижает величину- перенесенного заряда, "то можно связывать как с уменьшением средней энергии электронов с ростом концентрации озона, так и с протеканием эффективных процессов прилипания электронов к молекулам озона. При интерпреташт экспериментальных данных рассматривали лишь второй механизм, представляя суммарный коэ^о::-циент прилипания в смеси как: ■

^ = С »} /И) £Ог1 + ( У}'/Н> 1053,

где ^/Ы и - коэффициенты прилипания электронов к молекуле кислорода и озона, соответственно. При решении системы уравнений динамики заряженных частиц получено' выражение для величины измеряемого в эксперименте перенесенного заряда:

О - е-п° (1 + ("о¿/(¿-у ) <ехр[(«С (_ о£» - ^ с4с|

500

400

300

200

Й, г/кЗт'ч

О

О

юо

200

О - 0, Сш © -

д - 1,2мм

Д - 1,5мл д - I ,£жм 300

6

СП

I

400

Тд

1010.3. Зависимость Предельного энергетического выхода озона от величину приведенной напряженности ноля (данные получены при различных значениях разрядного промежутка).

где - число электронов при t-0. - коэффициент размножения электронов, d - величина газового зазора. Зависимость *j/'U от напряженности поля в качестве грубого приближения принимали линейной и варьируя коэффициенты линейного представления минимизировали отклонение экспериментальных и рассштанных величин перенесенного заряда. Получена еле лукавя оценка: tJ/N( E/N) -= (-0,6 S/N + 150)* ÎO'^ck2, при 100Тд<Е/М< 200Тд: что Солее, чем на два порядка,превышает величину коэффициента прилипания в кислороде.

Е12Е0Ш

1. Создан автоматизированный экспериментальный комплекс для изучения электросинтеза озона в объемном разряде из кислорода к воздуха.

2. Показано, что в широком диапазоне услсзий реализации объемного самостоятельного разряда в кислороде и воздухе (40Торр< ?< 400Торр: 0.95мм< d< 0.13мм: 500Тд< (E/NX^ БОООТд) величина удельного энерювклада является универсальным параметром, определяют™ энергозатраты на синтез озона.

' 3. остановлено, что энергозатраты на синтез озона в объемном самостоятелг: том разряде растут с увеличением удельного знерговклада в газ. изменяясь зля кислорода от 25кВг-ч-'кг при при 80 мЛк/см3- атм до 500 кВт-ч/кг при 5000 мДх/см3- атм: для воздуха - от 50 кйг- ч/кг при 50 мПк/'см5- атм до 3000 кЕт- ч/кг при 5000 мДх/см3- атм.

4. Построена математическая моде чь объемного рагряди в кислороде, на основании которой разраоотаны алгоритм и нрог оаммп расчетов динамики изменения напряженности олектричеегего поля и локальных концентрации компонентов плазмы рг.зрчда. Г." капано. что предложенная модель удовлетворительно описыг.ас-г полученные зкепериментадьные данные по электрическим .vapairrc-ристикам объемного разряда.

5. При численном моделировании динамики самосгоятс-льчгг: разряда установлено, что оа времена, значительно менькие д.;Гг*-тельности шяглаьсэ питания, развитие-объемного разряда приводит к формированию структуры с катодным слоем.

6. На основании еольт - кулоноасккх характеристик обгем-

ного яесамостоятельдного разряда с импульсной предыонизацией в смесях кислород - озон "роведена оценка коэффициента прилипания электронов к молекулам озона в интервале 100Тд< Е/Ы< 200Тд.

7. В несамостоятельном объемном разряде определена зависимость энергозатрат на синтез озона от величины приведенной напряжености электрического поля. Из этих результатов оценен предельный энергетический выход озона при его плазмохимическом синтезе из кислорода в интервале 100Тд< E/N< 400Тд.

основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Правдин А. Б. , Гибалов В. И. , Самойлович В. Г. Объемный разряд как генератор озона -в сб. Тезисы УП Всесоюзного симпозиума "Современные проблемы прогнозирования, контроля качества воды и озонирования", Таллинн, 1985, т. 4, с. 95-96.

2. Правдин А. Б. Экспериментальный комплекс для изучения синтеза озона из кислорода з объемном самостоятельном разряде. Мат. конф. молодых ученых хим. факультета iffy. Вестн. Моск. ун-та Серия Химия./Деп, ВИНИТИ, N 5071-В87 от 14. 07.87г.

3. Правдин А.Б., Гибалов Ей Синтез озона в объемном разряде, -ред. журн; Вести. Моск. ун-та. Серия Химия. /Деп. ВИНИТИ, N 4711-В от 15.06.88г. "

4. Правдин А. Б., ГибалОВ В. II Синтез озона в несамостоятельном разряде в-кислороде.' -ред. журн. Вестн. Шск. ун-та. Серия Хи-

! мия./Деп.ЕШИТИ, N 4710-В от 15.0б.88г. '

5. Правдин А.Б., Гибалов ЕЙ. Синтез озона" в импульсное самостоятельном разряде. -ЖФХ, 1989, т. 58, с. 2782-2785.

6. Правдин А. Б., Гибалов Е Jfc Синтез озона в импульсном ■ несамостоятельном разряде. -ШХ, 19¿9, т. 58, о. 2785-2789. '

7. Козлов КВ., ПраЕдин А. Б. Оценка максимального энергетического выхода озона при его электросинтезе в несамостоятельном разряде.- ^Бэстн. Моск. yff*Ta. ; Серия Химия, 1990, т. 31, N 6, с. 541-549. : ; V-V ••

/8. Gibalov V. Pravdin А. В., .Vronski М. ©zone synthesis in pulse discharge. Ргоо.П\ ínt,Symp. on high pressure low teirperattire' plasma chemistry, Kazimierz/7 Poland, 1989, p. 58-73. - //