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

Рис 4. Образование отрицательных ионов

Табл.2

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.

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

Табл.4

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.