RU2169443C1

RU2169443C1 - Process of generation of electrolytic electric discharge and gear for its implementation

Info

Publication number: RU2169443C1
Application number: RU99126610A
Authority: RU
Inventors: Х.К. Тазмеев; Б.Х. Тазмеев
Original assignee: Камский политехнический институт
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-06-20

Abstract

FIELD: generation of low-temperature plasma, plasma chemistry, plasma technologies of machining of metals and materials, plasma chemical reactors. SUBSTANCE: process of generation of electrolytic electric discharge consists in initiation of discharge between electrolytic cathode and solid anode, electrolyte to discharge area being supplied through porous dielectric. Electrolyte proper is prepared from aqueous solutions of salts of alkali metals and aqueous solutions of alkalis with mass concentration from 1.0 to 30.0 kg/cu m. Gear for generation of electrolytic electric discharge has solid current lead and electrolyte in the capacity of cathode, solid anode and hydraulic system for electrolyte circulation. Cathode is fitted with dielectric porous body and is so installed that space for passage of electrolyte is formed between current lead and porous body. Solid anode is fabricated in the form of ring and is placed opposite to porous body of cathode so that plane of ring is parallel to outer plane of porous body. Ring-anode is closed by insulator on side of cathode and on outside. EFFECT: enlargement of active working zone of discharge by way of increase of its length. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к способам получения, исследования и применения низкотемпературной плазмы и может быть применено в плазмохимии, плазменных технологиях обработки материалов и плазменной технике, в частности в плазмохимических реакторах. The invention relates to methods for producing, researching and using low-temperature plasma and can be applied in plasma chemistry, plasma processing technologies and plasma technology, in particular in plasma chemical reactors.

Известны способы получения электролитного разряда между жидким катодом и твердотельным анодом, когда жидкий катод либо наливается в электролитическую ванну [1], либо подается в виде струи [2]. Known methods for producing an electrolyte discharge between a liquid cathode and a solid-state anode, when the liquid cathode is either poured into an electrolytic bath [1], or supplied in the form of a jet [2].

Известен способ получения электролитного разряда, когда оба электрода (и катод, и анод) являются жидкими и текут по поверхностям твердотельных токоподводов [3]. There is a method of producing an electrolyte discharge when both electrodes (both the cathode and the anode) are liquid and flow along the surfaces of solid-state current leads [3].

Недостаток известных способов заключается в том, что с помощью этих способов невозможно получить разряд при больших межэлектродных расстояниях, т. е. невозможно увеличить длину разрядного канала выше определенного предела, который составляет порядка 20 мм и практически не зависит от состава электролита. Поэтому эти способы имеют ограниченные технологические и иные возможности практического применения. A disadvantage of the known methods is that using these methods it is impossible to obtain a discharge at large interelectrode distances, i.e. it is impossible to increase the length of the discharge channel above a certain limit, which is about 20 mm and is practically independent of the composition of the electrolyte. Therefore, these methods have limited technological and other possibilities of practical application.

Известен способ получения электролитного электрического разряда, заключающийся в зажигании разряда внутри диэлектрической трубки, нижний конец которой касается электролита, налитого в электролитическую ванну, а вблизи открытого верхнего конца устанавливается твердотельный анод [4]. При этом пары электролита поднимаются в вертикальном направлении внутри трубки и это позволяет поддерживать разряд при значительно больших (больше 20 мм) межэлектродных расстояниях. There is a method of producing an electrolyte electric discharge, which consists in igniting a discharge inside a dielectric tube, the lower end of which touches an electrolyte poured into an electrolytic bath, and a solid-state anode is installed near the open upper end [4]. In this case, the electrolyte vapor rises in the vertical direction inside the tube and this allows the discharge to be maintained at much larger (more than 20 mm) electrode distances.

Недостатки этого известного способа заключаются в следующем: отсутствует свободный доступ в разрядную область; разряд реализуется только в вертикальном направлении, т.е. разряд реализуется при одном единственном варианте взаимного расположения электродов, а именно когда жидкий катод находится ниже твердотельного анода. Поэтому этот способ, как и другие известные способы, имеет ограниченные технологические и иные возможности практического применения. The disadvantages of this known method are as follows: there is no free access to the discharge region; the discharge is realized only in the vertical direction, i.e. The discharge is realized with one single variant of the relative arrangement of the electrodes, namely, when the liquid cathode is located below the solid-state anode. Therefore, this method, like other known methods, has limited technological and other possibilities of practical application.

Прототипом устройства для осуществления способа выбрано устройство, содержащее твердотельный токоподвод и электролит в качестве катода, твердотельный анод и гидросистему для циркуляции электролита [2]. The prototype device for implementing the method selected device containing a solid-state current lead and an electrolyte as a cathode, a solid-state anode and a hydraulic system for circulating the electrolyte [2].

Изобретение направлено на расширение технологических возможностей применения за счет увеличения активной рабочей зоны разряда путем увеличения его длины. The invention is aimed at expanding the technological capabilities of the application by increasing the active working zone of the discharge by increasing its length.

Это достигается тем, что в способе получения электролитного электрического разряда, заключающегося в зажигании разряда между электролитным катодом и твердотельным анодом, поступление электролита в разрядную область осуществляется через пористый диэлектрик, а сам электролит готовится из водных растворов солей щелочных металлов и водных растворов щелочей с массовой концентрацией от 1 до 30 кг/м³.This is achieved by the fact that in the method of producing an electrolyte electric discharge, which involves igniting a discharge between an electrolyte cathode and a solid-state anode, the electrolyte enters the discharge region through a porous dielectric, and the electrolyte itself is prepared from aqueous solutions of alkali metal salts and aqueous solutions of alkali with mass concentration from 1 to 30 kg / m ³ .

А в устройстве для получения электролитного электрического разряда, содержащем твердотельный токоподвод и электролит в качестве катода, твердотельный анод и гидросистему для циркуляции электролита, катод снабжен диэлектрическим пористым телом и токоподвод и пористое тело установлены так, что между ними образована полость для пропускания электролита, а твердотельный анод выполнен в виде кольца и установлен напротив пористого тела катода, так чтобы плоскость кольца была параллельна наружной плоскости пористого тела, при этом кольцо со стороны катода и снаружи закрыто изолятором. And in the device for producing an electrolyte electric discharge containing a solid-state current lead and an electrolyte as a cathode, a solid-state anode and a hydraulic system for circulating the electrolyte, the cathode is provided with a dielectric porous body and the current lead and the porous body are arranged so that a cavity for transmitting the electrolyte is formed between them, and a solid state the anode is made in the form of a ring and is installed opposite the porous body of the cathode, so that the plane of the ring is parallel to the outer plane of the porous body, while the ring with side of the cathode and the outside is closed by an insulator.

На чертеже представлено устройство для осуществления способа. The drawing shows a device for implementing the method.

Устройство для реализации способа состоит из токоподвода 1, электролитного катода 2, диэлектрического пористого тела 3, твердотельного анода 4, выполненного в виде кольца, изолятора 5, гидросистемы 6, которая обеспечивает циркуляцию электролита. Токоподвод 1 и анод 4 подключены к клеммам источника питания 7 через балластный резистор 8. Токоподвод 1 и пористое тело 3 образуют единый катодный узел с полостью для протекания электролита 2. Катодный узел и анод могут располагаться в любом положении друг относительно друга, в том числе могут располагаться горизонтально, как показано на фигуре 1. Катодный узел может находиться над анодом либо, наоборот, анод может находиться над катодным узлом, и возможны любые другие варианты их взаимного расположения. При этом кольцо- анод 4 всегда устанавливается напротив пористого тела 3 так, чтобы плоскость кольца-анода 4 была параллельна наружной рабочей поверхности 9 пористого тела 3. A device for implementing the method consists of a current lead 1, an electrolyte cathode 2, a dielectric porous body 3, a solid-state anode 4, made in the form of a ring, an insulator 5, a hydraulic system 6, which circulates the electrolyte. The current lead 1 and the anode 4 are connected to the terminals of the power source 7 through a ballast resistor 8. The current lead 1 and the porous body 3 form a single cathode node with a cavity for the flow of electrolyte 2. The cathode node and the anode can be located in any position relative to each other, including located horizontally, as shown in figure 1. The cathode assembly may be located above the anode or, conversely, the anode may be located above the cathode assembly, and any other options for their mutual arrangement are possible. In this case, the ring-anode 4 is always mounted opposite the porous body 3 so that the plane of the ring-anode 4 is parallel to the outer working surface 9 of the porous body 3.

Способ осуществляется следующим образом. Через полость между токоподводом 1 и пористым телом 3 пропускается поток электролита 2 таким образом, чтобы часть электролита, смачивая пористое тело 3, поступала на его рабочую поверхность 9. После этого с помощью известных способов, например взрывом тонкой медной проволоки, зажигается разряд 10 между рабочей поверхностью 9 пористого тела 3 катодного узла и анодом 4. Изолятор 5 предотвращает блуждание анодных пятен разряда по наружной поверхности анода и тем самым способствует стабилизации разряда. The method is as follows. An electrolyte stream 2 is passed through the cavity between the current lead 1 and the porous body 3 so that part of the electrolyte, wetting the porous body 3, enters its working surface 9. After this, using known methods, for example, by exploding a thin copper wire, discharge 10 is ignited between the working the surface 9 of the porous body 3 of the cathode assembly and the anode 4. The insulator 5 prevents the anode spots of the discharge from wandering around the outer surface of the anode and thereby helps to stabilize the discharge.

Электролит на рабочей поверхности 9 пористого тела 3 под действием потока энергии, поступающего от плазмы разряда, кипит и испаряется. Интенсивность этого процесса зависит от тока (от мощности) разряда. При заданном токе, чтобы поддерживать пористое тело в пропитанном электролитом состоянии, на рабочую поверхность пористого тела электролит необходимо подавать в количестве, немного превышающем или в точности таком же, которое испаряется с этой поверхности. При этом условии кипение и испарение происходят внутри пор поверхностного слоя пористого тела и пары электролита, выходя из пор под давлением, образуют поток, направленный в сторону разрядной области. Это способствует поддержанию электрического разряда при больших межэлектродных расстояниях l, т.е. способствует увеличению длины разрядного канала электрического разряда. The electrolyte on the working surface 9 of the porous body 3 under the influence of a stream of energy coming from the discharge plasma boils and evaporates. The intensity of this process depends on the current (on power) of the discharge. At a given current, in order to maintain the porous body in an electrolyte-impregnated state, the electrolyte must be supplied to the working surface of the porous body in an amount slightly higher than or exactly the same as that which evaporates from this surface. Under this condition, boiling and evaporation occur inside the pores of the surface layer of the porous body and the electrolyte vapor, leaving the pores under pressure, form a flow directed towards the discharge region. This contributes to maintaining the electric discharge at large interelectrode distances l, i.e. helps to increase the length of the discharge channel of the electric discharge.

Положительный эффект от применения пористого тела существенно увеличивается, если в качестве электролита использовать жидкости, в химическом составе которых имеются легкоионизируемые элементы, например щелочные металлы: натрий, калий и другие. Такие электролиты можно приготовить из водных растворов солей щелочных металлов и водных растворов щелочей. The positive effect of the use of a porous body is significantly increased if liquids are used as electrolyte in the chemical composition of which there are easily ionized elements, for example, alkali metals: sodium, potassium, and others. Such electrolytes can be prepared from aqueous solutions of alkali metal salts and aqueous solutions of alkalis.

Экспериментальные исследования показали, когда в химическом составе электролита отсутствуют легкоионизируемые элементы, максимальное значение l составляет 45-50 мм. Это примерно в 2,5 раза больше, чем при зажигании разряда по известному способу [1]. В случае использования в качестве электролита водного раствора КОН с массовой концентрацией 2 кг/м³ длина разрядного канала (расстояние l) достигала до 170 мм, а в случае использования водного раствора NaCl с массовой концентрацией 5 кг/м³ разряд поддерживался при межэлектродном расстоянии 220 мм. Это расстояние более чем в 4 раза больше, чем в случае использования солей нещелочных металлов с той же концентрацией. Таким образом, подача электролита в разрядную область через пористое диэлектрическое тело катодного узла позволяет увеличить длину разрядного канала. Ток в экспериментах менялся в пределах от 3 до 5 А. Разряд горел в вертикальном направлении, когда катодный узел располагался внизу, а металлический анод наверху. Длина разрядного канала существенно возрастает и при других расположениях электродов. Например, при горизонтальном расположении электродов друг относительно друга (как показано на чертеже) в случае использования в качестве электролита водного раствора NaCl с массовой концентрацией 5 кг/м³ длина разрядного канала (расстояние l) достигала до 140 мм. Таким образом, использование в качестве электролита водных растворов щелочей и солей щелочных металлов позволяет получить электролитный разряд, горящий в открытой атмосфере (без стабилизации стенкой), при межэлектродных расстояниях, в несколько раз превышающих максимальное межэлектродное расстояние при других известных способах получения открытого разряда.Experimental studies have shown that in the chemical composition of the electrolyte there are no easily ionized elements, the maximum value of l is 45-50 mm. This is about 2.5 times more than when igniting a discharge by a known method [1]. In the case of using an aqueous KOH solution with a mass concentration of 2 kg / m ³ as an electrolyte, the length of the discharge channel (distance l) reached 170 mm, and in the case of using an aqueous NaCl solution with a mass concentration of 5 kg / m ^{3, the} discharge was maintained at an interelectrode distance of 220 mm This distance is more than 4 times greater than with non-alkali metal salts of the same concentration. Thus, the supply of electrolyte to the discharge region through the porous dielectric body of the cathode assembly allows to increase the length of the discharge channel. The current in the experiments varied from 3 to 5 A. The discharge burned in the vertical direction, when the cathode assembly was located below and the metal anode above. The length of the discharge channel increases significantly with other electrode arrangements. For example, when the electrodes are horizontally relative to each other (as shown in the drawing), in the case of using an aqueous NaCl solution with a mass concentration of 5 kg / m ³ as an electrolyte, the length of the discharge channel (distance l) reached 140 mm. Thus, the use of aqueous solutions of alkalis and alkali metal salts as an electrolyte allows one to obtain an electrolyte discharge burning in an open atmosphere (without stabilization by the wall), at interelectrode distances several times greater than the maximum interelectrode distance with other known methods for producing an open discharge.

При концентрациях менее 1 кг/м³ положительный эффект от использования электролита из растворов солей щелочных металлов и щелочей получается незначительным. В этом случае разрядный канал имеет примерно такую же длину (45 - 50 мм), как и при использовании электролита из растворов нещелочных металлов.At concentrations less than 1 kg / m ^{3 the} positive effect of the use of an electrolyte from solutions of alkali metal salts and alkalis is negligible. In this case, the discharge channel has approximately the same length (45-50 mm) as when using an electrolyte from solutions of non-alkali metals.

При больших концентрациях плотность тока на катоде возрастает, что приводит к интенсификации испарения электролита с поверхности пористого тела катода. Вследствие этого при концентрациях электролита более 30 кг/м³ пористое тело быстро высыхает и разряд гаснет. Чтобы разряд горел устойчиво и непрерывно и чтобы при этом межэлектродное расстояние было больше, чем при других известных способах получения открытого разряда, необходимо готовить электролит с массовой концентрацией от 1 до 30 кг/м³.At high concentrations, the current density at the cathode increases, which leads to an intensification of the evaporation of the electrolyte from the surface of the porous body of the cathode. As a result, at electrolyte concentrations of more than 30 kg / m ^{3, the} porous body dries quickly and the discharge goes out. In order for the discharge to burn stably and continuously and so that the interelectrode distance is greater than with other known methods for producing an open discharge, it is necessary to prepare an electrolyte with a mass concentration of from 1 to 30 kg / m ³ .

Источники информации
1. Гайсин Ф. М. , Сон Э.Е., Шакиров Ю.И. Объемный разряд в парогазовой среде между твердым и жидким электродами. М. Изд-во ВЗПИ. 1990. См. стр. 82-85.Sources of information
1. Gaysin F.M., Son E.E., Shakirov Yu.I. Volume discharge in a vapor-gas medium between solid and liquid electrodes. M. Publisher VZPI. 1990. See pages 82-85.

2. Гайсин Ф. М., Хакимов Р.Г., Шакиров Ю.И. Разряд в газе между струей жидкости и твердым электродом. // Тезисы докладов научно-технической конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики" - Саранск. 18 - 20 мая 1993. МГПИ. См. стр. 34. 2. Gaysin F.M., Khakimov R.G., Shakirov Yu.I. A discharge in a gas between a liquid stream and a solid electrode. // Abstracts of the scientific and technical conference "Problems and Applied Problems of Physics" - Saransk. May 18 - 20, 1993. MGPI. See page 34.

3. Баринов Ю. А. , Блинов И.О., Дюжев Г.А., Школьник С.М. Экспериментальное исследование разряда с жидкими электродами в воздухе при атмосферном давлении. // Материалы конференции "Физика и техника плазмы", Т. 1, Минск. Беларусь. 13-15 сентября 1994. См. стр. 123-126. 3. Barinov Yu. A., Blinov I.O., Dyuzhev G.A., Shkolnik S.M. An experimental study of a discharge with liquid electrodes in air at atmospheric pressure. // Materials of the conference "Physics and Technology of Plasma", T. 1, Minsk. Belarus. September 13-15, 1994. See pages 123-126.

4. А. с. N 1088086 (СССР). Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Даутов Г.Ю. Устройство для получения тлеющего разряда при атмосферном давлении, 1983. 4. A. p. N 1088086 (USSR). Gaysin F.M., Gizatullina F.A., Dautov G.Yu. A device for producing a glow discharge at atmospheric pressure, 1983.

Claims

1. A method of producing an electrolyte electric discharge, which consists in igniting a discharge between an electrolyte cathode and a solid-state anode, characterized in that the electrolyte is supplied to the discharge region through a porous body from a dielectric, and the electrolyte is prepared from aqueous solutions of alkali metal salts and aqueous solutions of alkali with mass concentration of 1 - 30 kg / m ³ .

2. A device for producing an electrolyte electric discharge, comprising a solid-state current lead and an electrolyte as a cathode, a solid-state anode and a hydraulic system for circulating the electrolyte, characterized in that the cathode is provided with a porous dielectric body and is installed so that a cavity for passing the electrolyte is formed between it and the current lead, and the solid-state anode is installed opposite the porous body of the cathode and is made in the form of a ring, the plane of which is parallel to the outer plane of the porous body, while the ring s cathode and closed outside insulator.