Влияние свойств и состава стеклокерамических и стеклоэмалевых покрытий электродов на электросинтез озона в барьерном разряде тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Шаброва, Елена Борисовна

• Шаброва, Елена Борисовна
• кандидат химических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат химических наук Шаброва, Елена Борисовна

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Влияние диэлектрического барьера электродов на электросинтез озона.

1.2.Влияние химического состава на свойства диэлектрических покрытий.

1.3. Обоснование выбора керамического наполнителя.

1.4. Основной принцип симплексного алгоритма.

1.5. Влияние пористости на диэлектрические свойства покрытий.

1.6. Кинетика электросинтеза озона в кислороде.

1.7. Кинетика электросинтеза озона из воздуха.

1.8. Синтез озона на повышенной частоте.

1.9. Влияние температуры и давления на электросинтез озона. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Описание экспериментальной установки.

2.2. Описание методов синтеза и исследования свойств покрытий.

2.3. Экспериментальное определение коэффициентов теплопроводности покрытий.

2.4. Определение пористости покрытий методом Глаголева.

2.5. Определение электрических свойств покрытий.

2.6. Исследование заряда, осевшего на поверхности диэлектрика электрографическим методом.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Синтез и исследование свойств стеклокерамического покрытия.

3.2. Синтез и исследование свойств диэлектрического покрытия для электродов, изготовленных из легированной стали.

3.3. Исследование электросинтеза озона из кислорода и из воздуха в озонаторе с диэлектрическим стеклокерамическим барьером.

3.3.1. Электрические и кинетические характеристики электросинтеза озона с диэлектрическими покрытиями ЗБ1, ЗБЗ, ЗБ5 и ЗБ7.

3.3.2. Электрические и кинетические характеристики электросинтеза озона с диэлектрическими покрытиями 6Б5 и 6Б7.

3.3.3. Электрические и кинетические характеристики электросинтеза озона при использовании стеклокерамического покрытия с мета-титанатом бария ЗВ.

3.3.4. Исследование осевшего заряда на электродах с диэлектрическими стеклокерамическими покрытиями.

3.4. Электрические и кинетические характеристики электросинтеза озона из кислорода и из воздуха в озонаторах, использующих в качестве диэлектрического барьера покрытие 1Н.

3.4.1 Синтез озона из кислорода.

3.4.2 Синтез озона из воздуха.

4. ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние свойств и состава стеклокерамических и стеклоэмалевых покрытий электродов на электросинтез озона в барьерном разряде»

Озон - один из самых сильных окислителей, обладает уникальными свойствами. Спектр его реакций очень широк. Он может применяться в газофазных, жидкостных и гетерофазных реакциях, и, самое главное, это экологически чистый реагент, не образующий при разложении вредных или трудноудаляемых веществ.

Озон используется в самых различных отраслях: химической, нефтяной, фармацевтической, текстильной промышленности, обеззараживании питьевой воды, очистке промышленных и сточных вод, отходящих и хвостовых газов различных производств, хранении пищевых продуктов, металлургии черных, цветных и редких металлов, промышленном органическом и неорганическом синтезе. Стремительно расширяется применение озона в медицине и биотехнологии. Озон незаменим в интенсивных и замкнутых технологических процессах.

В настоящее время наблюдается резкое увеличение потребности в озоне, однако, широкому использованию озона в промышленных областях препятствуют высокие затраты энергии на его производство, так как энергетический КПД применяемых озонаторов пока невелик. В связи с этим очень актуальной является проблема повышения производительности озонаторов и увеличения эффективности электросинтеза озона. Наиболее перспективными путями повышения производительности являются использование повышенной частоты тока и специальных диэлектрических покрытий для электродов озонаторов.

К важнейшим параметрам, способствующим улучшению рабочих характеристик озонаторных установок, относятся ресурс работы и надежность электродов генератора озона. Электроды работают в условиях воздействия электрических полей повышенной напряженности, ионизирующих излучений и нуждаются в надежной электроизоляции.

Наиболее оптимальной для высокопроизводительных озонаторов является конструкция озонаторов с диэлектрическим барьером в виде тонкого покрытия, нанесенного на один или оба металлических электрода. Высокая эффективность электросинтеза озона достигается при использовании в качестве диэлектрического барьера в озонаторе таких материалов, как стекло, эмаль и керамика.

Основными свойствами покрытий, выполняющих функцию диэлектрического барьера электродов, являются электрическая прочность, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическая постоянная и электрическое сопротивление.

В последние годы в нашей стране и за рубежом проводятся исследования по разработке и поиску новых диэлектрических материалов с высокими диэлектрическими свойствами.

Поставленная в работе цель состоит в создании специальных диэлектрических покрытий для электродов высокочастотных озонаторов, имеющих повышенную диэлектрическую проницаемость, большую теплопроводность, достаточное поверхностное сопротивление, и исследование влияния их состава и физико-химических свойств на эффективность электросинтеза озона в барьерном разряде. Разработка научных основ для создания промышленных озонаторов с высокими технико-экономическими показателями.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Шаброва, Елена Борисовна

4. ВЫВОДЫ.

1. Созданы специальные стеклокерамические покрытия для электродов высокочастотных озонаторов. Наиболее перспективными наполнителями для стек-локерамических покрытий являются метатитанат стронция и титанат бария. Используя метод линейного программирования, в основу которого был положен математический симплекс-алгоритм, разработаны стекломатрицы оптимального состава, инертные по отношению к метатитанату стронция, что исключает явление изоморфизма между стекломатрицей и метатитанатом стронция, а также определены базовые составы стеклоэмалей для электродов из нержавеющей стали.

2. Впервые проведено исследование электросинтеза озона из кислорода и из воздуха на новом классе покрытий (стеклокерамическом) в качестве диэлектрического барьера в озонаторах. Наибольшая производительность озонатора получена при использовании стеклокерамического покрытия, содержащего 50-75%(мас) метатитаната стронция, которое обладает наилучшими диэлектрическими свойствами (е-27, электрическая прочность 20кВ/мм и диэлектрическими потерями tg8=0,001) и имеет равномерно распределенную кристаллическую фазу в стекломатрице при небольшом (менее 6%) содержании газовых пор, диаметр которых не превышает 10 мкм.

3. Стеклокерамические покрытия с самыми высокими значениями теплопроводности обеспечивают наиболее высокий энергетический выход озона при более низких значениях частоты и напряжения.

4. Впервые проведено изучение поверхностного заряда, оседающего на поверхности диэлектрика, при использовании стеклокерамических покрытий с различными значениями диэлектрических свойств и при увеличении напряжения на разрядном промежутке. Установлена связь диэлектрических свойств барьера с распределением заряда по поверхности и с синтезом озона.

5. Рассчитана теоретическая зависимость концентрации озона от фактора удельной энергии при синтезе озона из воздуха, учитывающая общее влияние образующихся оксидов азота. Найден характер изменения констант образования и разложения озона под влиянием образующихся оксидов азота.

6. Разработанные диэлектрические барьеры электродов высокочастотных озонаторов обеспечивают высокий выход озона как при синтезе из кислорода, так и при синтезе из воздуха. На основе использования повышенной частоты тока и новых диэлектрических покрытий оптимизирован синтез озона в барьерном разряде и созданы научные основы для разработки генераторов озона нового поколения, обеспечивающих высокий энергетический выход озона.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Шаброва, Елена Борисовна, 2000 год

1. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. М.: МГУ. 1987. 237 с.

2. Еремин E.H. //Журнал физической химии. 1958. Т.32 С.243.

3. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. М. 1989. 174 с.

4. Гибалов В.И., Пич Г. Выделение энергии в канале микроразря-да.//Журнал физической химии. 1994. Т.68. №6. С.1130-1136.

5. Гибалов В.И. О физической природе барьерного разряда.//Журнал физической химии. 1994. Т.68. № 5. С.926-930.

6. Воронина В.И., Самойлович В.Г., Гибалов В.И. Исследование барьерного разряда в молекулярных газах при атмосферном давле-нии./Электрические характеристики серии микроразрядов.// Журнал физической химии. 1985. Т.59. №6. С. 1492-1496.

7. Емельянов Ю.М., Филиппов Ю.В. Электрическая теория озонато-ров./Об активной мощности озонаторов.// Журнал физической химии. 1959. Т.ЗЗ. №5. С.1042-1046.

8. Филиппов Ю.В., Вендилло В.П., Оке H.A. Высокочастотный озонатор.// A.C. № 387572 (СССР). 1973.

9. Баранов С.С., Орлов A.A., Семенов В.И. Современные конструкции озонаторов.// Обзорная информация. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. 1984. С.38.

10. Филиппов Ю.В., Вендило В.П., Вобликова В.А. Новый высокочастотный озонатор. // Ж. Всесоюз. хим. общества им Д.И, Менделеева. 1977. Т.22. №1. С. 113-115.

11. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А. Озонаторы с эмалированными электро-дами.//Водоснабж. и сан. техника 1985, №1. С.6-8.

12. Вобликова В.А., Шаброва Е.А., Филиппов Ю.В. Эмали в качестве диэлектрических покрытий электродов в озонаторах.// Вестн. Моск. ун-та.-1986.1.21 т. С.256-261.

13. Socolova M.V. The frequency influence on the discharge characteristics of an ozonizer.// III. Ind. Symp. on High Voltage Eng. Milan. 1979. P. 53.

14. Lowther F.E./Pat. №3996122 (US ). 1976.

15. Lowther F.E./Pat №4016060 (US ). 1977.

16. Пат. 53-799111 (Япония). Хакамура Х./Способ получения эмали, обладающей малыми диэлектрическими потерями и хорошей сцепляемостью с подложкой. 1978.

17. Пат. 53799112 (Япония). Танабэ X. / Способ приготовления эмали, обладающей малыми диэлектрическими потерями и высоким коэффициентом термического расширения. 1978.

18. Пат. 53-149521 (Япония). Хиракава Масахиро / Пластинчатый озонатор с эмалированными электродами. 1980.

19. М. А. Семин, Н. Ю. Хмельнова. Электроизоляционные эмали с улучшенными диэлектрическими свойствами. //Стекло и керамика. 1994. №4. С.27-29.

20. Бударин М.В. Литвинов В.В. Опыт использования стеклоэмалей в барьерных озонаторах КБХА. // Сб. информационный центр «Озон» 1997. Вып.7. С.10.

21. Abramovich L.J. Danilin V.V., Kokyrcin M.P., Pashin M.M.

22. Modern Industrial Ozone Generators with Enamal covering of Electrodes. // Proc. Regional Conference of Ozone Generation and Application to Water and Waste Water Treatment. Moscow. Russia. 1998. P.437.

23. Masuda S, Koizumi. Ozone Generation at Low and very Law Temperature. // Papers of technical Muting on Electrode discharges. 1987.

24. Ishioka H., Kai.K., Nishikava Т., Sakai E. High Concentration Tube Type Ozone Generator.// Proc. 9th Ozone World Congress Ozone in Waste Water Treatment Industrial Application. New York. 1989. P.

25. Masuda S. Ceramic Ozonizer Using High-Frequency Surface Discharge and its Applications. // Vol.2.9th Ozone World Congress Ozone in Waste Water Treatment Industrial Application. New York. 1989. P.650-696.

26. Такааки И./ Заявка № 1131006 (Япония). 1989.

27. Schweckediek Y. Production of ozone of high concentrations from oxygen. //.Proc. Regional Conference. Zurich. 1994. P239-249.

28. Opalinska T. Ozone formation in an electric discharge a ferroelectric surface // Acta. Phys. Slov. 1989. №2. P.18-21.

29. Opalinska Т., Kozlov К.V., Voblicova V.A., Szymanski A. Effect of Properties of Dielectric Electrode on Ozone Synthesis Yield in the Barrier Dischage.// Acta Phys. Universitaties Comenianae Vol. XXXIV. 1.1993. P.33-38.

30. Benes J.M.,Cosba S./Pat. №2560867. BRD. 1989.

31. Mechtersheimer G. Influence of different dielectric materials of the ozone formation process.// 9th Ozone World Congress Ozone in Waste Water Treatment Industrial Application. New York. 1989. V.2.P.1-11.

32. Murata Т., Tatsukawa M., Okita Y., Yasuoka K. //Proc of the 11th International Conf. On Gas Discharges and Their Application. Tokyo. 1995. V.2. P.326.

33. Okita Y, Amano A, Nouda K, Murata T. Terai K. Effects of Cooling Method on Ozone Generation. I I Ozone Science & Ingineering. V.17. №2. P.847-852.

34. Соколова M.B., Жуков A.H. Влияние материала барьера на разрядные процессы и образование озона в барьерном озонаторе. //Вестн. МЭИ. 1977. №1. С.79-83.

35. Варгин В.В. Эмалирование металлических изделий. / JL: Машиностроение, 1972. 495 с.

36. Петцольд А., Пешман Г. Эмаль и эмалирование. / М.: Металлургия, 1990. 574 с.

37. Тыкачинский М.Д. Проектирование и синтез стекол и ситаллов с заданным комплексом свойств. / JI. 1977. 145 с.

38. АппенА.А. Химия стекла. / Л.: Химия. 1970. 352 с.

39. Мазурин О.В. Электрические свойства стекла. Труды JITH им. Ленсовета. Вып. ХП-Л. 1962.131 с.

40. Аракилян B.C. Зависимость диэлектрической проницаемости алмазо-подбных полупроводников от атомных номеров слагающих их элементов// ДАН. 1995. Т.345. №6. С.765-772.

41. Богородицкий Н.В., Волокобинский Ю.Н., Воробьев А.А., Тареев Б.М. Теория диэлектриков. / М. Л. 1965. 213 с.

42. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. / М. 1977. 448 с.

43. Стевелс Дж. Электрические свойства стекла. / М.: Изд-во иностранной литературы. 1961. 90 с.

44. Тарасов В.В. Проблемы физики стекла./М.: Стройиздат. 1979. 255 с.

45. Акопян А.Д. О закономерности влияния окислов двухвалентных металлов на электропроводность стекол. // Тр. III Всесоюзного симпозиума . «Стеклообразное состояние. Электрические свойства и строение стекла.». Ереван. 1974. С.75-78.

46. Красников А.С., Бережной А.И., Красникова М.Д. Влияние ионов с различными радиусами на свойства литиевоалюмосиликатных фотоситал-лов.//Стекло и керамика. 1998. №4. С.7-11.47,48.