Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » Механизмы образования

Механизмы образования различных видов ионов в электроэффлювиальном ионизаторе

Зайцев Ю.В., Соловьёв А.В. (slik e r@yahoo.com), Носачёв К.В.

МЭИ

Необходимость исследования физико-химических процессов, происходящих при коронном разряде, вызвана отсутствием надежных экспериментальных данных, которые можно было бы использовать для проектирования воздухоочистителей, ионизаторов, озонаторов, а также медицинских приборов с заданными характеристиками.

Благодаря ионизации воздуха из O2 образуются так называемые активные формы кислорода (АФК). Эти соединения являются окислителями или реакционоспособными свободными радикалами. Рассмотрим

образование АФК и их свойства. Молекула кислорода O2 содержит два неспаренных электрона (рис1.), и поэтому является бирадикалом . Рис.1. Образование молекулы кислорода по методу МО

Однако неспаренные электрона расположены на п *2py и п *2pz орбиталях и поэтому

молекула остаётся относительно стабильной.

В электроэффлювиальном ионизаторе основным эффектом на котором основано образование АФК является возникновение коронного разряда. Рассмотрим это явление подробнее.

Коронный разряд - высоковольтный самостоятельный электрический разряд в газе при давлениях около 1 атм, возникающий в резко неоднородном электрическом поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (острия, тонкие иглы, лезвия). В этих зонах происходит ионизация и возбуждение нейтральных атомов и молекул при соударениях с электронами и ионами. В результате вокруг электродов возникает светящийся ореол - корона . При постоянном напряжении различают три вида короны: униполярная положительная, когда коронирует только один положительный электрод; униполярная отрицательная, когда коронирует один отрицательный электрод; биполярная, когда коронируют электроды обоих знаков. При переменном напряжении с частотой порядка 100 кГц возникает т. н. высокочастотная корона, отличающаяся от




перечисленных выше, структурой области ионизации, величиной тока и другими параметрами.

Основными процессами генерации электронов, обеспечивающими воспроизводство лавин и, следовательно, самостоятельности коронного разряда являются автоэлектронная эмиссия (туннельная эмиссия), фотоэффект на поверхности электродов и объемная фотоионизация собственным излучением разряда. Под автоэлектронной (туннельной) эмиссией понимают испускание электронов проводимости (свободных электронов) твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности (около 107 В/см) у их поверхности. Автоэмиттеры (холодные катоды) имеют большую кривизну поверхности (острия, лезвия и тонкие проводники). Автоэлектронная эмиссия характерна для отрицательной короны. Фотоэффект - это испускание электронов твердым и жидким веществом под действием электромагнитного излучения, а фотоэффект на отдельных атомах и молекулах (газообразное состояние вещества), называют фотоионизацией.

Рассмотрим процессы, протекающие при отрицательном коронировании. Электроды окружены нейтральными молекулами воздуха, в основном азотом и кислородом. Количество заряженных частиц и молекул инертных назов столь мало по сравнению с числом нейтральных молекул азота и кислорода, что ими можно пренебречь. При создании электрического поля между электродами ток в цепи отсутствует, так как отсутствуют носители электрического заряда. При небольшой разности потенциалов между электродами напряженность электрического поля относительно не велика. Это поле поляризует нейтральные молекулы азота и кислорода, и они устремляются к иглы, ведь у ее поверхности электрическое поле резко неоднородное. Поляризованные молекулы в неоднородном электрическом поле приобретают дополнительную энергию, но на этом этапе еще недостаточную, чтобы вызвать ионизацию других молекул или выбивание электронов с поверхности иглы. Также поляризуются и перемещаются к иглы микроскопические частицы (пыль, соринки и т. д.). У поверхности иглы происходит увеличение числа поляризованных молекул и их электрический дипольный момент. Положительные заряды поляризованных молекул обращены к отрицательно заряженной иглы(рис. 2.).




Рис.2. Поляризация нейтральных молекул у острия.

По мере увеличения разности потенциалов между электродами и, соответственно, растет напряженность электрического поля у поверхности иглы. Наступает момент, когда смещение положительного электрического заряда молекулы (электроны на внешней оболочке) становится столь большим, что положительно заряженное ядро уже не в состоянии удерживать электроны (по крайней мере, хотя бы одного). Происходит ионизация молекулы, она теряет

электрон и становится положительно заряженным ионом(рис 3). При этом силы,

ион, резко возрастают

и

изменяют

направление


действующие на противоположное.

Силы кулоновского притягивания (игла заряжена отрицательно) перемещают положительно заряженные ионы воздуха к отрицательно заряженным иглам, а электроны, полученные в результате ионизации, попадают на положительные электроды. Каждый положительно заряженный аэроион создает в окружающем пространстве свое

неоднородное электрическое поле, которое также поляризует нейтральные молекулы воздуха и увлекает их за собой к осадительным электродам. Аэроионы обоих знаков, окруженные нейтральными поляризованными молекулами воздуха в научной литературе часто называют легкими аэроионами в отличие от заряженных микроскопических частичек пыли и аэрозоля, которые являются тяжелыми аэроионами. Фактически, в направленное движение приходят не только положительно заряженные аэроионы, но и десятки и сотни нейтральных молекул, создавая ощутимые воздушные потоки, скорости, которых могут достигать 2-3 м/с. Этот воздушный поток получил название ионного ветра . Участвуя в тепловом движении, испытывая многократные акты соударения с нейтральными молекулами и мелкодисперсной пылью аэроионы прилипают , захватываются последней и приобретают электрический заряд соответствующего знака.

Рис.3. Образование ионов и электронов из нейтральных молекул



Заряженные пылинки под действием сил кулоновского притяжения осаждаются на заряженных пластинах противоположного знака, тем самым, очищая воздушную среду.

Рассмотрим более подробно физико-химические процессы, протекающие при отрицательном коронировании. При ионизации нейтральной молекулы в неоднородном электрическом поле образуются отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный ион кислорода или азота. Энергия ионизации атома азота выше, чем энергия ионизации атома кислорода, но концентрация молекул азота больше, поэтому однозначно нельзя сказать: какие аэроионы будут преобладать. По мере удаления от коронирующего электрода ионы получают меньшее ускорение (напряженность электрического поля убывает) и уже не могут приобрести энергию, необходимую для нового акта ионизации. Участвуя в тепловом движении, испытывая многочисленные соударения с нейтральными молекулами они дрейфуют с относительно небольшими скоростями к осадительным пластинам. Образуется область объемного положительного заряда, внутри которой практически отсутствуют электроны и отрицательно заряженные ионы.

Электроны, испущенные коронирующими электродами, в неоднородном электрическом поле приобретают кинетическую энергию, способную вызвать ударную ионизацию молекул кислорода и азота. При ионизации молекулы азота получается

положительно заряженный молекулярный ион азота N2 + и дополнительно электрон. Возможна также диссоциация молекулы на два атома, а потом ионизация атома с образованием атомарного иона N + . Образующийся при этом электрон имеет кинетическую энергию, недостаточную для последующей ионизации, да и электрон, вызвавший первичную ионизацию, потерял большую часть своей энергии, также не способен ионизировать нейтральные молекулы. В результате на каждый положительно

заряженный молекулярный ион азота N2 + или атомарный N + приходится по два электрона с небольшой кинетической энергией. Аналогичным образом происходит ионизация молекул кислорода с образованием положительно заряженного молекулярного

иона O2 + и атомарного иона O +. Атомарный кислород - это сильнейший окислитель,

способный вступать в самые разнообразные химические реакции. Вначале своего пути положительные ионы имеют возможность захватить недостающие электроны и обратиться в нейтральные молекулы, если их скорость меньше скорости электронов на первой боровской орбите.

В своих экспериментах А. Л. Чижевский показал зависимость концентрации юроионов от величины напряжения на коронирующем электроде при различных их радиусах кривизны.



Ucrii = 3,04 10б (л + ЗД1-10-3 ) h

где R1 - радиус коронирующего электрода (иглы); R2 - расстояние до собирающего электрода.

Увеличение напряжения U на коронирующем электроде относительно критического Ucrit в соответствии с формулой Дейча приводит к нелинейному нарастанию тока коронного разряда:

S£okU(U-Ucra) ИгШг/Ю

где i - линейная плотность электрического тока коронного разряда между цилиндрическими электродами; Е0 = 8,85*10~12 - диэлектрическая постоянная; k = 1,84*10~4 м2/(В-с) - подвижность легких аэроионов кислорода в воздухе при нормальных атмосферных условиях, и, соответственно, к нарастанию концентрации аэроионов.

Максимальная концентрация отрицательных аэроионов кислорода, генерируемых одним коронирующим электродом, прямо зависит от разницы напряжения U на коронирующем электроде и критической величины Ucrit и может быть оценена по формуле, полученной из (4.1) и (4.2) в следующем виде:

Ae$J-U<m)

где е = 1,61019 Кл - заряд электрона. Таким образом в результате коронирования возникают положительные ионы кислорода

O2 + и O +, а также атомарные и молекулярные ионы азота N2 + и N + (эти же ионы

образуются в результате ударной ионизации на значительном расстоянии от иглы).

Энергии ионизации различных компонент атмосферного воздуха приведены в Табл1.

На основе формулы Пика, описывающей величину напряженности электрического поля Ecrit, при которой начинается коронный разряд на цилиндрическом электроде, получено выражение для определения критического напряжения зажигания коронного разряда в виде:



Электроны, энергия которых недостаточна, чтобы ионизировать нейтральную молекулы переводят её в возбужденное состояние. Из этого возбуждённого состояния молекула переходит снова в стабильное состояние испуская квант света.

Свободные электроны захватываются нейтральными молекулами кислорода и образуются молекулярные ионы

- 2-

кислорода O2 и O2 (рис 4). Захват электронов нейтральными атомами происходит в результате особой химической природы атомов или молекул - сродства к электрону. Сродство к электрону - это энергия, выделяемая или поглощаемая в результате присоединения электрона к атому. Сравнение электронного строения однозарядных положительных и отрицательных молекулярных ионов кислорода относительно нейтральной молекулы приведены в Табл.2

Элемент

Энергия ионизации, эВ

13,6

14,53

29,6

47,45

13,62

35,12

54,9

15,76

27,63

40,91


Рис 4. Образование отрицательных ионов

Табл.2

Количество электронов на связывающих орбиталях

Количество электронов на разрыхляющих орбиталях

Длина связи, нм

0.126

0.121

0.112

Энергия диссоциации, кДж/моль

Табл1.



Из таблицы видно, что удаление электрона упрочняет, а присоединение разрыхляет химическую связь у молекулы кислорода.

Однако помимо основных отрицательных ионов кислорода возникают и атомарные

- 2-

ионы кислорода: O и O . Их возникновение связано, прежде всего, с воздействием фононов на нейтральные молекулы (см. далее), а также назначительная часть вследствие

присоединения к пероксид-аниону ( O2 ) дополнительного электрона : O22- + e - O 2- + O -

Фотоны, воздействие которых на нейтральные молекулы приводит к фотохимической реакции, образуются в результате рекомбинации электронов с положительно заряженными ионами.

В результате взаимодействия фотонов с нейтральными молекулами газообразного кислорода происходит реакция фотодиссоциации:

O2 + hS - 2O

Кроме того в очень сильном электрическом поле может иметь место фотоионизация газовых составляющих атмосферного воздуха:

O2 + hS - O+ + e N2 + h - N + + e NO + hS - NO + + e

Образующиеся ионы затем рекомбинируют с образованием атомов: N2 + + e - 2N O2 + + e - 2O NO + + e - N + O

Образующийся атомарный кислород взаимодействует с своей молекулярной конфигурацией , образуя озон:

O2 + O - O3.

Из приведенных выше химических реакций легко заметить, что образование ионов

O - и O 2- также как и ионов O2 и O22 связано со способностью кислорода

воспринимать на внешнюю электронную оболочку дополнительные электроны( энергия сродства).

В Табл.3. приведены различные виды продуктов ионизации и причины их возникновения.



Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1063 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/111.pdf Табл.3

Продукт ионизации

Причина возникновения

Супероксид-радикал ( O2 ).

В результате присоединения к нейтральной молекуле электрона.

Пероксид-анион( O 22 )

В результате присоединения к нейтральной молекуле 2-х электронов.

O -, O 2-.

Атомы кислорода возникают в результате фотодиссоциации или рекомбинации ионов. Присоединения электронов происходит в результате высокого значения энергии сродства к электрону у атома кислорода.

O2+ , O +, N2+, N + .

Возникают в результате отщепления электронов сильным электрическим полем, вследствие ударной ионизации и фотоионизации (при очень сильном электрическом поле).

В результате взаимодействия нейтральной молекулы и атомарного кислорода.

Измерить концентрацию тех или иных ионов несложно, использовав их разделение по подвижностям см. Табл.4

Табл.4

Аэроионы

Подвижность i, см/с при Е=1 В/см

>1

Средние

1..0.01

Тяжёлые

<0.01

Выше мы рассмотрели так называемые лёгкие аэроионы. Побочным продуктом реакции являются ионы с поляризованными вокруг них частицами пыли, соринок и т. д. - тяжёлые аэроионы.



Литература

1. Поляков В. Физика аэроионизации. Радио ,№3,2002.

2. Коровин Н.В. Общая химия:. Учебн. для технических направ. и спец. вузов.-М.:Высш.шк.,2002.

3. Соловьев А.В.,Кустов Д.Е.,Носачев К.В. Энергетические характеристики молекул и ионов кислорода Электронный журнал Исследовано в России , 152, стр. 1653-1657,2004г.http: zhumal.ape.relarn.ru/articles/2004/152.pdf

4. Н. Н. Беспалов, В. П. Скипетров международная научно-техническая конференция Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2000 г. Новосибирск,26-29 сентября 2000 г.

5. Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. 2-е изд.:Пер. с нем.-М.: Мир, 2004.

6. Коровин В.Н. Аэроионизатор Корсан . Радио ,№3,2000.

7. Коровин В.Н. Чтобы воздух был здоровым СВЕТ ,№8,1998.

8. Стромберг А.Г. Семенченко Д.П. Физ.химия: Учебн. для хим. спец. вузов-

М.:Высш.шк,2003.

9. Зайцев Ю.В., Кузищина Т.К., Кустов Д.Е. Расчёт физико-химических характеристик элементов проводников. - М.: Издательство МЭИ,2001.



© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.