Химия высоких энергий, 2019, T. 53, № 3, стр. 250-252

Вода, активированная плазмой электрического разряда, представляет интерес с точки зрения применения при производстве продуктов питания, поэтому ее характеристики обсуждаются в литературе [1]. Современное состояние исследований, посвященных плазме электрического разряда, рассмотрено в работе [2].

Излучение плазмы импульсного электрического разряда производит в воде сильный химический эффект [3, 4]. В этих работах и в выполненном нами эксперименте импульсный электрический разряд происходил между электродами, удаленными от поверхности воды на значительное расстояние (30 мм). Направленного потока газа из области разряда к обрабатываемому объекту нет. Поэтому продукты, образующиеся в плазме, не могут непосредственно контактировать с водой. Но относительно долгоживущие продукты (окислы азота NO^• и ${\text{NO}}_{2}^{\centerdot }$) могут диффундировать к поверхности воды и поглощаться в ней. Эти же окислы азота образуются в воде под действием импульсного излучения плазмы. Взаимодействие окислов азота с водой приводит к уменьшению рН [5]. В работе [4] установлено, что энергетические затраты на изменение химического состава воды, приводящего к уменьшению рН, в случае импульсного излучения искрового разряда оказываются меньше, чем при обработке воды скользящим разрядом. Поэтому представляет интерес изучение механизма процессов под действием излучения плазмы, так как использование излучения плазмы в технологических процессах может оказаться более выгодным.

Целью данной работы является изучение электропроводности воды, возникающей под действием импульсного и непрерывного излучения УФ-С диапазона.

Источником импульсного излучения служил генератор ИР50 [3]. Искровой разряд происходил между твердыми электродами, соединенными с разрядным конденсатором С = 680 пф. На конденсатор через балластное сопротивление 8 МОм подавалось высокое напряжение 11 кВ. При включении высокого напряжения начинался самостоятельный искровой разряд. Полная длительность импульса 5 мкс, передний фронт 50 нс, энергия в импульсе 8.1 × 10⁻³ Дж, частота повторения импульсов 50 Гц, мощность разряда 0.4 Дж/с. Ток, потребляемый от источника питания, составлял 0.7 ± 0.02 мА.

Использовались два режима. 1) Режим “со светом”, когда прямое направление от области разряда до поверхности жидкости было открыто. При этом на воду действовало как излучение плазмы, так и продукты, образовавшиеся в разряде. 2) Режим “без света”, когда прямое направление на область разряда было перекрыто непрозрачной пластиной, но продукты, образовавшиеся в самом разряде, могли беспрепятственно диффундировать к поверхности воды.

Источником непрерывного излучения служила ртутная лампа низкого давления ДКБ-9, длина волны излучения λ = 253.7 нм. Мощность лампы 9 Дж/с. Корпус лампы из увиолевого стекла, не пропускающего излучение с λ < 200 нм. Для обеспечения стабильного режима работы лампа прогревалась перед началом измерений 2 ч.

Проводимость воды измеряли кондуктометром Эконикс-Эксперт-002. Объем пробы составлял 5 мл. Использовалась дважды дистиллированная вода, рН 6.5, проводимость G = 7–10 мкСм/см. Расстояние от поверхности воды до области искрового разряда 30 мм, до поверхности ртутной лампы тоже 30 мм.

Результаты эксперимента представлены на рисунке. Проводимость после 20 мин обработки составляла: в режиме “со светом” 8200 ± ± 400 мкСм/см, “без света” 4000 ± 250 мкСм/см, под действием ртутной лампы 15.5 ± 0.5 мкСм/см.

Зависимость от времени при обработке искровым разрядом параболическая, а при обработке излучением ртутной лампы – линейная. Характер зависимости позволяет сделать выводы о механизме реакций образования продуктов. Проводимость воды будет определяться выходом вторичных продуктов. Выход первичных продуктов, из которых образуются вторичные, будет пропорционален времени обработки.

Рассмотрим выход вторичных продуктов в режиме “со светом”. В работе [5] предполагалось, что первичными активными частицами, образующимися в воде под действием излучения, являются возбужденные молекулы воды. На пучке импульсного излучения мгновенная концентрация возбужденных молекул велика, и они могут с заметной вероятностью взаимодействовать между собой:

В присутствии растворенного азота образуются окислы:

Они взаимодействуют в водном растворе:

Продукты, образующиеся в реакциях (1) и (3), будут определять проводимость воды. Концентрация молекул воды в реакциях (1) и (3) не меняется. Поэтому выход реакции (1) будет определяться реакцией второго порядка. Если, как предполагалось в работе [5], окислы NO^• и ${\text{NO}}_{2}^{\centerdot }$ образуются независимо, то реакция (3) также будет иметь второй порядок. Наблюдаемая зависимость проводимости от времени (рис. 1, кривая 1) подтверждает механизм взаимодействий, предложенный в работе [5].

Рис. 1.

Зависимость проводимости пробы воды (G, мкСм/см) от времени обработки t, мин для случаев: 1 – режим “со светом”; 2 – режим “без света”; 3 – излучение ртутной лампы (×100).

Рассмотрим выход вторичных продуктов в режиме “без света”. В искровом электрическом разряде, согласно механизма Зельдовича, образуются радикалы NO^•, которые в присутствии кислорода окисляются до ${\text{NO}}_{2}^{\centerdot }.$ Поглотившись водой, они взаимодействуют согласно реакции (3). Параболическая зависимость проводимости от времени, наблюдаемая экспериментально (кривая 2) означает, что окислы NO^• и ${\text{NO}}_{2}^{\centerdot }$ образуются в области разряда независимо, диффундируют до поверхности воды и поглощаются в ней.

Под действием излучения ртутной лампы проводимость воды увеличивается намного слабее, и проводимость линейно зависит от времени обработки. Под действием ртутной лампы, также как и под действием излучения искрового разряда, образуются радикалы ${\text{HO}}_{2}^{\centerdot }$ и перекись водорода. Механизм их образования рассмотрен в [6]. В работе [6] образование перекиси водорода идентифицировано непосредственно. Излучение не импульсное. Ввиду малой плотности возбужденных молекул воды они практически не взаимодействуют между собой. Тогда они взаимодействуют с молекулами воды или с растворенным кислородом в реакциях первого порядка (предполагается, что концентрация воды и растворенного кислорода не меняются):

Выход перекиси водорода, которая определяет проводимость воды в этом процессе, должен линейно зависеть от концентрации H₂O* и от времени обработки. Линейная зависимость наблюдается экспериментально (кривая 3). Таким образом, выполненный эксперимент подтверждает механизм образования перекиси водорода под действием света, предложенный в работе [6].