imp_1_20120907
.pdf5 кВ и ГНИ с амплитудой 6 кВ. Для облучения больших масс расплавов ис-
пользовался ФИД-генератор с параметрами импульсов: амплитуда 10 кв, дли-
тельность 1 нс, передний фронт 0,1 нс, частота повторения 1 кГц. Отличитель-
ной особенностью используемых генераторов является малая потребляемая мощность 50…100 Вт.
Таблица 3.1
|
Амплитуда, кВ |
Длительность, нс |
Частота, кГц |
Фронт, нс |
Нагрузка, Ом |
|
|
|
|
|
|
Генераторы |
30 …450 |
10…40 |
0,1 |
– |
200…300 |
ИЭФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Генераторы |
5…10 |
1 |
1 |
0,1 |
50 |
ИЯФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Генераторы |
1…100 |
0,1…10 |
0,1…100 |
0,01…1 |
0,2…1000 |
ФИД |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.2 Излучатели
Конструкции и характеристики большого количества излучателей наносекундных импульсов приведены в работе [37]. При проведении исследо-
ваний по воздействию наносекундных импульсов на химические свойства ве-
щества, условия работы излучателей принципиально отличаются от их тради-
ционного использования. Первое условие – это возможность работы излуча-
теля в жидкой среде водном растворе или в расплаве металлов. Второе – малые габариты излучателя, третье условие – обеспечение безопасности обслужива-
ющего персонала.
Экспериментальные исследования характеристик излучателей погружен-
ных в водные растворы с малой проводимостью показали, что они мало отли-
чаются от соответствующих характеристик в воздухе. Уменьшение габаритов излучателя приводит к двум противоположным эффектам. С одной стороны при уменьшении расстояния между активными элементами излучателя возрас-
тает напряженность поля между ними. С другой стороны происходит умень-
31
шение поверхности излучения, что приводит к снижению КПД излучателя.
Требование обеспечения безопасности обслуживающего персонала очень про-
сто выполнить путем помещения всего экспериментального комплекса в за-
мкнутый металлический экран.
Для экспериментальных исследований жидкостей применялись следую-
щие типы излучателей.
Излучатель 1 представляет собой рупор с раскрывом 60х60 мм длиной
90 мм. Рупор изготовлен из треугольных пластин фольгированного стеклотек-
столита, которые покрыты изолирующим лаком. Питание рупора несиммет-
ричное непосредственно от кабеля. Для проведения облучения жидкости рупор погружается в неё. Это излучатель поверхностного типа.
Излучатель 2 представляет собой рупор с раскрывом 90х120 мм дли-
ной 240 мм. Рупор изготовлен из пластин фольгированного стеклотекстолита.
Питание рупора несимметричное непосредственно от кабеля.
Облучаемые растворы в стеклянных емкостях помещаются внутрь излу-
чателя между его обкладками. Это излучатель поверхностного типа.
Излучатель 3 («стержень в стакане») содержит круглый стержень из меди или стержень с серебряным покрытием. Этот стержень погружается в стакан с жидкостью непосредственно или в изолирующей пробирке. Со стерж-
нем соединяется вывод центральной жилы кабеля. Вывод оплетки кабеля со-
единяется со стаканом, если он изготовлен из металла. Если стакан из стекла,
то он помещается в экран из медной фольги или сетки. С этим экраном соеди-
няется вывод от оплетки кабеля. Для более эффективной работы диаметры стержня и стакана должны находиться в определенной пропорции, которая за-
висит от свойств облучаемой жидкости. Этот излучатель подобен коаксиальной линии.
32
Для больших количеств облучаемой жидкости используется установка проточного типа рис.3.1. Установка работает следующим образом. Перед
Рис.3.1 Схема установки: 1- генератор НЭМИ, 2-излучатель, 3-корпус ре-
актора, 4-блок форсунок, 5- емкость с обрабатываемой жидкостью, 6-манометр,
8, 9, 10, 11 -вентили.
облучением при открытом вентиле 8, через вентиль 9 в емкость 5 заправляется обрабатываемая жидкость. После чего вентили 8 и 9 закрываются. Включается генератор НЭМИ. Сжатый воздух, под давлением 4 атмосферы, через вентиль
11 подается на наддув емкости с обрабатываемой жидкостью 5. Постоянство рабочего давления контролируется манометром 6. Под действием давления,
жидкость через вентиль 7 поступает в блок форсунок 4, и далее распыляется во внутренней полости реактора. При работе генератора, в рабочей зоне реактора возникает импульсное электромагнитное поле, которое воздействует на обра-
батываемое вещество. Облученная жидкость скапливается в нижней части кор-
пуса реактора и через вентиль 10 сливается в свободный резервуар. После за-
вершения цикла прогонки, закрываются вентили 7 и 11. Затем открывается вентиль 8, через который осуществляется стравливание избыточного давления
33
из емкости 5. Отключается генератор НЭМИ и закрывается вентиль 10. В
опытном макете установки скорость обработки жидкостей составила 4 л/мин.
Использование воздушного наддува позволяет избежать контакта обрабатыва-
емой жидкости с деталями насоса.
Для облучения расплавов металлов использовалась установка показан-
ная на рис.3.2. В данной установке тигель должен быть из проводящего мате-
риала - металла или графита. Защитная кварцевая или алундовая трубка пред-
назначена для изоляции излучателя от расплава.
Рис. 3.2 Схема установки: 1 – печь сопротивления; 2 – токопроводящий ти-
гель с расплавом; 3 – защитная трубка; 4 – излучатель; 5 – асбестовая крышка;
6 – подводящий кабель; 7– генератор импульсов.
Излучатель лучше в виде медного стержня. При высоких температурах распла-
ва – из более тугоплавкого металла. Излучатель и защитная трубка вставляются в тигель после расплавления металла.
34
РАЗДЕЛ 4
ОБЛУЧЕНИЕ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
4.1. Облучение дистиллированной воды
При проведении исследований по воздействию наносекундных импульсов на свойства воды в качестве измеряемых параметров были взяты водородный показатель рН и электрические характеристики воды диэлектрическая прони-
цаемость ε и удельное сопротивление ρ. Для измерения рН использовался при-
бор рН–673М, его ошибка измерения 0,02% от измеряемой величины рН.
Измерения электрических параметров воды проводились в электрохими-
ческой ячейке – колбе емкостью 50 мл, которая изготовлена из химически стойкого стекла. Внутрь колбы впаяны два платиновых электрода размером
20х20 мм, которые расположены параллельно на расстоянии l = 2,5 мм. Внутрь колбы заливалась исследуемая вода.
Электрические параметры Rс – сопротивление емкостное, τ – постоянная времени, RL – сопротивление активное и С – емкость измерялись мостом пере-
менного тока Р–5010, погрешность измерений 0,5% от измеряемой величины.
По измеренным значениям Rс и τ вычислялась емкость плоского конденса-
тора С, который образован платиновыми электродами С = τ/ Rс, эквивалентная схема - параллельное соединение R и С). Известно, что емкость плоского кон-
денсатора с диэлектриком С в ε раз больше, чем воздушного. Измеренное зна-
чение емкости при пустой ячейке составило С0 = 3,59 пф. Зная С и С0, можно определить ε раствора, который залит в измерительную ячейку.
Облучение дистиллированной воды двойной перегонки (БД – бидистил-
лят) проводилось в стеклянной колбе Ø80 высота 170 мм. Объём воды 700 мл.
Использовался генератор типа GNP с излучателем 1. Время облучения изменя-
лось.
35
Результаты измерений рН и ε двух серий опытов представлены в таблице
4.1.
Таблица 4.1
Влияние облучения НЭМИ на характеристики воды
Вода |
Время облу- |
рН, ед. |
Диэлектрическая |
|
чения |
|
проницаемость |
|
|
|
ε, ед. |
|
Исх. |
6,7 |
55,71 |
Бидистиллят |
100 с |
6,7 |
56,80 |
|
200 с |
6,7 |
57,15 |
|
20 мин |
6,8…6,85 |
60,16 |
Небольшие изменения рН воды (на 0,1…0,15 ед.) происходят при обработ-
ке ее в течение 20 мин, при этом наблюдается увеличение диэлектрической проницаемости ε. Она увеличивается в среднем на 7,8…8,1% после 20 мин об-
работки. Дальнейшее увеличение времени не приводит к значительным изме-
нениям ε,
В табл.4.2 представлены экспериментальные данные измерения удельного электрического сопротивления ρ дистиллированной воды двойной перегонки.
Удельное сопротивление раствора ρ, который залит в измерительную ячейку вычислялось по формуле:
,
где - измеренное значение сопротивления ячейки, S – площадь платиновых пластин.
При времени обработки НЭМИ дистиллированной воды 20 мин ее ρ сни-
жается в среднем на 20…22%. Это уменьшение ρ сохраняется на свету в тече-
нии 24 часов.
Определенный интерес представляют данные о характеристиках воды по-
сле облучения и последующего ее хранения в темноте.
36
Таблица 4.2
Влияние облучения НЭМИ на характеристики воды
Вода |
рН, ед |
, |
τ, мс |
ρ, Ом м |
|
|
кОм |
|
|
Исходная |
6,6 |
7,766 |
1,65 |
1242,56 |
Облучена, 20 мин |
6,7…6,75 |
6,371 |
1,45 |
1019,36 |
Удельное электрическое сопротивление ρ воды (табл.4.2) после обработки НЭМИ и нахождения ее в темноте в течение 96 часов, снижается по сравнению с обработанной водой, но хранящейся на свету за это же время (96 час) на
64,7%. Однако, последующее нахождение воды на свету в течение 24 часов приводит к росту ρ, но эта величина не достигает первоначального значения.
Это свидетельствует о том, что в структуре обработанной НЭМИ воды образо-
вались также ассоциации молекул воды и радикалов, которые значительно снижают ее удельное сопротивление.
Из литературы известно, что воздействие постоянного тока на воду – элек-
тролиз также изменяет свойства воды. В табл.4.3 приведены результаты изме-
рения удельного сопротивления ρ, диэлектрической проницаемости ε и рН ди-
стиллированной воды до и после облучения. Там же для сравнения даны значе-
ния этих параметров при электролизе воды под напряжением 1,2 В. Для облу-
чения и электролиза использовался излучатель третьего типа, изготовленный из графита. Он состоит из графитового сосуда 44 мм, высота 110 мм, объем
140 мл. По центру сосуда расположен графитовый электрод 8 мм и длиной 90
мм. В данной установке полностью исключено влияние материала электродов на характеристики раствора, т.к. углерод не подвергается электролизу. Для об-
лучения использовался генератор GNP. Время облучения и электролиза 30 мин.
Таблица 4.3
37
Свойства воды
Параметр |
Исходная |
Облученная |
Электролиз |
|
|
НЭМИ |
1,2 В |
рН |
5,61 |
5,85 |
5,75 |
|
53,9 |
63 |
55,6 |
, Ом м |
1982 |
769 |
1552 |
Из таблицы видно, что после облучения происходит увеличение рН, уве-
личение ε и значительное уменьшение сопротивления. Результаты воздействия электролиза значительно меньше.
4.2 Облучение водных растворов
Далее под понятием водный раствор будем понимать любой водный рас-
твор, который содержит соли различных металлов и другие химические соеди-
нения. Целесообразно провести деление по количеству содержащихся веществ.
При малой концентрации веществ будем использовать понятие природная (пи-
тьевая) вода, при большой – модельный раствор или сточная вода.
4.2.1. ОБЛУЧЕНИЕ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ
Облучение родниковой воды производилось в пластмассовой ванночке размером 250х140х120 мм, объём воды 3 л. Излучатель выполнен из двух гра-
фитовых электродов 120х100х20 мм, расстояние между электродами 190 мм.
Генератор типа GNP, время облучения 30 мин. В процессе облучения вода пе-
ремешивалась магнитной мешалкой. Содержание некоторых элементов приве-
дено в табл.4.4.
Таблица 4.4
38
Содержание примесей, мг/л
Элемент |
Ca |
Mg |
Fe |
Хлориды |
Исходная |
47,09 |
10,33 |
0,531 |
17,35 |
Облученная |
46,09 |
9,72 |
0,119 |
17,35 |
Из таблицы видно, что произошло незначительное снижение содержания кальция и магния, значительно уменьшилось содержание железа.
Облучение воды из артезианской скважины проводилось в стеклянной колбе Ø80 высота 170 мм. Объём воды 700 мл. Использовался генератор типа
GNP с излучателем 1. Время облучения 20 мин. Свойства этой воды представ-
лены в табл.4.5 и 4.6.
Таблица 4.5
Химические свойства воды
Показатель |
рН |
Сух. |
Бикарбо- |
Нитраты, |
Хлориды, |
Жесткось, |
|
|
ост., |
наты, |
мг/л |
мг/л |
ммоль/л |
|
|
мг/л |
мг/л |
|
|
|
Исходная |
7,03 |
32,0 |
14,6 |
3,69 |
5,69 |
0,20 |
Облученная |
7,4 |
27,0 |
9,76 |
4,13 |
5,69 |
0,14 |
Таблица 4.6
Содержание ионов металлов в воде, мг/л
|
Элемент |
Ca |
|
Mg |
Na |
K |
Cu |
Fe |
Zn |
Mn |
|
Ni |
Co |
|
|
Исходная |
3,2 |
|
0,49 |
3,6 |
1,0 |
0,15 |
1,56 |
0,86 |
0,01 |
|
0,09 |
0,09 |
|
|
Облученная |
2,0 |
|
0,49 |
3,6 |
1,0 |
0,13 |
1,07 |
0,37 |
0,02 |
|
0,043 |
0,013 |
|
Из таблиц видно, |
что мало изменяются: содержание, |
хлоридов и ионов |
Mg, Na, K. Значительные изменения наблюдаются в содержании нитратов,
ионов металлов Fe, Zn, Ni, Co.
Обработка воды взятой из колодца проводилась на установке проточного типа. Общий объем воды 30 л. Скорость пропускания воды 4 л/мин. Использо-
вался генератор типа ГНИ. Результаты анализа химических свойств воды пред-
ставлены в табл.4.7, 4.8. Проба «Облученная 1» взята после однократного про-
пускания через установку, проба «Облученная 3» после трехкратного пропус-
кания раствора. Отбор проб проводился в средине цикла пропускания.
39
Таблица 4.7
Химические свойства воды
Показатель |
рН |
Сух. |
Бикарбо- |
Карбо- |
Нитраты, |
Хлориды, |
Сульфаты |
Жестк., |
|
|
ост., |
наты, |
наты, |
мг/л |
мг/л |
мг/л |
моль/л |
|
|
мг/л |
мг/л |
мг/л |
|
|
|
|
Исходная |
9,2 |
1004,2 |
95,2 |
– |
2,6 |
149,1 |
509,6 |
15, |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
Облучен.1 |
7,2 |
987,0 |
97,6 |
14, |
2,9 |
143,5 |
499,5 |
15, |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
1 |
Облучен.3 |
7,84 |
891,1 |
87,2 |
9,6 |
30,7 |
154,8 |
294,4 |
13, |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Таблица 4.8
Содержание ионов металлов в воде, мг/л
Элемент |
Ca |
Mg |
Na |
K |
Cu |
Fe |
Zn |
Mn |
Ni |
Co |
Исходная |
213,0 |
58,3 |
20,0 |
4,0 |
0,106 |
0,234 |
0,4 |
0,025 |
0,014 |
0,08 |
Облучен. 1 |
214,6 |
53,0 |
21,0 |
3,6 |
0,074 |
0,095 |
0,251 |
0,042 |
0,023 |
0,09 |
Облучен. 3 |
216,2 |
27,5 |
20,0 |
3,6 |
0,064 |
0,126 |
0,441 |
0,037 |
0,007 |
0,09 |
Из таблиц видно, что мало изменяются: сухой остаток, содержание бикар-
бонатов, хлоридов, общая жесткость, содержание ионов Ca, Na, K. Значитель-
ные изменения наблюдаются в содержании нитратов, ионов металлов Cu, Fe, Zn.
Приведенные опыты показывают, что облучение воды НЭМИ может быть использовано для очистки воды от тяжелых металлов.
Для сравнения с другими методами очистки был проведен эксперимент по измерению содержания ионов железа в водопроводной воде после очистки в серийно выпускаемом фильтре «Изумруд» и после облучения НЭМИ. В филь-
тре «Изумруд» используется комбинированное воздействие на воду постоянно-
го электрического тока и ряда катализаторов. Это очиститель проточного типа с производительностью 1 л/мин. Облучение воды НЭМИ проводилось в стек-
лянной колбе Ø100 высота 200 мм. Объём воды 1 л. Использовался генератор типа GNP с излучателем 1. Время облучения 10 мин. Результаты эксперимента представлены в табл.4.9.
40