Электрические разряды в электролитно-пузырьковой среде раствора сульфата аммония в водопроводной воде при атмосферном давлении

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

Разработана экспериментальная установка для исследования электрического разряда вдоль стальной иглы в электролитно-пузырьковой среде раствора сульфата аммония в водопроводной воде, которая имеет практическое значение для очистки и полировки медицинских изделий. Изучены вольт-амперные характеристики электрического разряда в рассматриваемых условиях. Установлен механизм развития процессов очистки и полировки медицинских игл из нержавеющей стали с погружением в раствор сульфата аммония в водопроводной воде. Выявлено, что электрические разряды при больших концентрациях электролита приводят к порче острого конца иглы.

Texto integral

Введение

Экспериментальные и теоретические исследования электрических разрядов в электро-литно-пузырьковой среде имеют большое практическое значение [1]. Эти разряды используются в электролитно-плазменной технологии [2, 3], например, для очистки и полировки металлических изделий с погружением или без погружения в электролит. В [4–7] рассмотрены аспекты практического использования электрических разрядов в электролитно-пузырьковой среде для обеззараживания воды. В обзорных работах [8, 9] исследования посвящены электрическому разряду в жидкости, а также рассмотрено влияние газовой фазы на разряд. Установлено горение многоканального разряда внутри пузырьков в [10, 11]. В [12, 13] изучены особенности горения и развития разряда между струйным анодом и металлическим катодом в электролитно-пузырьковой среде. В [14, 15] приведены результаты экспериментального исследования разряда переменного тока в электролите хлорида натрия при атмосферном и пониженном давлениях в пузырьковой среде внутри полиэтиленовой трубки.

Целью данной работы являются экспериментальные исследования характеристик электрического разряда в электролитно-пузырьковой среде раствора сульфата аммония в водопроводной воде, а также изучение механизма очистки и полировки медицинской иглы из нержавеющей стали.

Обсуждение результатов экспериментальных исследований

Разработана и создана установка для экспериментального исследования электрического разряда вдоль стальной иглы в электролитно-пузырьковой среде раствора сульфата аммония в водопроводной воде при атмосферном давлении. Исследования проведены в диапазонах напряжения U = 20–160 В, тока I = 5–40 А при концентрациях электролита сульфата аммония 1–10%, межэлектродном расстоянии между креплением иглы и поверхностью электролита l1 = 1–5 мм и глубиной погружения иглы в электролит l2 = 35–39 мм.

На рис. 1 представлена экспериментальная установка для исследования электрического разряда в электролитно-пузырьковой среде раствора сульфата аммония в водопроводной воде при атмосферном давлении. Отличие источника питания постоянного тока состоит в использовании тиристорного стабилизатора. Газожидкостная пузырьковая среда в электролите образуется после зажигания электрического разряда.

 

Рис. 1. Экспериментальная установка: 1 – медицинская игла, 2 – медное крепление, 3 – электролит, 4 – источник питания, 5 – пузырьковая среда в электролите в процессе горения электрического разряда, 6 – вольтметр, 7 – амперметр.

 

На рис. 2 приведена осредненная вольт-амперная характеристика (ВАХ) электрического разряда постоянного тока в электролитно-пузырьковой среде при атмосферном давлении, l1 = 5 мм и l2 = 35 мм. Для измерения напряжения использован вольтметр с классом точности 1.5%, а для измерения силы тока – амперметр с классом точности 1.5%. Межэлектродное расстояние определялось с помощью штангенциркуля с точностью 0.05 мм. В качестве электролита взят 1%-ный раствор сульфата аммония. Как видно из рис. 2, ВАХ электрического разряда имеет почти линейно возрастающий характер.

 

Рис. 2. Осредненная ВАХ электрического разряда постоянного тока в электролитно-пузырьковой среде при атмосферном давлении, l1= 5 мм, l2 = 35 мм.

 

На поверхности необработанной стальной иглы из нержавеющей стали наблюдаются шероховатости (рис. 3а). На рис. 3б приведена фотография полированной поверхности медицинской иглы. Обработка производилась электрическим разрядом постоянного тока в электролитно-пузырьковой среде раствора сульфата аммония в водопроводной воде при атмосферном давлении, l1 = 5 мм и концентрации электролита 1.5%. Очистка и полировка поверхности происходит за время от 5 до 10 с. При этом конец иглы притупляется в зависимости от концентрации и состава электролита. Полировка поверхности происходит благодаря электрическому разряду, который образуется вдоль стальной иглы. В процессе полировки на поверхности иглы образуется плазменно-пузырьковая оболочка (ППО), как показано на рис. 3в и 3г. Между иглой и ППО горят микроразряды. Аналогичные микроразряды наблюдаются также в процессе обработки, когда торец электрода находится вне электролита. Фотографии поверхностей иглы до и после полировки сделаны через оптический микроскоп.

 

Рис. 3. Фотографии неполированной (а) и полированной (б) медицинских игл из нержавеющей стали; (в) – процесс полировки вдоль стальной иглы: (г) – схема образования ППО вдоль иглы.

 

Заключение

Изучены ВАХ электрических разрядов постоянного тока в электролитно-пузырьковой среде вдоль стальной иглы. Обнаружено, что в процессе полировки на поверхности иглы образуется ППО, внутри которой горят микроразряды. Установлено, что электрический пробой происходит между острым концом медного крепления и электролитом при малых межэлектродных расстояниях (l1 < 5 мм).Выявлено, что большие токи и концентрации электролита порядка 10% раствора сульфата аммония в водопроводной воде приводят к порче острого конца иглы.

Исследование выполнено за счет гранта РНФ № 21-79-30062.

×

Sobre autores

Л. Багаутдинова

Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н. Туполева – КАИ

Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Rússia, Казань

Э. Бельгибаев

Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н. Туполева – КАИ

Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Rússia, Казань

Ал. Гайсин

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Rússia, Москва

Ф. Гайсин

Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н. Туполева – КАИ

Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Rússia, Казань

Аз. Гайсин

Казанский государственный энергетический университет

Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Rússia, Казань

М. Семенов

Казанский государственный энергетический университет

Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Rússia, Казань

А. Купутдинова

Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н. Туполева – КАИ

Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Rússia, Казань

И. Фахрутдинова

Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н. Туполева – КАИ

Autor responsável pela correspondência
Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Rússia, Казань

Bibliografia

  1. Гайсин Ал.Ф., Гайсин Аз.Ф., Гайсин Ф.М. Парогазовые разряды с непроточными и проточными электролитическими электродами и их практические применения. Казань: КНИТУ-КАИ, 2017. 356 с.
  2. Гайсин Ф.М., Залялов Н.Г. Способ получения высоковольтного разряда. Патент № 1445545. СССР. 1988.
  3. Гайсин Ф.М. Способ полировки и придания блеска медицинским иглам. Патент РФ № 2787664. Б.И. № 2.2023.
  4. Смирнов Б.М., Бабаева Н.Ю, Найдис Г.В., Панов В.А., Сон Э.Е., Терешонок Д.В. Пузырьковый метод очистки воды // ТВТ. 2019. Т. 57. № 2. С. 316.
  5. Гайсин А.Ф., Насибуллин Р.Т. Об особенностях электрического разряда между электролитическим катодом и металлическим анодом // Физика плазмы. 2011. Т. 37. № 10. С. 959.
  6. Сон Э.Е., Суворов И.Ф., Какауров С.В., Гайсин А.Ф., Самитова Г.Т., Соловьева Т.Л., Юдин А.С., Рахлецова Т.В. Электрические разряды с жидкими электродами и их применение для обеззараживания вод // ТВТ. 2014. Т. 52. № 4. С. 512.
  7. Акишев Ю.С., Грушин М.Е., Каральник В.Б., Монич А.Е., Панькин М.В., Трушкин Н.И., Холоденко В.П. и др. Создание неравновесной плазмы в гетерофазных средах газ–жидкость при атмосферном давлении и демонстрация ее возможностей для стерилизации // Физика плазмы. 2006. Т. 32. № 12. С. 1142.
  8. Bruggeman P., Degroote J., Vierendeels Y., Leys C. DC–excited Discharges in Vapour Bubbles in Capillaries // Plasma Sources Sci. Technol. 2008. V. 17. P. 025008.
  9. Vanraes P., Bogaerts A. Plasma Physics of Liquids – A Focused Review // Appl. Phys. Rev. 2018. V. 5. 031103.
  10. Самитова Г.Т., Гайсин Аз.Ф., Мустафин Т.Б., Гайсин Ал.Ф., Сон Э.Е., Весельев Д.А., Гайсин Ф.М. Некоторые особенности многоканального разряда в трубке при атмосферном давлении // ТВТ. 2011. Т. 49. № 5. С. 788.
  11. Самитова Г.Т. Электрические разряды постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки. Дис. … канд. техн. наук. Казань: Казанск. нац. иссл. технол. ун-т, 2013.
  12. Фахрутдинова И.Т., Гайсин А.Ф., Сон Э.Е., Галимзянов И.И., Гайсин Ф.М., Мирханов Д.Н. Об особенностях электрического разряда между струйным анодом и металлическим катодом // ТВТ. 2017. Т. 55. № 6. С. 775.
  13. Галимзянов И.И., Гайсин А.Ф., Фахрутдинова И.Т., Шакирова Э.Ф., Ахатов М.Ф., Каюмов Р.Р. Некоторые особенности развития электрического разряда между струйным анодом и жидким катодом // ТВТ. 2018. Т. 56. № 2. С. 306.
  14. Валиев Р.И., Хафизов А.А., Багаутдинова Л.Н., Гайсин Ф.М., Басыров Р.Ш., Гайсин Аз.Ф., Гайсин Ал.Ф. Электрические разряды переменного тока в газожидкостной среде раствора хлорида натрия при атмосферном давлении // ТВТ. 2021. Т. 59. № 4. С. 634.
  15. Хафизов А.А., Валиев Р.И., Багаутдинова Л.Н., Гайсин Аз.Ф., Гайсин Ал.Ф., Гайсин Ф.М., Сон Э.Е., Фахрутдинова И.Т. Электрический разряд переменного тока в однопроцентном растворе хлорида натрия в дистиллированной воде при пониженных давлениях // ТВТ. 2022. Т. 60. № 4. С. 625.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Experimental setup: 1 – medical needle, 2 – copper mount, 3 – electrolyte, 4 – power source, 5 – bubble medium in electrolyte during electric discharge combustion, 6 – voltmeter, 7 – ammeter.

Baixar (9KB)
Metadados
3. Fig. 2. Averaged I–V characteristic of DC electric discharge in electrolyte-bubble medium at atmospheric pressure, l1= 5 mm, l2 = 35 mm.

Baixar (9KB)
Metadados
4. Fig. 3. Photographs of unpolished (a) and polished (b) medical needles made of stainless steel; (c) – polishing process along steel needle: (d) – diagram of PPO formation along needle. 

Baixar (27KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».