КПД электрогидравлического эффекта

Электрогидравлический эффект был предложен прежде всего как способ трансформации электрической энергии в механическую. В связи с этим КПД этого преобразования является определяю­щим фактором при решении вопросов практического использова­ния электрогидравлических способов и устройств. КПД (ц) элект­рогидравлического эффекта зависит как от параметров электри­ческой схемы, так и от свойств подвергающихся электрогидрав­лической обработке объектов, среды, в которой она происходит, и характера обработки.

Ниже дается качественное изложение факторов, оказывающих влияние на величину КПД электрогидравлического эффекта

т)=/(а, /, Ьр, —, Ь\

где а = / (С, и', -:-, р-1 — амплитуда тока импульса; / — расстояние

между электродами (длина искры); Ьр — коэффициент, характе­ризующий резонансные свойства .материала; т — длительность им­пульса; Ь — крутизна фронта импульса; С — электрическая ем­кость; и — номинальное напряжение; Ь — индуктивность разряд­ного контура; /? — сопротивление разрядного контура. ^

Доказано, что КПД возрастает с увеличением значений а и Ь, а также длины искры / и уменьшается с увеличением т. Умень­шение значений Ь и К разрядного контура, а также рост напряже­ния и и в известных пределах емкости С способствуют увеличению механического КПД электрогидравлического эффекта, увели­чению КПД также способствует увеличение плотности рабочей жидкости [3].

Однако следует также иметь в виду сложный характер зави­симости электрических параметров друг от друга. Так, при уве­личении емкости контура линейно возрастают энергия импульса, амплитуда тока, удлиняется искра, но одновременно увеличива­ется и длительность импульса. Возрастание амплитуды тока и рост длины искры способствуют увеличению КПД, но их положительное влияние подавляется быстрым увеличением длительности им­пульса.

Поскольку передача энергии от искрового канала в окружаю­щую его среду осуществляется через поверхность этого канала, то пространственные параметры искры будут в значительной сте­пени определять эффективность этого процесса. Поэтому, говоря далее о напряжении и емкости, следует прежде всего иметь в виду, 30

что они являются главными факторами, определяющими длину (напряжение) и диаметр (емкость) искрового канала. При увели­чении напряжения резко возрастают энергия импульса (А = = С1!²/2) и крутизна фронта импульса тока [3, 4].

Кроме того, с повышением напряжения одновременно увеличи­вается и длина искры. Казалось бы, ясно, что увеличение длины и диаметра искрового канала, увеличивая его поверхность, будет способствовать улучшению условий перехода энергии в окружающую среду. Однако с ростом диаметра канала переход энергии из его центральных частей на периферию будет все более затрудняться и энергия начнет непроизводительно расходоваться на перегрев канала искры. Для ослабления этого отрицательного фактора можно увеличить крутизну фронта и уменьшить длитель­ность импульса, так как увеличение скин-эффекта, возникающее при этом, вызовет интенсивное перекачивание энергии из централь­ных областей канала на его периферию, а увеличение крутизны фронта и уменьшение длительности импульса достигаются повы­шением напряжения.

В конечном счете повышение напряжения вызывает рост КПД и приводит к возрастанию «жесткости» электрогидравлического удара, делая его более коротким,— бризантным. Увеличение ем­кости, наоборот, приводит к «смягчению» электрогидравлического удара, делая его менее «жестким» — более длительным.

Увеличение индуктивности разрядного контура приводит к резкому возрастанию длительности импульса, что даже при посто­янной амплитуде тока ведет к резкому изменению крутизны фронта, который становится более пологим, а поэтому даже ничтожное уменьшение индуктивности разрядного контура приво­дит к увеличению механического КПД разряда.

Увеличение сопротивления разрядного контура снижает энер­гию импульса и уменьшает амплитуду тока, вызывает увеличение длительности импульса и резко влияет на крутизну его фронта, делая его более пологим, что в конечном счете также приводит к снижению КПД- Таким образом, направленное изменение какого-либо параметра разрядного контура одновременно с этим разно­образно влияет и на остальные параметры разряда [6].

Разделив процесс на стадии, как это, мы сделали раньше, проще и удобнее определить возможности повышения КПД для всего про­цесса в целом. При этом большое значение имеют как длитель­ность, так и форма импульсов тока и напряжения каждой стадии.

Так, для повышения КПД выгодно, чтобы предразрядная ста­дия была возможно короче. Однако при обычных условиях умень­шение длительности этой стадии может привести к резкому уменьшению длины искрового разряда, поскольку за короткое время стримеры, если их росту чем-либо не помочь, не смогут прорасти на большое расстояние. Таким образом, укорочение длительности предразрядной стадии связано с необходимостью увеличения -скорости роста стримеров или облегчения условий

их роста в жидкости. А скорость и условия роста стримеров зависят в большей степени от напряжения и в меньшей степени от характера и степени ионизации жидкости.

На стадии переднего фронта механический КПД разряда будет возрастать с увеличением крутизны фронта и амплитуды импульса тока. КПД также резко возрастает, если стадии, не участвующие в процессе трансформации электрической энергии (примерно с половины стадии заднего фронта вплоть до полного прекращения процесса разряда), упразднить вообще. Для некоторых видов электрогидравлической обработки эти стадии не нужны, на них происходит непроизводительный расход энергии (до 10—30 % всей энергии разряда). В связи с этим повышение электрического, а значит, и механического КПД за счет экономии этой энергии представляет большой практический интерес.

Разработанные электрические схемы позволяют «отсекать» лю­бую из хвостовых частей импульса, оставляя при этом в конденса­торе всю ту энергию, которая ранее'шла на обеспечение существо­вания этих стадий. Сохраненная в конденсаторе энергия ускоряет зарядку конденсатора до заданного пробивного напряжения и этим на 10—20 % повышает КПД всех электрогидравлических устройств, работающих по таким схемам.

Однако в зависимости от поставленных целей (характера обра­ботки) отношение к существованию различных стадий разряда во времени может быть и'противоположным. Так, для осуществле­ния, например, импульсного электролиза оказывается рациональ­ным как можно более удлинить предразрядную стадию процесса. В тех случаях, когда необходимо использовать действие магнитно­го поля для активизации химических реакций, следует увеличить крутизну фронта и амплитуду тока на стадии переднего фронта, что выгодно также и при использовании в тех же целях процессов кавитации в кавитирующем кольце, тем более мощном, чем больше мгновенная мощность разряда.

Импульсная электрохимия

Объяснить все процессы, происходящие при воспроизведении электрогидравлического эффекта, невозможно, не объяснив хими­ческой основы этого явления. Действующие при этом внешние силы могут во много раз превосходить силы, рассматриваемые при обычных химических процессах, что не может не сказаться на характере протекания возникающих при этом химических реакций и их конечных результатах.

Химия жидких растворов в обычном ее представлении изучает взаимодействия атомов, ионов 'и молекул, совершающиеся под влиянием собственных сил притяжения и отталкивания, чему срав­нительно слабые внешние силы могут в какой-то степени только способствовать, отнюдь их не определяя. Таким образом, это, по существу, химия слабых внешних воздействий.

Электрогидравлика использует токи в сотни тысяч и миллионы ампер, напряжения в сотни тысяч вольт, создающие огромной силы электрические и магнитные поля, но, что самое главное — она использует только импульсное приложение этих сил к обрабаты­ваемым объектам. Этим объясняются очень резкие отличия процессов, происходящих при электрогидравлическом эффекте от процессов обычной химии.

Отсюда представляется возможной допустимость введения в практику нового раздела электрохимии для такого рода процессов, который можно назвать импульсной электрохимией..

Импульсная электрохимия должна исследовать химические процессы, совершающиеся в результате сильных внешних импульс­ных электрических воздействий.

В химических процессах, сопутствующих электрогидравличе­скому воздействию на материалы, такие факторы, как характер и длительность действующих сил, скорость взаимодействия и дли­на путей перемещения частиц, могут выступать как условия, определяющие форму и скорость протекания химических реакций. Эти факторы изменяются в зависимости от параметров электро­гидравлического эффекта. Особенно отчетливо их влияние будет сказываться в начальной стадии основных этапов процесса.

Для всякого химического процесса существуют некоторые минимальные время и энергия, необходимые для осуществления данной химической реакции, которая иначе произойти не сможет, даже если и существуют все прочие необходимые условия ее возникновения. При электрогидравлическом воздействии на мате­риалы длительность приложения действующих сил может оказать­ся настолько короткой, что кАкая-либо химическая реакция может и не произойти'. Это следует учитывать при обсуждении полу­ченных результатов.

По нашим представлениям, в химических процессах при элект­рогидравлическом воздействии на материалы заметную роль (в том числе и как химический фактор) играют свободные элект­роны (тем более, что условия их возникновения и активного существования при этом более чем благоприятны). Это положение подтверждается многими наблюдениями и опытными данными. В частности, удалось наблюдать ряд явлений, которые могут быть определены и отчетливо объяснены только за счет существова­ния в этих процессах подобных электронов. К ним относятся явления так называемого «лучистого разряда», которые возника­ют при работе на очень малых (менее 0,001 мкФ) емкостях и относительно высоких (более 100 кВ) напряжениях. При этом кроме обычных криволинейно ветвящихся стримеров, присут­ствующих теперь уже в меньших количествах и внешне имеющих «тонкие» концы и. «толстые» основания ветвей, во все возрастаю­щем по мере увеличения жесткости режима количестве_> наблю­даются и особые «лучистые» стримеры совершенно одинаковой «толщины» по всей своей длине и развивающиеся при этом иде-

ально прямолинейно. Длина лучей, (при 100 кВ) может достигать 50—80 мм и более. Лучи белого цвета и более яркие, чем обычные стримеры, развиваются рядом с ними, толщина их исчезающе мала и оценить ее визуально практически невозможно. Сходство лучей с прямолинейными участками скользящих разрядов, развиваю­щихся на тех же режимах, позволяет провести некоторую анало­гию между ними.

По нашим представлениям, возникающие под влиянием сверх­мощных полей лучистые стримеры образованы свободными элект­ронами, движущимися с большими скоростями. Для них жидкость оказывается подобной вакууму, в силу чего пути их' перемещения к электроду оказываются практически прямолинейными. Скользя­щие разряды [7] являются весьма перспективным средством исследования глубоких физико-химических свойств и молекуляр­ной структуры поверхностных слоев жидкостей.

Опыт показал, что углы разветвлений таких скользящих разря­дов (например, на поверхности воды) с достаточной точностью совпадают с углами между осями, соединяющими центры атомов в молекуле воды, или углами, образованными молекулами воды, плотно уложенными в «поля» плоских кристаллов воды, плаваю­щих в ее поверхностном слое. Опыт не обнаружил углов разветвле­ний разрядов, которые бы резко выходили за пределы указанных выше «стандартов». Точность совпадений возрастает с увеличе­нием жесткости режима работы.

Отмеченное нами явление «поворота» разрядов, становивших­ся после изменения направления то широкими, идущими как плоская лента, то узкими, словно та же лента, но поставленная «на ребро», также находит объяснение. Очевидно, что диполи, стоящие «торчком» в поверхностном слое жидкости, позволяют разряду либо скользить, как плоская лента, по их верхушкам, и тогда разряд действительно имеет вид ширвкой плоской ленты, либо проникать, как лезвие бритвы, между их верхушками в глубь поверхностного слоя диполей, таким образом частично углубляясь в этот поверхностный слой, и тогда разряд действительно имеет вид плоской ленты, но поставленной на ребро.

Высказанные положения подтверждаются тем, что в случае использования иных, чем вода, жидкостей наблюдается большое многообразие форм скользящих разрядов. Естественно, что при этом должны быть приняты все необходимые меры против погло­щения исследуемой в опыте жидкостью паров воды из окружаю­щей атмосферы. Обнаруженное при работе на этих же электри­ческих параметрах явление закручивания «в кольцо» скользящих разрядов, развивающихся с острия отрицательного электрода, объясняется влиянием на электронно-ионные процессы таких разрядов их собственных электромагнитных полей. Электромаг­нитные силы разряда разделяются на чисто электрические и чисто магнитные со свойственной каждой из них спецификой воздей­ствия на строго определенные стороны протекающих процессов.

Так, электрические силы действуют на ионы в жидкости, сообщая им движение к противоположно заряженным электродам, тем самым определяя само явление импульсного электролиза. Эти же силы действуют на неполярные молекулы и атомы, растя­гивая их в диполи, а при достаточно мощных воздействиях даже разрывают их на ионы. Они же при определенных условиях ока­зываются способными вырвать гидратированный ион из окружаю­щей его «шубы» диполей, сообщив ему при этом скорость, значи­тельно превышающую обычную. Аналогично действуют они и на упомянутый выше гидратированный электрон, не только опреде­ляя его существование, но и заставляя двигаться между частица­ми жидкости, как в вакууме, с высокими скоростями.

Магнитные силы определяют общее число ионов и диполей, уча­ствующих во взаимном противоположно направленном их переме­щении, и определяют характер этого движения в перпендикуляр­ном к нему направлении, либо стягивая, либо, наоборот, раздувая движущиеся потоки зарядов.

Отсюда напрашивается естественный вывод о том, что если магнитное поле изменяет концентрацию ионов, а следовательно, и свободных радикалов в том или ином объеме сосуда, то тем самым оно уже превращается в очевидный и достаточно активный фактор химического воздействия.

Поскольку импульс тока и импульс напряжения прикладывают­ся к жидкости разновременно и резко различаются по характеру своего воздействия на жидкость и поскольку крутизна их нараста­ния и спада, а также длительность при этом могут изменяться в широких пределах, то в каждый из моментов рассматриваемого нами химического процесса мы по существу имеем дело с жидкос­тями, совершенно различными не только по своим физико-хими­ческим свойствам, но и по своей способности к реакции.

Высказанное положение является основным положением, опре­деляющим методологический подход к рассмотрению всех процес­сов импульсной электрохимии электрогидравлического эффекта, затронутых в данной работе. Импульсная электрохимия электро­гидравлического эффекта — это прежде всего импульсная элект­рохимия воды или водных растворов веществ. Для практически нерастворимых или не смешивающихся с водой жидкостей нали-• чие в них хотя бы следов воды определяет не только интенсивность и характер возникающих при этом химических реакций, но и самую возможность их существования. В опыте зачастую оказывается вполне достаточным наличие в данной жидкости только естествен­но растворенных в ней паров воды, чтобы "необходимые нам химические реакции существовали и проходили достаточно полно и интенсивно.

Однако химические реакции под воздействием электрогидрав­лического эффекта могут протекать и во всех других жидкостях, в том числе и в неводных растворах, а также в полностью обез­воженных жидкостях при условии, если в них под, влиянием

3* - 35

диссоциации, электромагнитных полей и других естественных причин либо под воздействием предварительной электрогидравли­ческой обработки уже существуют или временно возникают ионы или свободные радикалы. Начальным этапом таких процессов может стать, например, возникновение или предварительное существование диполей.

Установлено, например, что при резонансном разрушении мате­риала большое значение в повышении его эффективности имеют внутренние перенапряжения в дислокациях кристаллов, и особенно те из них, которые способствуют силам резонансного разрушения. Не будет преувеличением допустить существование и чисто резо­нансного разрушения химических связей, поскольку частоты и ам­плитуды жестких режимов электрогидравлического эффекта прин­ципиально способны сообщать интенсивные колебания даже отдельным молекулам. В этом случае внутренние напряжения могут и будут способствовать разрушению химических связей.

На основании наблюдений можно предположить, что подобного рода процессы при электрогидравлическом воздействии действи­тельно происходят, в частности, разрушение диполей на ионы, разрушение крупных молекул полимеров и т. д.

Необходимо отметить, что все химические элементы, участвую­щие в реакциях, находятся в жидкости не только в виде простых молекул (анионов и катионов) или свободных радикалов, но и в виде ионов сложных комплексных молекул и даже коллоидов. При работе с какой-либо жидкостью исследователь на каждой из стадий будет иметь дело с совершенно различными жидкостями. Отсюда понятно то естественное недоумение многих, когда в своих работах при исследовании процесса в целом они получали либо ог­ромные разбросы численных значений результатов, либо данные, прямо противоположные данным своих предыдущих опытов.

Нами разработаны методы, позволяющие во многих случаях в значительной мере выделять факторы, действующие в каждой из указанных выше стадий, регистрируя результаты химических процессов, протекающих на отдельных этапах каждой стадии, в зависимости от строго определенных действующих факторов.

Рассмотрим действующие факторы по каждой из стадий обще­го процесса электрогидравлического эффекта.

За время предразрядной стадии на первый план по своему значению выступают химические процессы, определяемые им­пульсным электролизом. Характерными для этой стадии являются, • во-первых, резко выраженная асимметричность распределения и концентрации ионов различной полярности в объеме жидкости между электродами и особенно вблизи них, определяемая резкой асимметрией электромагнитного поля, во-вторых, преобладание в некоторых точках объема жидкости (определяемых формой полю­сов и их взаимным расположением) ионов одного знака.

Основным результатом импульсного электролиза на этой ста­дии процесса является образование «газовой рубашки», окружаю-

щей канал стримера и создающей электрическую и тепловую изоляцию его. В дальнейшем эта газовая рубашка служит главной основой того парогазового демпфера, который снижает механический КПД электрогидравлического эффекта, оказывая таким образом на разных этапах процесса то положительное, то отрицательное влияние.

Следует указать, что химические процессы на этой стадии оп­ределяют показатель «добротности» данной жидкости как им­пульсного диэлектрика (см. гл. 2), а также время, в течение которого эта жидкость может работать как импульсный диэлект­рик в разного рода импульсных конденсаторах, выпрямителях, кабелях. По нашим представлениям, именно на этой стадии наи­более отчетливо проявляет свое действие и свободный гидрати-рованный электрон.

Основным действующим фактором химического воздействия на предразрядной стадии процесса разряда являются сверхмощные электрические поля, способные растягивать и превращать в диполи все неполярные молекулы, а некоторые из полярных молекул даже разрывать на ионы. При этом импульсный электролиз в от­личие от обычного (захватывающего весь объем жидкости) про­текает очень неравномерно (по объему) и наиболее интенсивно проявляется непосредственно у электродов, на передней поверх­ности которых образуются импульсные мономолекулярные газовые пленки от разрядившихся ионов, и столь же интенсив­но — в объеме жидкости между электродами (в основном на поверхности «выдвижного электрода», чем по сути дела являет­ся в этот период растущий в жидкости стример).

Многие процессы, происходящие при этом, можно наблюдать визуально. Так, при некотором навыке наблюдают яркое розова­то-оранжевое свечение (под влиянием собственных полей разряда) газовых вакуолей, возникающих при стягивании в пузырьки цилиндрических газовых рубашек, которые образуются на исче­зающих ветвях стримеров в результате разряда ионов на этот стример, как на электрод за время его роста в жидкости.

Химические процессы на стадии переднего фронта характе­ризуются резким спадом интенсивности импульсного электроли­за, который по-прежнему протекает в основном на поверхности электродов и в объеме жидкости между ними, развиваясь между ионами, деформированными импульсными полями.

Определяющим условием существования высокого показателя «добротности» данной жидкости как импульсного диэлектрика на этой и предыдущей стадиях процесса будет монотонность нарастания (или спада) крутизны фронта импульсов тока и напряжения, постоянство ускорения этого нарастания.

Химические процессы на стадии заднего фронта по сути дела аналогичны процессам на предыдущей стадии с той разницей, что если электромагнитные силы в первом случае с каким-то уско­рением нарастали (например, магнитное поле) или убывали (элект-

рическое поле), то на данной стадии процесса они с несколько иными ускорениями будут соответственно л-ибо убывать (магнит­ное поле), либо нарастать (электрическое поле). Напряжение при этом переходит через нулевое значение, изменяет знак и нарастает.

Стабильность деформации собственных силовых полей сталки­вающихся ионов, движущихся навстречу друг другу, определяет их способность к^электролизу. Чем монотоннее и ближе к прямой идет нарастание (или убывание) крутизны фронта импульса на­пряжения (и в значительно меньшей степени — импульса тока), тем более стабильной будет эта деформация, «неподвижнее» движущиеся ионы, менее электропроводной данная жидкость и тем лучшим импульсным диэлектриком она будет.

Исследование процессов, протекающих за время существова­ния стадии заднего фронта, показывает, что, хотя сама стадия и не вносит в общий процесс какого-либо существенного «химического» вклада, но большинство процессов, являющихся результатом механических, физических и химических действий электрогидравлического эффекта, тем не менее происходят за время существования данной стадии (например, процессы газово­го разряда).

Химические процессы на стадии последующих полуволн будут аналогичны процессам, происходящим на двух предыдущих стади­ях. Однако длительность и крутизна фронтов каждой полуволны, амплитуды и меняющиеся знаки напряжений и токов этих полу­волн,' быстро убывая, будут этим резко отличаться от соответ­ствующих характеристик предыдущих стадий.

В большинстве случаев, даже на пограничных со средними (жестких) режимах, токи полуволн этой стадии могут проходить уже не только через узкий плазменный шнур, заполняющий канал разряда в плотно обжимающей его жидкости, но и непосредствен­но через парогазоплазменную смесь, заполняющую начавшую свое образование в жидкости и уже отчетливо выраженную полость. Аналогичные соображения относятся и к работе на мягких ре-жимах_; где токи полуволн должны вызывать все явления и следствия, проистекающие при обычном разряде в газах.

Однако, если режим выбран правильно и все определяющие его параметры не искажены, то форма импульса тока в разряде даже на очень мягких режимах будет всегда близка к апериодической и, таким образом, к моменту вступления разряда в стадию после­дующих полуволн энергия разряда за две основные, определяю­щие, стадии (переднего и заднего фронтов) окажется уже израс­ходованной. Поэтому на развитие мощного разряда; в парогазовой полости оставшейся в контуре энергии окажется недостаточно и такого разряда практически не произойдет. Поскольку время существования полости для всех режимов сравнительно велико (в среднем на 2—4 порядка больше времени существования разряда), становится очевидным, что для каждого режима суще-

ствует такая максимальная частота, выше которой работа любой электрогидравлической установки становится практически невоз­можной. За пределами Зтих частот разряды начинают возникать в еще не исчезнувшей до конца полости, не создавая при этом-ни трансформации энергии, ни сверхвысоких давлений, ничего то­го, что мы называем электрогидравлическим эффектом.

Это еще раз говорит о важности работы электрогидравлических установок только на оптимальном режиме, когда при любых пара­метрах импульса количество пара и газа в полости минимально, в силу чего полость захлопывается, практически не совершая пуль­саций.

Естественно, что при работе на схемах, «отсекающих» практи­чески бесполезные стадии импульса, образующаяся полость будет содержать минимум газов и паров. Расширение даже очень круп­ной полости (например, до 0,5 м в диаметре) совершается за тысячные или сотые доли секунды, поэтому быстрое расширение газов и паров (пусть и в очень малом количестве, но заполняющих полость) вызывает резкое (пропорциональное скорости расшире­ния) понижение температуры в ней. Это будет способствовать ускорению конденсации и растворению этих паров и газов. Пре­дельные частоты (на. оптимальных режимах работы) выше на жестких и ниже на мягких режимах, колеблются (в зависимости от энергии разряда) от нескольких тысяч до 10—20 Гц.

Очевидно, что высокий механический КПД не всегда совпадает с высоким химическим КПД, который для каждого типа реакций будет различным. Поэтому в области химической технологии будет естественнее стремиться к увеличению выхода данного химическо­го продукта или повышению его качества, а не к достижению высокого механического КПД. Вполне возможно в этом случае работать либо на кистевом разряде, либо только на колебательной, а не на апериодической форме импульса.

Химические процессы на стадии затухания реакций наиболее сложны. Разнообразные, иногда очень неустойчивые химические соединения, возникшие за все предыдущие стадии общего процес- / са разряда, вступают в этот период в химическое взаимодействие, превращаясь при этом во все более и более стабильные соединения. Стадия характеризуется большой длительностью протекания и может растягиваться иногда до нескольких часов, дней или

даже месяцев.

При электрогидравлической обработке обычной воды химиче­ские соединения, возникающие и существующие в ней к началу данной стадии, могут быть весьма многообразными — это и много­валентные ионы различных примесей и свободные радикалы, ионы N0, МО₂ и МО₃, перекись водорода, атомарные кислород и водо­род, цианиды и даже некоторые простейшие аминокислоты. Естест­венно, что с изменением и усложнением состава жидкости соот­ветственно будут возрастать многообразие и сложность возникаю­щих и образующихся химических веществ. Химические соедине-,

ния, возникающие на первой стадии, а равно и во все последующие стадии общего процесса, в течение последующих стадий будут под­вергаться всем специф.ическим воздействиям, свойственным^хэтим стадиям, и под их влиянием будут изменяться и дальше. Таким образом, конечный продукт будет результатом многих последова­тельных химических превращений.

Химические процессы, протекающие при электрогидравличе­ском воздействии на жидкость (воду), внешне носят, как правило, одновременно и окислительный и восстановительный характер. Однако в зависимости от размещения и конфигурации электро­дов (и соответственно степени однородности электромагнитного поля) может быть достигнуто преобладание в одном месте только окислительных, -а в другом (даже рядом расположенном) — только восстановительных процессов. Это позволяет утверждать, что при электрогидравлическом воздействии на жидкость (в дан­ном случае на воду) может иметь место неравномерное распре­деление в жидкости действующих химически активных факторов, обусловленное неоднородностью электромагнитного поля и спе­цификой его приложения к жидкости. Поэтому каждая отдель­ная стадия общего процесса может характеризоваться преобла­данием в ней окислительных либо восстановительных процессов.

Опытным путем можно (например, для воды) установить, что при работе на так называемой прямой полярности (минималь­ном — положительном и максимальном — отрицательном электро­дах) процесс в объеме между электродами, как правило, будет характеризоваться преобладанием окислительных, а при работе на обратной полярности (минимальном — отрицательном и макси­мальном — положительном электродах) — восстановительных ре­акций. По мере того как в соответствии с протекающей в данный момент стадией разряда напряжение и ток будут менять свои зна­ки, вблизи полюсов будет происходить одновременная смена окислительных реакций на реакции восстановительные, и наоборот.

Используя специальные приемы, можно с достаточной точ­ностью исследовать химические процессы, протекающие как вбли­зи электродов, так и в любой части объема жидкости (например, при помощи полного или частичного заполнения ванны с распо­ложенными в ней электродами каким-либо специальным гелем). Вводя в состав этого геля специально'подобранные индикаторы, легко установить присутствие и даже количество в заданной точке объема ванны любого из интересующих нас ионов. Для удобства объем ванны разделяют продольными или поперечными (порис­тыми) перегородками на любые по величине, легко отделяемые друг от друга объемы, заполненные гелем. Таким образом, химический анализ в данной точке объема ванны может быть осуществлен одновременно и сразу после прохождения через ванну каждого единичного импульса, как сопровождающегося, так и не сопровождающегося искровым разрядом. 40

Последний случай представляет интерес, поскольку, как пока­зал опыт," кисте,вые разряды, осуществляемые в разного рода жидкостях, оказывают на них несколько специфическое химиче­ское воздействие (по интенсивности сравнимое с искровым раз­рядом). Опытные данные позволяют утверждать, что кистевой разряд в жидкости при достаточно энергичном его освоении может в самое ближайшее время стать мощным технологическим инструментом для использовния в химической промышленности.

При изучении явлений импульсной электрохимии может быть
использован прием размещения электродов в отдельных сосудах,
полностью или частично заполненных специально подобранными
гелями, электрически соединенных между собой либо обычными,
либо гелевыми, либо жидкостными проводниками, представляю­
щими собой стеклянные трубки или капилляры, заполненные гелем
или жидкостью. Форму сосудов, расположение в них электродов,
а также точки соединения сосудов обычными или гелевыми
проводниками можно произвольно изменять в зависимости от цели
эксперимента. »

Особый интерес представляет вариант использования этого метода, когда два сосуда с размещенными в них электродами соединяют между собой десятками прямолинейных или изогнутых трубок (или капилляров), заполненных подобранными жидкостя­ми или гелями. При этом в каждом из сосудов с электродами могут быть помещены совершенно различные жидкость или гель. Этот вариант отличается быстротой и удобством исследования различных гелей или жидкостей, заполняющих трубки.

Во всех случаях применения жидких электролитов, заполняю­щих отсеки ванн или соединяющие их трубки, среду можно выполнять и проточной. Такой вариант применения метода позво­лит легко выводить образовавшиеся химические соединения по мере их получения, либо вводить в реакцию необходимые химические реагенты.

Индикаторы, вводимые в гель, в зависимости от их свойств будут реагировать на любой подлежащий изучению ион (напри­мер, изменением цвета, прозрачности геля и т. п.). Присутствие исследуемых ионов в каждом объеме может быть определено и последующим химическим анализом пробы. В качестве такого рода индикаторов могут быть использованы разного рода флю­оресцирующие, фосфоресцирующие или даже опалесцирующие вещества. Регистрация химических изменений в гелевой. ванне может производиться после прохождения через нее как одного, так и нескольких импульсов. Однако особый интерес вызывает возмож­ность регистрации химических изменений после прохождения не всего импульса, а только какой-либо одной его части.

В этих целях обычными методами электроники часть импульса, химическое воздействие которого подлежит изучению, «отсекает­ся» от остальной («мешающей») части и направляется в ванну. Наиболее легко осуществить последовательное «отсечение» только

«передних» или, наоборот, только «задних» хвостовых частей импульса.

Так, отсекая все последующие стадии, можно исследовать хи­мическое воздействие только одной предразрядной стадии или только предразрядной стадии и стадии переднего фронта и т. д. Отсюда кажется логичным, отсекая этим же методом все предыду­щие стадии, изучить химическое воздействие, например, одной стадии затухания реакций или (одновременно с ней) стадии последующих полуволн и т. д. Принципиально не встречает затруднений «отсечение» всех стадий как предшествующих любой изучаемой стадии, так и последующих. Однако следует иметь в виду, что процесс разряда как таковой перестает существовать и исчезает как целое, если будет осуществлено «отсечение» хотя бы одной первой стадии его (если стримеры не прорастут, то между электродами не будет ни искрового, ни кистевого разряда). В этом случае выход состоит в периодическом подключении вместе с возникновением очередной , стадии разряда новых, еще «не работавших» на предыдущих стадиях объемов ванны или тру­бок-капилляров. Выполнить подобную задачу нетрудно. Для этого необходимо, чтобы поочередно отсекались только последующие стадии, т. е. чтобы сначала изучалось химическое воздействие только одной предразрядной стадии, затем совместное химическое воздействие предразрядной стадии и стадии переднего фронта, потом совместное воздействие их обеих и стадии заднего фронта и т. д. Дополнительные химические изменения будут определяться каждой последующей стадией.

Гарантированная полная стабильность всех⁴ характеристик раз­ряда при его многократном повторении позволит (применяя изложенную выше методику) получить исчерпывающую картину химических реакций, протекающих на каждой стадии разряда при всем многообразии возможных параметров разрядного конту­ра, режимов работы, свойств и состава жидкостей, формы, разме­ров, размещения и материалов электрода, экранов и т. д.

Исследования показали, что материал электродов в обычных условиях незначительно влияет на процесс развития и протека­ния разряда, но очень заметно влияет на химические процессы, возникающие при разряде. Так, химические процессы, протекаю­щие с применением одного или обоих угольных электродов, не­сколько отличаются от явлений, протекающих, например, при ис­пользовании медных или алюминиевых электродов. При работе по излагаемой методике следует иметь в виду, что использование гелей определяющим образом сказывается на всем поведении ионов, и прежде всего на уменьшении их скорости.

Так, расположив подлежащий исследованию гель тонким слоем на какой-либо изолирующей поверхности и подсоединив к нему электроды, можно с большой точностью определить скорость движения в нем любого из интересующих нас ионов, при условии если он окрашивает индикатор или каким-либо иным способом

проявляет Свое присутствие в геле. В частности, движение одного из ионов в слое геля, изготовленного растворением желатины в воде, проявляется в том, что по поверхности желатины от одного электрода к другому со скоростью движения иона распространя­ется отчетливо видимая, расположенная концентрично электроду кольцевая «волна» в виде резко выступающего возвышения на тонком слое геля, увеличившегося в объеме под влиянием движущегося в нем иона. Скорость распространения подобной «волны», изменение цвета или прозрачности (по Теплеру) могут быть измерены обычными средствами.

Отметим, что уникальные возможности химического воздейст­вия электрогидравлического, эффекта на обрабатываемые ма­териалы, несомненно, обеспечат его широкое использование в самых различных химических процессах.

Глава 2