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

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).