автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Электросинтез озона в реакторах с секционированными электродами

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОЗОНА

КОНСТРУКЦИИ И ПРОЦЕССЫ) И ИХ АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ.

1.1 Кинетика образования озона в газовой фазе.

1.1.1 Перенос озона в потоке газа.

1.1.2 Кинетика производства озона в разрядной ячейке.

1.1.3 Кинетика образования озона в разряде.

1.1.4 Реакции образования озона.

1.2 Обзор существующих конструкций озонаторов.

1.2.1 Дуговой разряд.

1.2.2 Коронный разряд.

1.2.3 Энергетические пучки.

1.2.4 Тлеющий разряд.

1.2.5 Электролиз воды.

1.2.6 Барьерный разряд.

1.3 Выводы.

1.4 Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА НОВОЙ ЭЛЕКТРОДНОЙ СТРУКТУРЫ РЕАКТОРОВ ОБРАЗОВАНИЯ ОЗОНА.

2.1 Необходимость усовершенствования разрядной ячейки.

2.2 Возможность усовершенствования газоразрядной ячейки.

2.3 Усовершенствование газоразрядной ячейки для электросинтеза озона

2.4 Предварительные эксперименты.

2.4.1 Описание экспериментальной установки.

2.4.2 Описание эксперимента по получению озона в предложенной конструкции

2.4.3 Результаты экспериментального исследования.

Возросшее внимание общества к экологическим проблемам повысило значимость экологически чистых производств и технологий, в том числе и основанных на использовании озона. Озон применяется в химической и нефтехимической промышленности, микробиологии, металлургии, сельском и коммунальном хозяйстве, кроме того, всё больше используется в медицине, поскольку озон обладает уникальным противовирусным, бактерицидным и иммуностимулирующим действием.

В настоящее время из всех методов синтеза озона массово применяется в промышленности только электрический способ, так как его технология достаточно хорошо развита и имеет на сегодняшний день наименьшую стоимость. В свою очередь, из всех видов электросинтеза озона наибольшее применение имеет синтез озона в барьерном разряде. Озонаторы на основе барьерного разряда имеют достаточно высокие экономические и технологические характеристики. В то же время, достаточно низкая энергетическая эффективность озонаторов на барьерном разряде, сложность конструкций и необходимость применения теплообменников не позволяют создать высокоэффективных миниозонаторов на их основе.

Для применения озона в санитарных и медицинских целях в полевых условиях и условиях чрезвычайных ситуаций необходимы миниозонаторы, способные работать без использования принудительного охлаждения в условиях свободной конвекции, при питании от первичных источников как переменного, так и постоянного тока и мало чувствительных к технологии изготовления. Для решения этой задачи необходимо разработать научно - технические основы, позволяющие создать миниозонатор на основе тлеющего разряда атмосферного давления с применением секционированных электродов, удовлетворяющий всем выше перечисленным условиям, работающий не только в стационарном, но, что особенно важно, в мобильном исполнении. Для разработки режимов максимальной энергоэффектив5 ности миниозонатора необходимо провести исследование электросинтеза озона в разрядной ячейке с секционированными электродами, в зависимости от электрических параметров подаваемого напряжения питания и различных значений протока кислорода, проходящего через нее, произвести изучение влияния полярности электрода с диэлектрическим покрытием на закономерность синтеза озона, а также разработать метод инженерного расчета. Чему и посвящена данная работа.

Выводы

1. Осуществлен секционированный тлеющий разряд в кислороде атмосферного давления при щелевом разрядном промежутке d<=l мм. Предложены конструкции миниозонаторов на основе такого разряда коаксиальной и планарной геометрии. Показана достаточно высокая энергетическая эффективность электросинтеза озона при высокой концентрации озона и малых габаритах.

2. При использовании секционированного тлеющего разряда с емкостной развязкой электродов доля энергии, вкладываемая в газоразрядную плазму, существенно увеличена, по сравнению с использованием барьерного разряда. Время релаксации заряда в газоразрядной камере с секционированными электродами составляло 0.01 с, а для ячейки барьерного разряда с такой же площадью, примерно на порядок больше. Миниозонатор на основе секционированного тлеющего разряда обеспечивал выход озона с концентрацией порядка 8 0 мг/л, без использования системы охлаждения электродов.

3. Амплитуда переносимого заряда в асимметричной разрядной ячейке барьерного разряда зависит от полярности напряжения. Перенос заряда при диэлектрическом аноде осуществляется в каналах микроразрядов, в то время как при противоположной полярности перенос заряда осуществляется практически однородно, по всей поверхности электродов. Увеличение погонной емкости диэлектрика, так же как и рост величины разрядного промежутка, приводят к выравниванию величин переносимого заряда при положительной и отрицательной полярностях диэлектрика.

4. Количество озона, получаемого для разных полярностей электрода с диэлектрическим покрытием в асимметричной ячейке барьерного разряда, различно и зависит, как от

107 величины разрядного промежутка, так и от материала диэлектрического покрытия электродов. При отрицательной полярности на электроде с диэлектрическим покрытием выход озона существенно больше. При изменении разрядного промежутка от 0.02 до 1 мм различия в выходе озона составляют от 10% до 200%.

5. Для барьерного разряда выявлен второй максимум выхода озона при разрядном промежутке порядка 20 - 50 мкм. Разработана конструкция миниозонатора на барьерном разряде с электродной структурой, допускающей малые разрядные промежутки. Зарегистрирован выход озона с концентрации до 14 0 мг/л, при малом объеме конструкции (36 см3) .

6. Эффективность синтеза озона из кислорода в миниозонаторе на основе тлеющего разряда атмосферного давления с секционированными электродами, примерно в полтора раза выше, чем в сопоставимой по размерам ячейке барьерного разряда. Получаемые концентрации озона в этой разрядной ячейке сопоставимы с концентрациями, получаемыми в ячейке объемного барьерного разряда.

1. Слеттери Дж.С. Теория переноса импульса, энергии и массы в сплошных средах: Пер. с англ. Колпащикова B.JI. и Кортневой Т.С. М.: Энергия, 1978. - 448 с.

2. Филиппов Л.П. Явления переноса. М. : Изд-во МГУ, 1986. -120 с.

3. Эккерт Э.Р. Введение в теорию тепло- и массообмена. /Пер. с англ. И.А.Носенко. Под ред. А.В.Лыкова. М.: ГЭИ, 1957.- 280 с.

4. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987.- 840 с.

5. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. -711 с.

6. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник. М. : Энергия, 1978. - 480 с.

7. Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. М.: Изд-во МГУ, 1998. - 480 с.

8. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств /Ф.И.Барсуков, И.А.Волошин и др.; под ред. А.А.Куликовского и др. М.:Энергия, 1977. -576 с.

9. Татур Т.А. Основы теории электромагнитного поля: Справочн. Пособие для электротехнических спец. вузов. М.: Высш. шк., 1989. - 271 с.

10. Максвелл Д.К. Трактат об электричестве. Т.1. М.: Наука, 1989. - 415 с.

11. Нетушил А.В. Жуховицкий Б.Я. и др. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. ~ 480 с.

12. Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии. 5-е изд./ Под ред. П. Г „ Романкова . -JI. : Химия, 1979.

13. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М. : Наука, 1972. -312 с.14 . Таубман Е.И., Пастушенко Б.Л. Процессы и установки мгновенного вскипания. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 185 с.

14. Биологические эффекты миллиметровых волн и корреляционный метод их обнаружения /В.Д.Искин. X. Изд-во «Основа» при Харьковском ун-те, 1990. - 248 с.

15. Скадченко О.Е., Вендилло В.П., Филипов Ю.В.//Вестн. Моск. Ун-та. Сер. Химия. 1972. Т. 13, №5. С. 594.

16. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. М., 1987.

17. Филиппов Ю.В.// Вест. Моск. ун-та. Сер. Химия. 1959, Т.33, № 4. с. 153.

18. Еремин Е.Н. Элементы газовой электрохимии. М.: 1961.

19. Скадченко О.Е. Исследование образования озона в струе низкотемпературной плазмы: Автореф. дисс. канд. хим. наук. М., 1972.

20. Белоусова Э.В., Понизовский А.З., Гончаров В.А. и др.// Химия выс. энергий. 1991. Т. 25, № 5. С. 556.22 . Белоусова Э.В., Понизовский А.З., Гончаров В. А. и др.// Химия выс. энергий. 1992. Т. 26, № 4. С. 317.

21. Дьяконов В.П. Справочник по MathCAD PLUS 7.0 PRO.- М.: СК пресс, 1998 г., 345 с.

22. Херхагер М., Партолль X. Mathcad 2000, полное руководство: пер. с нем. К.: Издательская группа BHV, 2000. - 416 с.

23. Akishev Yu.S., Levkin V.V., Napartovich A.P. et all.// New form of DC glow discharge in fast gas flow at atmospheric and superatmospheric pressure, Proc. of ICPIG XX, Pisa, Italy, 1991. V. 4. P. 901.

24. Васильев С.С., Кобозев Н.И., Еремин Е.Н.// Ж. Физ. Хим. 1936. Т. 10. С. 36.

25. Гусев В.Ю., Кудаев А.Э., Саенко В.Б., Ястребов А.А.// Авт. свидетельство №1537113 (СССР) 1988.

26. Гусев В.Ю., Пирогов В.Г., Рахимов А.Т. и др. // Патент (СССР) №2120152, 1996.

27. Гибалов В.И., Питч Г. // Ж. физ. хим. 1994. Т. 68, №5. С. 931

28. Гибалов В.И. // Ж. Физ. хим. 1994. Т.68, №5 С.926

29. Основы аналитической химии. В 2-х кн.//Под ред. акад. Ю.А. Золотова, 1996 г., кн. 2, стр. 96.

30. Баранов С.С. и др. «Современные конструкции озонаторов», ЦНИТИ химнефтемаш, серия ХМ-1, 1984

31. В. Г. Самойлович и др. «Физическая химия барьерного разряда», МГУ, 198 9.

32. U. Kogelschatz et. al. "Dielectric-Barrier Discharges. Principle and Applications". ICPIG XXIII, July 17 22., 1997, Toulouse, France.

33. Daugherty et. al. US Patent No 3.702.973, МКИ 331/94.5. 1972 г.

34. J. Beaulieu, Appl. Phys. Letters, 1979, 16, 12, p. 504.

35. Ю.С. Акишев и др. "Экспериментальное исследование и численное моделирование тлеющего разряда постоянного тока атмосферного давления". Физика плазмы. 1994, т. 20, № 6, с. 571 584.

36. Manley Т.//Trans. Electroch. Soc. 1944. V.84. P.83.

37. П.С. Новиков, В.Б. Саенко. «Разработка миниозонаторов для медицины». Тезисы докладов международной конференции «Инженерная защита окружающей среды». Москва: МГУИЭ,1999, с. 115 - 116.

38. V.I.Gibalov, P.S. Novikov, A.T.Rakhimov V.B. Saenko. A. B. Saveliev, Concerning barrier discharge structure". Proceedings of 13th International Conference on Gas Discharges and thear Applications (GD2000), Glasgow, UK, 3-8 Sept. 2000 , V.l, p.291-294.

39. П.С. Новиков, В.И. Гибалов, Е.Л. Кондратьев, А.Т. Рахимов, В.Б. Саенко. "Эквивалентная электрическая схема озонатора на барьерном разряде". Инженерная защита окружающей среды: -Тезисы докладов международной конференции. Москва: МГУИЭ, стр.48-50.

40. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К. В.// Физическая химия барьерного разряда.М., 1989.

41. Филиппов Ю.В., Вендилло В.П., Емельянов Ю. М. и др.// Авт. свидетельство № 133560 (СССР), 1960.

42. Louther F.E.// Pat. (U.S.) 3784838, 1974; 3836786, 1974; 3875035, 1975; 3891561, 1975; 3899682, 1975; 3919064, 1975; 3903426, 1975; 3954586, 1976; 3984697, 1976; 39664 74, 1976; 3996122, 1976; 4016060, 1977; 4038165, 1977 .

43. Filippov Yu.V., Vendillo V.P., Ox N.A.// Pat. 119564 (DDR), 1976; 832113 (Belgigue), 1976;.

44. Filippov Yu.V., Vendillo V.P., Ox N.A.// Pat. 928781 (Japan), 1977; 2320261 (Fransaise), 1977; 2534032 (Bundesre-public Deutchland), 1977; 596093 (Schwezerische), 1977; 4011165 (U.S.) 1977.

45. Filippov Yu.V., Vendillo V.P., Ox N.A.// Pat. 1503230 (Great Britain), 1978; 7508431 (Sverige), 1978.

46. Filippov Yu.V., Vendillo V.P., Ox N.A.// Pat. 1060843 (Canada), 1979.

47. Козлов M.B.// Исследование высокочастотного поверхностного разряда с целью повышения эффективности работы электротехнических установок: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1993.

48. В.И Гибалов, А.Т. Рахимов, А.Б. Савельев, В.Б. Саенко// Особенности электросинтеза озона в поверхностном барьерном разряде. Препринт НИИЯФ МГУ № 99 - 18/576. 1999. 28 с.

49. Masuda S. , Akutsu К, Curoda М. et all.// Ceramic-Based Ozonizer using high freguency discharge, Proc. IEEE/IAS, 1985, Annual Conf., Toronto, Canada, P. 1353.

50. Masuda S., Koizumi S., Inone J. et all.// Production of Ozone by Surface and Glow Discharge at Cryogenic Temperatures, Proc. IEEE/IAS, 1986, Annual Conf., Denuer, USA, P. 1235.

51. Okazaki S., Kogoma M. , Uehara M. et all // 4th Inter. Symposium on high pressure chemistry in memory of Michel Lecuiller, Braislawa, 1993.

52. Kagoma M., Okazaki S.// J. Appl Phys 27 1994. P. 19851987 .

53. Kitayama J., Kuzumoto M.// J. Appl Phys 32 1999. P. 30323040.

54. M.M. Kekez, M.M. Barault and J.D. Craggs, J.Phys. D:Appl. Phys., 3, 1970, p. 1886.

55. Дамбраускас С.Г., Новиков П.С., Рахимов А.Т., Саенко В. Б. Источники ультрафиолетового излучения и озона для УФ/Оз экологических технологий.// III Всероссийская конференция «Физические проблемы экологии». Москва, 22-24 мая 2001 г. с. 2 63.

56. Мнацаканян А.Х., Найдис Г.В., Солозов Ю.М. //Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых газов. М. ИВТАН, 1991, с. 47-52.

57. Акишев Ю.С., Левкин В.В., Напартович А.П. и др.//Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых газов. М. ИВТАН, 1991, с. 37-41.

58. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М., 1987.

59. В.В. Иванов, А.Т. Рахимов, Т.В. Рахимова, Н.Н. Рой и д.р.// Исследование генерации в газовых разрядах интенсивного ультрафиолетового излучения для эффективного возбуждения люминофоров. Препринт НИИЯФ МГУ № 97 - 49/500. 1997.

60. Рахимов А.Т., Рой Н.Н., Саенко В.Б. // Патент (РФ) №2125319, 1999.67 . Гусев В.Ю., Рахимов А.Т., Саенко В.Б. // Патент (РФ) №2120152, 1998.68 . Рахимов А.Т., Рой Н.Н., Саенко В.Б. // Патент (РФ) №2125318, 1999.

61. Рахимов А.Т., Рой Н.Н., Саенко В.Б. // Патент (РФ) №2133516, 1999.

62. В.И Гибалов, А.Б Савельев, В.Б. Саенко. Синтез озона в поверхностном барьерном разряде//Журнал физической химии. 2000. Т.74, №6, с. 121-123.

63. В.И Гибалов, А.Т. Рахимов, А.Б Савельев, В.Б. Саенко. Синтез озона в копланарном барьерном разряде//Журнал физической химии. 2000. Т.74, №9, с. 176-178.

64. А.Т. Рахимов, Г.Б. Рулев, В.Б. Саенко. Открытый плазменный источник ультрафиолетового излучения для технологии очистки воды. //Труды III третьего международного конгресса «Вода: экология и технология». М., 1998, с. 312-313.