1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Химия высоких энергий
  4. T. 54, № 5, 2020

Химия высоких энергий, 2020, T. 54, № 5, стр. 415-420

Влияние электромагнитных импульсов на образование кристаллов меди

В. В. Крымский a, Ю. Г. Мингажева a, *

a Южно-Уральский государственный университет
454080 Челябинск, проспект Ленина, 76, Россия

* E-mail: yulya_mingazheva@mail.ru

Поступила в редакцию 13.04.2020
После доработки 13.04.2020
Принята к публикации 20.04.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

В статье представлены экспериментальные результаты воздействия наносекундных электромагнитных импульсов (НЭМИ) на образование кристаллов меди. Установлена возможность получения конгломератов железа размером порядка 90 нм, что свидетельствует о влиянии НЭМИ на образование новых соединений очень малых размеров. Также выявлено влияние НЭМИ на образование кристаллов меди на электроде.

Ключевые слова: наносекундные электромагнитные импульсы, наноструктурные конгломераты, рентгеноспектральный микроанализ, кристаллы меди

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время возрастает всеобщий интерес к процессам, происходящем в жидкостях при электрическом разряде в ней [1–9]. Гидродинамический эффект при электрическом разряде в воде представлены в работах Наугольных и Рай [10], Юткина [12].

В работax [10, 11] определены два вида пробоев междуэлектродного пространства стриммерный и тепловой. Стриммерный или лидерный пробой происходит при высоких напряжениях между острием, соединенным с положительным полюсом источника и плоскостью, соединенной с отрицательным полюсом. При тепловом пробое ток проводимости разогревает и испаряет воду у электродов. Образуется газовый мостик, по которому пробой идет дальше.

В обоих случаях после образования канала разряда ток разогревает плазму до 104 К при давлении 103 атм. Плотность плазмы достигает до 1020 частиц в см3. Приводятся формулы для напряженности электрического поля между электродами и максимальной длины пробиваемого промежутка. Основное внимание уделено механизму возникновения и характеристикам гидродинамического удара. Вопросы воздействия на химический состав воды не рассматриваются.

К основным параметрам разряда относят энергию и длительность разряда. Оба эти параметры могут существенно отличаться и зависят, прежде всего, от целей использования электрического разряда в жидкости. Примерный разброс энергий разряда может быть от 1 до 105 Дж, мощность разряда может достигать величин порядка 102–105 кВт. Экспериментально выяснено, что наибольшее КПД разряда достигается при длительности разряда от 10–1 до 100 мкс. Однако используются разряды, длительность которых может лежать в диапазоне от 10–4 до 10–6 с. Плотность энергии в некоторых случаях достигает величины порядка 102–103 Дж/см3.

В работах [12, 13] рассмотрены аналогичные вопросы. Дан более подробный анализ процесса возникновения кавитационной полости и проведен анализ свойств возникающего магнитного поля. Вопросы влияния разряда на химический состав разрядной среды даны в описательной форме. Используется распад воды только на две части Н+ и ОН–. Главное внимание уделено вопросам технического использования разряда.

Существуют методы получения нанодисперсных оксидов металлов электрохимическим синтезом с помощью переменного тока. В работах [14, 15] представлены результаты получения нанодисперсного оксида никеля при плотности переменного синусоидального тока 2.5 А/см2, частоте 20 Гц и температуре 343 К.

Принципиальное отличие нашего подхода заключается в отсутствии в жидкости локального канала разряда [10–13] и от работ [14, 15] родом электромагнитного воздействия. Импульсы генерируются специальными генераторами. Импульсному воздействию практически одновременно подвергается некоторый объем жидкости. Некоторые результаты этого подхода представлены в наших работах [16–20].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для исследования воздействия НЭМИ на процесс образования кристаллов меди и конгломератов железа, использовался генератор с параметрами: длительность импульсов 1 нс с фронтом 0.1 нс, амплитуда импульсов 6–15 кВ, частота повторения 1 кГц, потребляемая от электрической сети мощность менее 100 Вт [16]. Из-за малой длительности импульса, в растворе не возникает электрический пробой.

Объем пробы раствора 600 мл. Обработка производилось в стеклянном сосуде, диаметром 80 мм, высотой 150 мм, в экране из медной фольги. В качестве электрода импульсов использовался тонкий стержень из стали с никелевым покрытием: диаметр 1.5 мм, длина 115 мм, глубина погружения 45 мм. Температура помещения 24°С. Изначально раствор нагрели до 92°С. Время обработки 10 мин. На рис. 1 представлена экспериментальная лабораторная установка. Для обработки использовался раствор, состав которого приведен в табл. 1.

Рис. 1.

Экспериментальная установка: 1 – термометр; 2 – электрод; 3 – обрабатываемый раствор; 4 – стеклянный сосуд в экране из медной фольги; 5 – теплоизолятор; 6 –электрическая печь, 7 – генератор НЭМИ.

Таблица 1.  

Состав раствора

Наименование реагента Концентрация реагента, г/л
CuSO4 · 5H2O 20
NiSO4 · 7H2O 24

Морфологические особенности образовавшихся соединений, электрод до и после обработки, выпавшего осадка изучали на электронном микроскопе JEOL JSM 648 CLV с приставкой для рентгеноспектрального микроанализа.

После обработки образовался коллоидный раствор, на электроде налет коричневого цвета. Через 5 мин налет приобрел темно-коричневый цвет. На рис. 2 представлены микрофотографии поверхности электрода до и после обработки.

Рис. 2.

Электронные микрофотографии поверхности электрода до (а) и после (б) обработки.

На поверхности электрода после обработки наблюдаются кристаллы меди правильной формы, которые представлены на рис. 3.

Рис. 3.

Электронная микрофотография новообразований кристаллов меди на поверхности электрода после обработки.

В табл. 2 приведен общий химический состав поверхности электрода до и после обработки.

Таблица 2.

Результаты рентгеноспектрального микроанализа, в вес. %

Микрофо-тография O S Fe Ni Cu Итог
Рис. 2а 0 0 5.99 94.01 0 100.00
Рис. 2б 16.26 2.59 23.00 4.44 53.72 100.00
Рис. 3 15.67 1.49 9.16 0 73.69 100.00

Также был проведен рентгеноспектральный микроанализ выпавшего осадка. На рис. 4 представлены микрофотографии, в табл. 3 приведен общий химический состав осадка раствора.

Рис. 4.

Электронные микрофотографии конгломератов железа в осадке после обработки раствора НЭМИ.

Таблица 3.  

Результаты рентгеноспектрального микроанализа, в вес. %

Микрофо-тография O S Fe Ni Cu Итог
Рис. 4 41.68 5.48 41.98 2.96 7.89 100.00

Был исследован электрод после выдержки в растворе без обработки. Опыты проводились при таких же условиях. В качестве электрода использовался тонкий стержень из стали с никелевым покрытием: диаметр 1.5 мм, длина 115 мм, глубина погружения 45 мм. Температура помещения 24°С. Изначально раствор нагрели до 92°С. Время выдержки электрода 10 мин.

На электроде образовался коричневый налет, образовался коллоидный раствор. На рис. 5 представлены микрофотографии поверхности электрода после выдержки в растворе.

Рис. 5.

Электронные микрофотографии поверхности электрода после выдержки в растворе: (а) – середина электрода, (б) – кончик электрода.

Из микрофотографий видно, что процесс коррозии электрода на кончике более интенсивный. На поверхности электрода после обработки наблюдаются кристаллы меди, которые представлены на рис. 6.

Рис. 6.

Электронные микрофотографии новообразований кристаллов меди на поверхности электрода после выдержки.

В табл. 4 приведен общий химический состав поверхности электрода до и после выдержки.

Таблица 4.  

Результаты рентгеноспектрального микроанализа, в вес. %

Микрофотография O Al S Fe Ni Cu Итог
Рис. 5а 11.17 – 1.79 12.34 4.19 70.51 100.00
Рис. 5б 9.22 1.17 2.24 4.46 20.76 62.15 100.00
Рис. 6 4.37 – 0.60 3.54 1.00 90.49 100.00

Также был проведен рентгеноспектральный микроанализ выпавшего осадка. На рис. 7 представлены микрофотографии, в табл. 5 приведен общий химический состав осадка раствора.

Рис. 7.

Электронные микрофотографии конгломератов железа в осадке после выдержки электрода в растворе.

Таблица 5.  

Результаты рентгеноспектрального микроанализа, в вес. %

Спектр O S Fe Ni Cu Итог
Рис. 7 33.78 4.85 50.94 2.16 8.27 100.00

ВЫВОДЫ

1. При погружении электрода – стального стержня с никелевым покрытием в раствор, содержащий соли NiSO4 и СuSO4, концентрацией 5 г/л, происходит процесс коррозии, замечено, что на кончике стержня процесс интенсивный. На электроде образуются кристаллы меди, а в осадок выпадают конгломераты железа с размерами 300–800 нм.

2. Образовавшийся налет на электроде в основном состоит из кристаллов соединений меди правильной формы, что свидетельствует о влиянии НЭМИ на пространственное построение соединение химических элементов.

3. О влиянии НЭМИ на образование новых соединений очень малых размеров свидетельствует тот факт, что при обработке раствора электродом из стали с никелевым покрытием, наблюдается выпадение осадка из конгломератов железа порядка 90 нм, который меньше в 3 раза от результата без обработки.

Список литературы

  1. Bing Sun, Yanbin Xin, Xiaomei Zhu, Zhiying Gao, Zhiyu Yan, Takayuki Ohshima // Biochimica et Biophysica Acta (BBA). Biomembranes. 2017. V. 1859. P. 2040.

  2. Ryan C. Burke, Sylvia M. Bardet, Lynn Carr, Sergii Romanenko, Delia Arnaud-Cormos, Philippe Leveque, Rodney P. O’Connor // Bioelectrochemistry. 2018. V. 120. P. 112.

  3. Gontad F., Perrone A. // Appl. Surface Sci. 2017. V. 480. P. 430.

  4. Fan Yang, Yongfeng Lu // Optics & Laser Technology. 2017. V. 93. P. 194.

  5. Shakhova N.B., Yurmazova T.A., Tran TuanHoang, Nguyen TuanAnh // Procedia Chemistry. 2015. V. 15. P. 292.

  6. Rajha Hiba N., Abi-Khattar Anna-Maria, Kantar Sally El, Boussetta Nadia, Lebovka Nikolai, Maroun Richard G., Louka Nicolas, Vorobiev Eugene // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2019. V. 58. P. 102212.

  7. Chadni Morad, Grimi Nabil, Ziegler-Devin Isabelle, Brosse Nicolas, Bals Olivier // Carbohydrate Polymers. 2019. V. 222. P. 115019.

  8. Korobeynikov S.M., Ovsyannikov, A.G. Ridel A.V., Karpov D.I., Lyutikova M.N., Kuznetsova Yu.A., Yassinskiy V.B. // J. Electrostatics. 2020. V. 103. P. 103412.

  9. Hang Dong, Yonghong Liu, Ming Li, Yu Zhou, Tong Liu, Dege Li, Qiang Sun, Yanzhen Zhang, Renjie Ji // J. Manufacturing Processes. 2019. V. 46. P. 118.

  10. Наугольных К.А., Рай К.А. Электрические разряды в воде. М.: Наука. 1971. 155 с.

  11. Bing Sun, Yanbin Xina Xiaomei Zhu, Zhiying Gao, Zhiyu Yan, Takayuki Ohshima // Bioelectrochemistry. 2018. V. 120. P. 112.

  12. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986. 253 с.

  13. QI Liqiang, Zhang Yajuan // J. Hazardous Materials. 2013. V. 256–257. P. 10.

  14. Килимник А.Б., Острожкова Е.Ю. Электрохимический синтез нанодисперсных порошков оксидов металлов: монография. Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО “ТГТУ”, 2012. 144 с.

  15. Никифиророва Е.Ю., Килимник А.Б. // Коррозия: материалы, защита. 2011. № 3. С. 27.

  16. Белкин В.С., Бухарин В.А., Дубровин В.К. и др. / Под ред. В.В. Крымского. Челябинск: Изд-во “Татьяна Лурье”, 2001. 119 с.

  17. Крымский В.В., Балакирев В.Ф. // Доклады РАН. 2002. Т. 385. № 6. С. 786.

  18. Балакирев В.Ф., Крымский В.В., Батурин В.А., Грешняков А.П. // Труды VI Международной конференции “Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах”. Томск: Изд. ТПУ, 2008. С. 419.

  19. Балакирев В.Ф., Крымский В.В., Кулаков Б.А., Хосен Ри. Электроимпульсные нанотехнологии. Екатеринбург: УрО РАН, 2009. 141 с

  20. Балакирев В.Ф., Крымский В.В., Шабурова Н.А. Наноимпульсные технологии / Под ред. академика РАН Л.А. Смирнова. Челябинск: Изд-во ЧелЦНТИ. 2012. 124 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Химия высоких энергий

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал