CC BY
109
УДК 621.317: 537.528
doi: 10.20998/2074-272X.2017.1.07
Д.В. Винников, К.В. Корытченко, В.И. Ткачев, В.В. Егоренков, Д.В. Кудин, Т.Ю. Мирная
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МОЩНЫХ ПОДВОДНЫХ ИСКРОВЫХ РАЗРЯДОВ
Наданi результаты експериментального дослдження змтення фiзико-хiмiчних властивостей водопровiдноí води тд впливом потужних пдводних ккрових розрядiв атмосферного тиску. Виявлена залежнiсть змтення окисно-вiдновлювального потенщалу i рН оброблюваноí води вiд параметрiв шпульав, що задаються параметрами електрич-ного розрядного кола, та íX ктьтстю. Достдження проведет на розрядних електродах, виготовлених з матерiалiв двох титв: нержавЮча сталь i графт. Бiбл. 10, табл. 5, рис. 13.
Ключовi слова: пвдводний ккровий розряд, матер1ал електрод1в, властивост1 води, окисно-ввдновлювальний потенщ-ал, водневий показник рН.
Представлены результаты экспериментального исследования изменения физико-химических свойств водопроводной воды под воздействием мощных подводных искровых разрядов атмосферного давления. Выявлена зависимость изменения окислительно-восстановительного потенциала и рН обрабатываемой воды от параметров импульсов, задаваемых параметрами электрической разрядной цепи, и их количеством. Исследования проведены на разрядных электродах, изготовленных из материалов двух типов: нержавеющая сталь и графит. Библ. 10, табл. 5, рис. 13. Ключевые слова: подводный искровой разряд, материал электродов, свойства воды, окислительно-восстановительный потенциал, водородный показатель рН.
Введение. Мощные подводные искровые разряды (ПИР) нашли широкое применение в различных областях промышленности и науки. Это разрушение и деформация материалов, очистка технологических отверстий, изменение физико-химических свойств жидких сред и их обеззараживание [1-3].
Подводный разряд характеризуется множеством физических факторов, воздействующих на обрабатываемую среду, как на стадии пробоя, так и на последующих стадиях развития разряда. К этим факторам относятся: воздействие сильного электрического поля на среду в предпробойной стадии разряда, ударное сжатие окружающей среды, интенсивное ее импульсное облучение в широком диапазоне длин волн, термическое воздействие в области токопроводящего канала, выброс в парогазовую среду высокотемпературных мелкодисперсных частиц материала электродов в результате электроэрозии, кавитационные процессы. Такое многофакторное воздействие позволяет не только изменять физико-химические свойства обрабатываемой среды, но, из-за развития интенсивных гидрогазодинамических течений в больших объемах, реализовать на основе ПИР электрохимические реакторы идеального смешения дискретного действия. Таким образом, дискретность воздействия и идеальное смешение являются основными отличительными характеристиками электрохимических реакторов на основе мощных ПИР.
Одними из основных показателей, характеризующих воздействие разряда на химический состав воды, являются показатель рН и окислительно-восстановительный потенциал (ОВП - redox potential). Изменение этих показателей приводит к активации воды. Установлено [4], что для нормального протекания биохимических процессов в организме человека ОВП питьевой воды должен соответствовать ОВП межклеточной жидкости и находиться в диапазоне от +100 до -200 mV. ОВП питьевой практически всегда
больше нуля, и обычно находится в пределах от +100 до +400 шУ [4]. Вода с ОВП ниже -200 шУ обладает высокой биологической активностью, и её приём должен быть ограничен.
Из-за большого количества воздействующих факторов ПИР, представляет трудность выявить влияние каждого из них в отдельности на изменение свойств обрабатываемой жидкости. В тоже время, для управляемого изменения физико-химических свойств воды, необходимо количественно оценить изменение требуемых свойств жидкости в используемом химическом реакторе в зависимости от параметров разрядных импульсов и их количества.
Цель работы - исследование на установке «ГИДРА» [4] зависимости изменения ОВП и рН обрабатываемой воды от количества импульсов, а так же их параметров, задаваемых такими параметрами электрической разрядной цепи как емкость и зарядное напряжение накопителя.
Постановка эксперимента. Устройство установки «ГИДРА» и возможные области ее применения ранее описаны в работах [4-6]. Общий вид реактора установки «ГИДРА» и электрическая схема представлены на рис. 1, 2.
Батарея конденсаторов С1 через управляемый трехэлектродный воздушный разрядник Е разряжается на химический реактор 1, электроды которого 2 и 3 образуют разрядный промежуток I и подключенное параллельно ему демпфирующее сопротивление Я^ В конденсаторной батарее использовались импульсные конденсаторы типа ИК-100/0,4 и ИК-100/0,25.
Зарядка конденсаторной батареи С осуществляется от источника постоянного напряжения, образованного следующими элементами: зарядным устройством Си в виде повышающего высоковольтного трансформатора УРС-70 и автотрансформатора; однополу-периодным выпрямителем УБ в виде последовательно соединенных диодных сборок типа КЦ-201Е; заряд-
© Д.В. Винников, К.В. Корытченко, В.И. Ткачев, В.В. Егоренков, Д.В. Кудин, Т.Ю. Мирная
ным сопротивлением Яь набранного из последовательного соединения резисторов типа ТВО-60 с эквивалентным сопротивлением 270 кОЬт.
Рис. 1. Общий вид электрохимического реактора: 1 - корпус реактора; 2, 3 - токопроводы к разрядным электродам; 4 - пояс Роговского; 5 - делитель напряжения
третьего управляющего электрода разрядника напряжение заряда конденсаторной батареи регулировалось при помощи автотрансформатора. Зарядное напряжение конденсаторной батареи равнялось 10 kV, 15 kV и 20 kV.
Напряжение заряда конденсаторной батареи Q измерялось электростатическим киловольтметром типа С 196. Паспортная погрешность составляла ±1 % от максимального значения диапазона измерений.
Измерение разрядного тока осуществлялось поясом Роговского RL, имеющего чувствительность 3627 A/V. Определение чувствительности датчика ПР осуществлялась на частоте 2,2 MHz по паспортизированному безиндукционному датчику тока CSNM 191 фирмы Honeywell с выходом по току и работающему на эффекте Холла. Результаты сравнения эталонного сигнала, получаемого с датчика CSNM 191, и сигнала с изготовленного пояса Роговского представлены на рис. 3. Относительная погрешность эталонного сигнала не превышала ±0,5 %.
KltfJL SlUf W T-i U ¿.¿W
Рис. 2. Электрическая схема установки «ГИДРА»: 1 - электроразрядный химический реактор;
2, 3 - разрядные электроды
Работа воздушного разрядника ^ осуществлялась в качестве двух- или трех- электродного разрядника. В случае работы разрядника ^ без использования третьего электрода напряжение заряда конденсаторной батареи регулировалось величиной межэлектродного промежутка разрядника К При использовании
CHI- 5.00W MWS lOQiïiU Tine- 5Э0,вп5
Рис. 3. Результаты осциллографирования разрядного тока: 1-й канал - датчиком тока CSNM 191;
2-й канал - изготовленным поясом Роговского
Напряжение на разрядном промежутке измерялось с помощью компенсированного емкостно-омического делителя напряжения PD фирмы North Star High voltage типа PVM-12 с коэффициентом деления 1:1000, полосой пропускания 80 MHz и максимальным напряжением в импульсе 32 kV.
Демпфирование высокочастотных электрических колебаний, возникающих из-за наличия паразитных емкостей цепи, обеспечивалось резистором R4, подключенным параллельно разрядному промежутку. R4 безындуктивный резистор типа ТВО-60 номиналом 47 kOhm.
Регистрация напряжения на промежутке и разрядного тока производилась на двухканальном электронном осциллографе фирмы ATTEN типа ADS 1102 CAL+ c полосой пропускания 100 MHz и частотой дискретизации 1 GSa/s. Развертка сигналов осуществлялась в ждущем режиме по фронту входного сигнала с делителя напряжения.
Электрохимический реактор представлял собой диэлектрическую камеру, корпус которой был изготовлен из капролона (рис. 2). Толщина стенки корпуса 5 mm. Высота камеры h = 240 mm, ее
диаметр Ь = 90 тт. Использовалась система электродов вида игла - полусфера (рис. 4). С целью исследования влияния материала электродов, были изготовлены две пары электродов: из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т и из графита для производства электроугольных изделий (ГОСТ 10274-79). Марка стали определялась рентгенофлюоресцентным методом на установке «СПРУТ». Электрод-игла имел форму конуса с углом 60° при высоте 25 тт и диаметре основания 30 тт. Радиус полусферы второго электрода 10 тт. Токовводы в виде шпилек, к которым крепились электроды, были помещены в диэлектрик, для предотвращения их окисления, уменьшения предпробивных потерь. Величина межэлектродного промежутка I варьировалась в диапазоне 1... 5 тт
Rc>> 2J—
где Яс - зарядное сопротивление; С - емкость конденсаторной батареи; Ь - эквивалентная индуктивность зарядной цепи.
Также выполнялось условие по соотношению сопротивлений в виде:
Яс >> Я1Г, (2)
где Я,г - внутреннее сопротивление источника постоянного тока.
В этом случае емкость конденсатора С рассчитывается из постоянной времени т, определяемой экспериментально, по выражению:
С = т/Яс. (3)
Емкости заряжались от источника постоянного напряжения исош4 = 4 V. Зарядное сопротивление рав-
нялось Яс = 1+0,01 ЫОЬт. Результаты измерения напряжения на конденсаторе представлены на рис. 5. Из представленной осциллограммы напряжения видно, что снижение напряжения от -4 V до исоШ(/е = -1,47 V происходит через т = 390 тБ. Отсюда, в данном случае имеем С = 0,39 цБ.
Рис. 4. Внешний вид разрядных электродов: 1 - игла; 2 - полусфера
Промышленные конденсаторы типа ИК-100/0,4 и ИК-100/0,25 имеют высокий разброс номинальных значений (допустимое отклонение +10 %), что не позволяет с достаточной точностью рассчитать полную энергию разряда. Абсолютная ошибка определения емкости возрастала при соединении конденсаторов в конденсаторную батарею. Для получения уточненных значений полной емкости, проводилось ее измерение двумя способами: косвенным способом по результатам осциллографирования изменения напряжения в процессе разряда конденсаторной батареи и прямым измерением с помощью приборов.
В косвенном способе параметры зарядной цепи подбирались таким образом, чтобы выполнялось условие:
(1)
Рис. 5. Определение т из кривой напряжения на конденсаторе при его разряде
Также емкость конденсаторных сборок измерялась с помощью измерителя LCR цифрового Е 7-8, имеющего погрешность в диапазоне измерений до 10 pF не более ±1,6 nF, и измерителя DL-6243. Результаты измерений представлены в табл. 1.
В расчетах принималось значение емкости конденсаторной батареи, определяемое методом наименьшим квадратов (МНК) по представленным результатам измерений: для № 1 принималось С = 1,037 pF, для № 2 - С = 1,924 pF, для № 3 - С = 2,947 pF.
Таблица 1
Номер батареи Способ измерения
косвенный Прибор Е 7-8 Прибор DL 6243 МНК
№ 1 1,05 1,0495+0,0016 1,013 1,037
№ 2 1,92 1,927+0,0016 1,925 1,924
№ 3 2,95 2,947+0,0016 2,945 2,947
При расчете энергии разряда, емкости батареи задавались по результатам пяти измерений с их обработкой методом наименьших квадратов.
Мощность ПИР значительной мерой задается индуктивностью разрядной цепи. Эквивалентная индуктивность цепи определялась из анализа кривой тока разряда в режиме короткого замыкания по выражению [7]:
Т
Ь =—--, (4)
C
4 -ж2 +
( j Л2 ln
J3
где Т - период разряда; I и 12 - амплитуда тока в первый и третий полупериоды разряда.
Из-за сильного влияния паразитных высокочастотных колебаний на кривую разрядного тока в первый полупериод разряда, индуктивность рассчитывалась по амплитудным значениям тока второго и четвертого полупериода разряда.
Эквивалентное сопротивление цепи, включающее активное сопротивление соединительных проводов и внутреннее сопротивление конденсаторной батареи, определялось методом перебора, подбираемого при аппроксимации кривой разрядного тока. Резуль-
таты измерения разрядного тока в режиме короткого замыкания и соответствующая аппроксимирующая кривая тока при подобранном сопротивлении представлена на рис. 6. Осциллограмма получена при разряде конденсаторной батареи С = 1,924 цБ с напряжением заряда Пскаг& = 10 кУ.
(¿Г1 ^ ЙЙ
>0us М Pos:20.00us
Рис. 6. Разрядный ток в режиме короткого замыкания 1 и кривая аппроксимации 2
В представленных результатах индуктивность разрядной цепи составила 2,398 цИ, а расчетное активное сопротивление разрядной цепи равнялось R = 200 mOhm. Подобным образом были измерены параметры цепи в случае применения разных батарей (табл. 2).
Таблица 2
Результаты измерения индуктивности и сопротивления разрядной цепи
Номер батареи Индуктивность, цИ Сопротивление, mOhm
№ 1 2,40 200
№ 2 2,54 225
№ 3 2,62 240
дилось на весах марки ВЛР - 200 с погрешностью взвешивания до 50 g - 0,5 mg, от 50 g до 200 g - 1 mg. Для электродов из нержавеющей стали сравнение их массы осуществлялось после 280 импульсов, для электродов из графита - после 30 импульсов. При этом ПИР осуществлялись при следующих параметрах: исЬаггг = 10 кУ, С = 2,947 дБ, энергия одиночного импульса равнялась Ш = 152,5 .Т/рике.
Объектом исследования была выбрана водопроводная вода, отстоянная в течение суток, с проводимостью 758 - 766 д8/ст. Для определения изменения рассматриваемых свойств воды проводилась серия импульсов от 1 до 200.
Результаты исследований. В результате обработки воды с помощью ПИР на установке «ГИДРА» в ней образовывалась взвесь частиц, которые со временем выпадали в осадок. Результаты обработки со стальными электродами представлены на рис. 7 при следующих электрических параметрах цепи: иЛагКе = 20 кУ, С = 2,947 дБ.
Незначительное изменение индуктивности и сопротивления при изменении емкости конденсаторной батареи дает основание считать достаточным установление зависимости изменения свойств воды в установке «ГИДРА» от емкости, напряжения заряда батареи и количества импульсов.
Измерение свойств воды проводилась следующими приборами. Измерение концентрации нитратов в воде осуществлялось нитратомером ИТ - 1201 с диапазоном показаний массовой концентрации от 0,001 до 9999 mg/l и пределом погрешности ±11%. Использовался измеритель кондуктивности BANTE 902 с диапазоном 0~200 mS/cm, погрешностью ±0,5 %. ОВП (redox potential) измерялся анализатором вод Анион - 7051 с пределом абсолютной погрешности измерения ЭДС ± 2 mV. рН воды измерялось прибором BANTE 902 с диапазоном измерений - 2.000 ~ 20.000 рН и абсолютной погрешностью ±0,002 рН. Изменение концентрации железа в водном растворе определялось фотометрическим методом анализа по способу [8], позволяющему определить Fe в концентрациях ~10-6 mole/l.
Электроды диагностических приборов промывались в дистиллированной воде перед каждым измерением. Измерения одного и того же образца (исходная и обработанная вода) проводилось до трех раз. Образцы диагностировались в течении первых 15 минут после обработки, а также через 3 и 6 часов после эксперимента.
Измерение массы разрядных электродов прово-
Рис. 7. Образцы с водопроводной водой, обработанной
подводными искровыми разрядами: 1 - исходный образец; 2 - образец после 5 импульсов;
3 - 25 импульсов; 4 - 50 импульсов; 5 - 200 импульсов;
6 - образец №5, отстоянный в течение 4-х суток, 7 - образец №5 с осадком, отсепарированным постоянным магнитом (М)
Образование осадка во времени происходит не равномерно, что свидетельствует о наличии во взвешенном состоянии частиц разных размеров. Наиболее интенсивно осадок образовывался в течение первых минут после обработки. При этом, с увеличением числа импульсов, воздействующих на водопроводную воду, происходит возрастание объема осадка. По результатам визуальных наблюдений, осаждение частиц в стоячей воде завершается после 3-х, 4-х суток с момента завершения обработки.
На основании обработки результатов исследований на установке «ГИДРА» выявлены зависимости изменения ОВП и рН обрабатываемой воды от коли-
чества N импульсов при разных параметрах электрической разрядной цепи (емкость и напряжение заряда конденсатора), представленные на рис. 8-10, на которых приняты следующие обозначения для напряжения заряда конденсаторной батареи: ■ - 10 к^ ▲ - 15 к^ • - 20 к^ Результаты получены на стальных электродах.
200
100
^ 0
-100
Ï -200
-300
-400
1
-* —Ï—
\
\
\
\ \
\ --<
20
30
40
50
N, pulses
рН
7.85
7.80 ■ 7,75 7.70 7,65 7,60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
N, pulses
Рис. 8. Зависимость свойств воды от количества импульсов при С = 1,037 ^F: a - ОВП, b - рН
1ÍTI-0-100 - S a
\
оо llAJ fe <и -200 - \
-s Q. X -300- - 1
4 ■ ---. i
-500- -— f—
50
100
150
200 N, pulses
200 N, pulses
Рис. 9. Зависимость свойств воды от количества импульсов при С = 1,924 ^F: a - ОВП, b - рН
2Ш
N, puises
Рис. 10. Зависимость свойств воды от количества импульсов при С = 2,947 ^F: a - ОВП, b - рН
С ростом количества импульсов наблюдается уменьшение ОВП, а при определенном пороге импульсов происходит изменение положительного ОВП на отрицательный. Имеет место возрастание рН обрабатываемой воды с увеличением количества импульсов N.
Для уточнения точки перехода ОВП дискретность шага по количеству импульсов была уменьшена. Шаг в один импульс был выбран вплоть до 5 ПИР, затем было проведена дополнительная серия импульсов с возрастающим шагом. Результаты представлены на рис. 11.
1
-е di
"Б
200
-200
* -400
V
}
A .
-•
Г рН
7,6
7,5 7,4
7,3
10
20
30
Ы.рШзез
Рис. 11. Зависимость показателей воды от количества импульсов при и^а,.^ = 20 кУ, С = 1,924 цБ
Выявлено, что изменение положительного ОВП на отрицательный происходит уже после 3-5 импульсов.
Полагается, что изменение данных свойств воды происходит под воздействием продуктов эрозии электродов. Известно [9], что масса продуктов эрозии практически линейно зависит от энергии разряда. Поэтому потребовалось выявление зависимости измене-
ния ОВП от полной энергии серии разрядов (рис. 12). Под полной энергией понимается сумма полных энергий одиночных импульсов (ЦС* и^г^Щ).
На графитовых электродах тенденция по изменению положительного ОВП воды на отрицательный с ростом количества ПИР сохранилась. При тех же параметрах разрядной цепи скачек ОВП произошел уже при третьем импульсе. Это может быть связано с более интенсивным уменьшением массы электродов, как вследствие эрозии, так и из-за механического разрушения.
В табл. 3 представлены результаты изменения массы электродов. Видно, что графитовый электрод эродирует быстрее. Изменение массы катода из графита не удалось измерять из-за его механического разрушения. В таблице принято: ть т2 - масса электродов до и после разрядов, соответственно.
Таблица 3
Изменение массы разрядных электродов
Рис. 12. Зависимость ОВП воды от полной энергии серии разрядов
На установке «ГИДРА» изменение положительного ОВП воды на отрицательный происходит в диапазоне полной энергии от 1 до 10 к.. Наличие такого широкого диапазона может быть связано с отличием дисперсности частиц, через которую задается площадь поверхности взаимодействия материала частиц с водой. То есть, при одинаковой массе продуктов эрозии имеет место отличие в площади поверхности частиц.
Отмечен некоторый рост проводимости воды и нахождение количества нитратов в пределах ПДК не более 20 mg/l, при нормах ЕС 50 mg/l.
С целью определения влияния материала электрода на зависимость изменения исследуемых свойств воды, проведены эксперименты с электродами из графита. Следует отметить, что данный материал из-за своей хрупкости выдерживает меньшие ударные нагрузки. Поэтому количество импульсов в серии уменьшено в 2...2,5 раза. Результаты исследований представлены на рис. 13.
mb g т2, g массопотеря ^g/J-pulse
Анод-игла из нерж.ст. 3,86520 3,79025 1,76
Катод-полусфера из нерж. ст. 62,31290 62,24010 1,7
Анод-игла из графита 5,48075 5,47880 1,96
Для определения устойчивости внесенных изменений в свойства воды, спустя сутки анализу подвергалась вода, обработанная при параметрах разрядной цепи: С = 2,947 дБ, искаг?е = 20 кУ, N = 200 , где: №1 -исходный образец воды, №2 - исходный образец, пропущенный через фильтр, №3 - отфильтрованный образец воды после серии из 200 импульсов, №4 -образец воды после серии из 200 импульсов, отстоянный сутки и пропущенный через угольный фильтр (табл. 4).
Таблица 4
Сравнение свойств воды в результате ее обработки на установке «ГИДРА»
№1 №2 №3 №4
ОВП +160 +158 -496 -330
рН 7,745 7,745 7,95 7,78
2П N, pulses
Рис. 13. Зависимость свойств воды от количества импульсов при Ucharge = 20 kV, С = 1,924^F, где a - ОВП, b - pH
Фильтрация проводилась с целью исключения влияния на свойства воды примесей, в частности, материала эрозии электродов. Из представленной таблицы видно, что образцы №1 и №2 отличаются друг от друга в пределах погрешности приборов, т.е. угольный фильтр сам по себе не вносит изменений в показания. Образец №3 имеет сильно отрицательный ОВП и увеличившийся показатель рН. Свойства образца №4 дают основание полагать о необратимости внесенных изменений в свойства воды, полученных в результате ее обработки.
Дополнительно проведено исследование изменения рН дистиллированной (ДВ) и водопроводной воды (ВВ) после воздействия подводными искровыми разрядами при следующих параметрах электрической цепи: исиаг&е= 20 кУ; С = 2,947 дБ; количество импульсов N = 100. Измерение рН потенциометрически с точностью до 0,1 ед. рН. Результаты измерений представлены в табл. 5 (нижний индекс «0» соответствует измерениям воды, не обработанной ПИР, индекс «1» - после обработки).
С течением времени (6-7 суток) рН незначительно увеличивается. Полагается, это является следстви-
ем удаления из водного раствора газообразных продуктов после электролиза и продуктов хлорирования.
Таблица 5
Результаты исследования изменения рН дистиллированной (ДВ) и водопроводной воды (ВВ)
Время
30 минут после обработки 24 часа 7 суток 14 суток
Тип воды
ДВ0 6,65 6,66 6,67 6,65
ДВ1 7,12 7,14 7,12 7,12
ВВ0 7,70 7,72 7,71 7,71
ВВ! 8,1 8,34 8,68 8,64
Выявлено, что при прохождении электрического разряда с использованием электродов из стали возможны такие процессы:
^ + o2 > 2FeО I, (5)
2FeO + 2H^ ^ 2FeO(OH) ^ +H2 Т, (6)
2H2O + 2ё ^ H2 t+2OH" , (7)
FeO + OH-- ё ^ FeO(OH) ^ , (8)
2FeO(OH) а'8с11агёе > Fe2О3 + H2O . (9)
При этом в растворе может образовываться очень малое количество Ре(Ш) Поэтому спектрофо-тометрическим методом проведено исследования изменения концентрации железа в воде в результате обработки ПИР. Измерения проводились в необработанной воде (ВВ0) и в четырех образцах после обработки разрядами с одинаковыми параметрами электрической цепи: и^,.^ = 20 кУ, С = 2,947 дБ. Количество импульсов - 100. Получены следующие концентрации железа: ВВ0 = 0,48 тё/1; ВВ11 = 0,54 тё/1; ВВ12 = 0,56 тё/1; ВВ13 = 0,54 тё/1; ВВ14 = 0,56 тё/1. Данные результаты свидетельствуют о пренебрежимо малом изменении концентрации чистого железа в воде в результате обработки ПИР. Для сравнения, количество железа в водопроводной воде составляет 0,3 тё/1.
Выявлена возможность магнитной сепарации частиц из воды, находящихся как во взвешенном состоянии в воде, так и выпавших в осадок. Известно, что магнитными свойствами обладает оксид железа (II, III), называемый магнитным железняком Ре0-Ре203. При этом образование оксид железа (III) по реакции (9) возможно за счет термического воздействия разряда на ранее образовавшиеся частицы оксид железа (II). Таким образом, установку «ГИДРА» с магнитной сепарацией представляется возможным использовать для управляемого изменения окислительно-восстановительного потенциала и рН воды.
Изменение свойств воды в установке «ГИДРА» имело место и при использовании электродов из графита. Это дает основание предположить о наличии реакции (7) в процессе ПИР. Следует отметить, что теоретическое исследование влияния газоразрядных процессов на свойства воды сделано в работе [10].
Выводы.
На установке «ГИДРА» проведено исследование зависимости изменения ОВП и рН обрабатываемой
воды от количества импульсов и параметров импульсов, задаваемых параметрами электрической разрядной цепи (емкостью, зарядным напряжением). Выявлено уменьшение ОВП при возрастании напряжения заряда конденсаторной батареи, ее емкости и полной суммарной энергии разрядов. При этом, рН воды возрастает. Изменение ОВП и рН воды сохраняется в течение продолжительного времени после удаления осадка. Для заданных параметров разряда существует порог импульсов, при превышении которого происходит изменение положительного ОВП на отрицательный. Установку «ГИДРА» с магнитной сепарацией можно использовать в качестве электрохимического реактора идеального смешения дискретного действия с удалением продуктов воздействия.
Особое уважение за обсуждение результатов проф. В. Б. Юферову.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. - Томск: Изд-во Томского университета, 1975. - 258 с.
2. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Л.: Машиностроение, 1986.
3. Баранов М.И. Прогрессивные импульсные технологии обработки материалов: история, физические основы и технические возможности // Електротехнжа i електромеханжа.
- 2009. - №1. - С. 42-54. doi: 10.20998/2074-272X.2009.1.10.
4. Винников Д.В., Озеров А.Н., Юферов В.Б., Сакун А.В., Корытченко К.В., Месенко А.П. Экспериментальное исследование электрического разряда в жидкости, создаваемого между электродами с конусной выемкой // Електротехнжа i електромеханжа. - 2013. - №1. - С. 55-60. doi: 10.20998/2074-272X.2013.1.13.
5. Юферов В.Б., Винников Д.В., Пономарев А.Н., Бурави-лов И.В., Муфель Е.В. Сравнительный анализ акустических импульсов от излучателей от излучателей милли - и микросекундного диапазонов // Вестник НТУ «ХПИ». Серия: «Электрофизика высоких напряжений». - 2009. - №11. - С. 185-189.
6. Юферов В.Б., Винников Д.В., Буравилов И.В., Муфель Е.В., Пахомов А.Ю., Гарбуз В.В., Живанков К.И., Пономарев А.Н. Электрогидравлический метод обезгаживания ва-куумируемых жидкостей // Вестник НТУ «ХПИ». Серия: «Электрофизика высоких напряжений». - 2011. - №16. - С. 211-217.
7. Кондриков Б.Н., Вовченко А.И., Анников В.Э., Иванов В.В. Взрывные превращения электрической и химической энергии. - Киев: Наук. думка, 1987. - 128 с.
8. Патент РФ № 2298171. Способ фотометрического определения железа (III) в растворах чистых солей и искусственных смесей / Новопольцева В.М., Коровина О.А., Осипов А.К., Нищев К.Н. - 2006.
9. Горовенко Г.Г., Ивлиев А.И., Малюшевский П.П., Пастухов В. Н. Электровзрывные силовые импульсные системы.
- Киев: Наук.думка, 1987. - 220 с.
10. Vinnikov D.V. Numerical investigation of the influence produced by electric circuit parameters on the formation of chemically active radicals in water vapors // Вопросы атомной науки и техники. - 2015. - №3(97). - С. 159-165.
REFERENCES
1. Ushakov V.Ya. Impul'snyj elektricheskij proboj zhidkostej [Pulsed liquid breakdown]. Tomsk, Tomsk State University Publ., 1975. 258 p. (Rus).
2. Yutkin L.A. Elektrogidravlicheskij effect i ego primenenie v promyshlennosti [Electrohydraulic effect and its application in industry]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1986. 252 p. (Rus).
3. Baranov M.I. Breakthrough impulse material processing technologies: history, basic physics and technical feasibilities. Electrical engineering & electromechanics, 2009, no.1, pp 4254. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2009.1.10.
4. Vinnikov D.V., Ozerov A.N., Yuferov V.B., Sakun A.V., Korytchenko K.V., Mesenko A.P. Experimental investigation of electrical discharge in liquid initiated between cone channel electrodes. Electrical engineering & electromechanics, 2013, no.1, pp. 55-60. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2013.1.13.
5. Yuferov V.B., Vinnikov D.V., Ponomaryov A.N., Buravilov I.V., Mufel' E.V. Comparative analysis of acoustic pulses generated by the sources of millisecond and microsecond ranges. Bulletin of NTU«KhPI», 2009, no.11, pp 185-189. (Rus).
6. Yuferov V.B., Vinnikov D.V., Buravilov I.V., Mufel' E.V., Pahomov A.Yu., Garbuz V.V., Zhivankov K.I., Ponomaryov A.N. Electrohydraulic method of degassing of de-aerated liquids. Bulletin of NTU «KhPI», 2011, no.16, pp. 211-217. (Rus).
7. Kondrikov B.N., Vovchenko A.I., Annikov V.E., Ivanov V.V. Vzryvnye prevrashenija elektricheskoj i himicheskoj ener-gii [Explosive conversions of electric and chemical energies]. Kyiv, Naukova Dumka Publ., 1987. 128 p. (Rus).
8. Novopolzeva V.M., Korovina O.A., Osipov A.K., Nishev K.N. Sposob photometricheskogo opredelenija zheleza (III) v rastvorah chistyh solej i iskusstvennyh smesej [Fe (III) photometric definition process in the pure salt solutions and synthetic mixtures]. Patent Russian Federation, no. 2298171, 2006. (Rus).
9. Gorovenko G.G., Ivliev A.I., Malyushevskiy, Pastuhov V.N. Elektrovzryvnye silovye impul'snye sistemy [Electroexplosive power pulsed systems]. Kyiv, Naukova Dumka Publ., 1987. 220 p. (Rus).
10. Vinnikov D.V. Numerical investigation of the influence produced by electric circuit parameters on the formation of chemically active radicals in water vapors. Problems of Atomic Science and Technology, 2015, no.3(97), pp. 159-165.
Поступила (received) 01.11.2016
Винников Денис Викторович1, м.н.с., Корытченко Константин Владимирович2, д.т.н., Ткачев Виталий Иванович1, м.н.с., Егоренков Владимир Владимирович1, м.н.с., Кудин Дмитрий Викторович1, м.н.с., Мирная Татьяна Юрьевна2, к.х.н.,
1 Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», 61108, Харьков, ул. Академическая, 1, тел/phone +38 057 3356326, e-mail: [email protected]
2 Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Факультет военной подготовки,
61098, Харьков, ул. Полтавский шлях, 192,
тел/phone +38 057 3726167, e-mail: [email protected]
D.V. Vinnikov1, K.V. Korytchenko?, V.I. Tkachov1, V.V. Egorenkov1, D.V. Kudin1, T.Y. Mirnaya2
1 National Science Center «Kharkov Institute of Physics and Technology»,
1, Akademicheskaya Str., Kharkov, 61108, Ukraine.
2 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 192, Poltavskyy Shliakh Str., Kharkiv, 61098, Ukraine. Investigation of changes of physical and chemical properties of tap water under influence of powerful underwater spark discharges.
Purpose. The purpose of this investigation is to study the changes in the redox potential and pH-value of the tap water as a function of underwater spark discharges, storage device capacitance and the charging voltage. Methodology. To define the electric parameters of discharge circuit we used the Rogowski loop and the compensated capacitance-ohm potential divider. To determine water properties before and after the treatment we used the following devices: the water analyzer Anion -7051 with the limit of absolute error of the EMF measurement ± 2 mV, the BANTE 902 device with the absolute error of ± 0.002 pH. Results. We managed to establish the time of the origination of changes in the properties of treated water. A change in the positive redox potential to a negative one occurred already after the third pulse at a total energy input of > 1 kJ. The pH value increased in the range of 0.2 -0.45 pH units. We obtained the relationship of a change in the redox potential as a function of total energy of the pulse train that actually exhibits the linear relation to the mass of erosion products. We established that the electrodes made of stainless steel and the electrodes made of graphite provide similar changes in water properties. An increase in pH is indicative of the progress of reactions that result in the formation of OH'. Originality. The obtained experimental data prove a rapid and reliable change in the redox potential from positive to negative changes in the redox potential exponent can persist during ten days and even longer. The erosion products of electrodes can be removed from the treated water using the method of magnetic separation. Practical value. The «HYDRA» plant can be used as the electrochemical ideal mixing reactor of a discrete action with the removal of erosion products of the electrode using the method of magnetic separation. References 10, tables 5, figures 13.
Key words: underwater spark discharge, electrodes material, water properties, redox potential, pH - value.
