Email this article Электрические разряды в электролитно-пузырьковой среде раствора сульфата аммония в водопроводной воде при атмосферном давлении
- Authors: Багаутдинова Л.Н.1, Бельгибаев Э.Р.1, Гайсин А.Ф.2, Гайсин Ф.М.1, Гайсин А.Ф.3, Семенов М.Н.3, Купутдинова А.И.1, Фахрутдинова И.Т.1
-
Affiliations:
- Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н. Туполева – КАИ
- Объединенный институт высоких температур РАН
- Казанский государственный энергетический университет
- Issue: Vol 62, No 3 (2024)
- Pages: 474-476
- Section: Short Communications
- URL: https://journal-vniispk.ru/0040-3644/article/view/276033
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364424030162
- ID: 276033
Cite item
Full Text
Abstract
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.
Full Text
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.
About the authors
Л. Н. Багаутдинова
Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н. Туполева – КАИ
Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Russian Federation, Казань
Э. Р. Бельгибаев
Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н. Туполева – КАИ
Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Russian Federation, Казань
Ал. Ф. Гайсин
Объединенный институт высоких температур РАН
Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Russian Federation, Москва
Ф. М. Гайсин
Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н. Туполева – КАИ
Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Russian Federation, Казань
Аз. Ф. Гайсин
Казанский государственный энергетический университет
Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Russian Federation, Казань
М. Н. Семенов
Казанский государственный энергетический университет
Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Russian Federation, Казань
А. И. Купутдинова
Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н. Туполева – КАИ
Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Russian Federation, Казань
И. Т. Фахрутдинова
Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н. Туполева – КАИ
Author for correspondence.
Email: itfakhrutdinova@kai.ru
Russian Federation, Казань
References
- 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.
- Гайсин Ф.М., Залялов Н.Г. Способ получения высоковольтного разряда. Патент № 1445545. СССР. 1988.
- Гайсин Ф.М. Способ полировки и придания блеска медицинским иглам. Патент РФ № 2787664. Б.И. № 2.2023.
- 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.
- Гайсин А.Ф., Насибуллин Р.Т. Об особенностях электрического разряда между электролитическим катодом и металлическим анодом // Физика плазмы. 2011. Т. 37. № 10. С. 959.
- 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.
- 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.
- 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.
- Vanraes P., Bogaerts A. Plasma Physics of Liquids – A Focused Review // Appl. Phys. Rev. 2018. V. 5. 031103.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
Supplementary files
