Разработка методов спектрального экспресс-анализа водных ресурсов с помощью диафрагменных разрядов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 543.42; 537.528

К.А. Ломанович, В.С. Тесленко

ИГиЛ СО РАН, Новосибирск

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СПЕКТРАЛЬНОГО ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ С ПОМОЩЬЮ ДИАФРАГМЕННЫХ РАЗРЯДОВ

Введение. Оперативное определение примесей в воде - одна из актуальных задач современности. Существующие методы анализа водных ресурсов не достаточно оперативны. Одной из основных целей данной работы являлось создание простого и дешевого прибора для спектрального

-5

анализа жидкостей в малых объемах (~мм ). Представленный в данной статье метод основан на электронной фотосъемке и цифровой обработке спектров излучения от электрического разряда в отверстиях диэлектрических пленок (диафрагм) и пластин. Такой разряд называется «диафрагменным» [1]. Диафрагменный разряд исключает паразитный спектр от электродов за счет их выноса из зоны разряда. В данном случае область высокой концентрации тока находится в отверстии диафрагмы, где за счет нагрева жидкости происходит ее испарение с последующим разрядом между двумя жидкими электродами.

Методы и способы реализации. В данной работе рассматриваются два метода возбуждения атомно-молекулярных колебаний и два соответствующих способа регистрации спектров воды и примесей в водных растворах:

1. Возбуждение электрического разряда в отверстиях диэлектрической пластины с толщиной h<<d (d - диаметр отверстия) [2, 3, 4, 6]. Условно, этот способ возбуждения мы будем называть поперечным разрядом, относительно щели спектрографа.

2. Возбуждение электрического разряда в отверстиях диэлектрической пластины, с толщиной h>>d. Такой разряд можно технически реализовать в капилляре, капилляр располагается вдоль щели.

Постановка экспериментов. Эксперименты проводились при атмосферном давлении и комнатной температуре. Общая схема экспериментальной установки представлена на рис. 1а. Электрическая схема разрядного контура и рабочей кюветы представлена на рис. 1б.

Конденсатор С=2-100 мкФ заряжался до необходимого напряжения U. Коммутация тока осуществлялась механическим коммутатором К или разрядником РУ-62. С помощью шунта R контролировался разрядный ток в кювете. Регистрация тока осуществлялась с помощью цифрового осциллографа Tektronix TDS 210, данные с которого записывались на персональный компьютер. Собственная индуктивность разрядной цепи установки составляла L0=5mkH. В части экспериментов в разрядную цепь включалась дополнительная индуктивность. Спектры записывались с помощью цифровой видеокамеры с последующей обработкой на компьютере при помощи специально разработанной программы.

12

Рис. 1. Принципиальная схема постановки экспериментов: 1,2 -металлические электроды, 3 -диэлектрическая пластина с отверстиями, 4 - кювета с электролитом, !\, 12 - расстояние между электродами и диафрагмой, И -толщина диэлектрической пластины.

Результаты экспериментов. Исследовались спектры свечения для двух режимов: а) в диапазоне напряжений 5-8 кВ, высоковольтный разряд, б) в диапазоне напряжений: 100-400 В, так называемый автоколебательный режим, низковольтный разряд. Основная часть экспериментов проводилась в режиме (б), как перспективная разработка для безопасной эксплуатации прибора.

На рис. 2 представлены осциллограмма тока (I) и свечения (Ь) в автоколебательном режиме разряда (а) [6].

Рис. 2

Режим (а), высоковольтный диафрагменный разряд. В постановке 1 в качестве разрядного промежутка была задействована лавсановая диафрагма толщиной h=50мкм в виде сектора сферы с фокусным расстоянием F=55мм, с множеством отверстий (N-2700) диаметра 0,15+0,05 мм. В качестве испытываемой жидкости использовался водный раствор хлорида натрия с концентрацией К=0,5-20%. В качестве источника тока использовался генератор одиночных импульсов тока ГИТ-2. Напряжение разряда варьировалось в диапазоне от 5 до 8 кВ. Емкость накопительного конденсатора составляла 2 мкФ. Коммутация тока осуществлялась разрядником РУ-62. Детальное описание постановки экспериментов представлено в работе [5]. Для этой постановки экспериментов были получены зависимости интенсивности свечения спектральных линий от задаваемого напряжения на разрядной ячейке (рис. 3а) и концентрации хлорида натрия (рис. 3б). Выявлена квадратичная зависимость яркости свечения спектральной линии от напряжения разряда.

Проведен количественный анализ зависимости яркости свечения спектральной линии от плотности электролита в кювете. На рисунке 3б приведена зависимость яркости свечения от разряда из кюветы от весовой концентрации раствора хлорида натрия (К,%) для напряжения на разрядной ячейке и=8 кВ. Замечено, что с увеличением концентрации отверстия по центру диафрагмы перестают светиться, что влечет за собой снижение светового потока. Также сделан вывод об эффективности спектрального анализа растворов с малой концентрацией примесей в воде описываемым методом.

Рис. 3а Рис. 3б

Режим (б), низковольтный диафрагменный разряд. Низковольтный диафрагменный разряд, также как, в режиме (а), осуществлялся на N отверстиях (N=1-25). В варианте N=25 отверстия диаметром d=50мкм были сделаны во фторопластовой пленке толщиной 20мкм в виде линии длиной 6 мм, которая располагалась вдоль щели спектрографа. В данной работе (рис. 4) представлены только результаты исследований для одного отверстия (N=1).

Рис. 4

Новизна исследований заключается в том, что был детально изучен автоколебательный режим диафрагменного разряда с применением скоростной киносъемки совместно с регистрацией ампер-секундных характеристик (рис. 2) [2,

3, 6]. Для представленных спектрограмм (рис.4) осуществлялся анализ жидкостей в режиме автоколебаний тока на отверстии диаметром 0,2 мм при напряжении и=300В, без дополнительной индуктивности. Проведен качественный и количественный анализ пробных растворов хлорида натрия и сульфида натрия. Полученные спектры свечения для исследованных растворов приведены на рис. 4.

Из представленных спектрограмм видно, что обе спектральные характеристики содержат линии натрия (№) на длине волны 5890 А. Разрешающая способность оптической системы и видеокамеры составляли 2А/pix. В обеих характеристиках так же наблюдается линия водорода (В) на длине волны 6560 А. Для раствора сульфида натрия регистрировались линии серы ^), которые представлены на нижней спектрограмме рис. 4.

ВЫВОДЫ

1. Показана возможность количественного спектрального анализа веществ в водных растворах с помощью диафрагменного разряда.

2. Показана принципиальная возможность реализации спектрального анализа примесей в воде при напряжениях 100-400 Вольт, в режиме автоколебаний тока.

3. В представленной методике исключена эрозия металлических электродов.

4. Показана возможность экспресс-анализа жидкости с цифровой записью спектров и их обработкой на компьютере.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты: № 05-08-18145, № 0602-17453). Авторы благодарны Г.Н. Санкину за постановку задачи исследований спектров при высоковольтном электрическом разряде в жидкости.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дробышевский, Э.М. Излучение и равновесный состав плазмы импульсного диафрагменного разряда в электролитах / Э.М. Дробышевский и др. // ЖТФ. - 1977. - Т. 47, вып. 2. - С. 255-262.

2. Тесленко, В.С. Генерация автоколебательных процессов при диафрагменном разряде в электролите / В.С. Тесленко, А.П. Дрожжин, А.М. Карташов // Письма в ЖТФ. -2001. - Т. 27, вып. 20. - С. 83-88.

3. Дрожжин, А.П. Импульсный диафрагменный разряд в жидкости / А.П. Дрожжин, А.М. Карташов // Динамика сплошной среды. - 2001. - вып. 117. - С. 130-132.

4. Зуев, Б.К. Разряд при вскипании в канале новый источник автоматизации и возбуждения для атомно-эмисионного определения металлов в потоке / Б.К. Зуев и др. // Журнал аналитической химии. - 2002. - Т. 57. - №10. - С. 1072-1077.

5. Санкин, Г.Н. Многоочаговый диафрагменный электроразрядный генератор ударных волн в жидкости / Г.Н. Санкин и др. // Приборы и техника эксперимента. - 2004. - №4. - С. 114-118.

6. Тесленко, В.С. Автоцикличный кольцевой пробой в электролите с вынужденным коллапсом пузырьков / В.С. Тесленко, А.П. Дрожжин, Г.Н. Санкин // Письма в ЖТФ. - 2006. - Т. 32. - вып. 4. - С. 24-30.

© К.А. Ломанович, В.С. Тесленко, 2007