ГЛАВА 2
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАЗЛОЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ФЕНОЛА В АТМОСФЕРУ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
Как указано в главе 1, электрофизический способ обезвреживания токсичных компонентов требует дальнейшего изучения. Для решения задач очистки отходящих газов от фенола реализуемый газовый разряд должен обеспечивать образование как можно большего количества химически активных частиц, получаемых из молекул газа. Основываясь на параметрах стримерного разряда, можно ожидать его высокую эффективность для нейтрализации токсичных компонентов.
Однако, для промышленного использования газоочистных аппаратов, основанных на электрофизическом методе обезвреживания, необходимо провести, в частности, математическое обоснование выбора газового разряда. Исходя из его результатов, необходимо провести экспериментальные исследования по разложению кислородсодержащих производных углеводородов, содержащихся в газовых выбросах в атмосферу, электрофизическим методом.
2.1. Методика определения эффективности различного вида газовых разрядов для обезвреживания фенола в отходящих газах
Наиболее полное и детальное описание различных эффектов взаимодействия ионизированного газа с электрическим полем, инициирующим газовый разряд, можно дать лишь при помощи функции распределения электронов [50]. Функция распределения электронов по скоростям определяется как [40]
f ( t, r, v ) dr dv , (2.1)
где dr = dx dy dz - изменение элементарного объема;
dv = dvx dvy dvz - изменение элемента объема в пространстве скоростей;
t - время.
Формула (2.1) определяет число электронов, находящихся в момент времени t в элементарном объеме dr и обладающих компонентами скоростей от vx, vy, vz до vx + dvx, vy + dvy, vz + dvz. Определив функцию распределения электронов, можно вычислить любую величину, относящуюся к электронному газу, в частности, потерю энергии соударяющейся частицы, сечение соударения, дифференциальное по потере энергии сечение ионизации.
Однако, практическое определение этих величин достаточно сложно. Поэтому для расчета изменения энергии при соударении частиц целесообразно проводить расчеты в соответствии с элементарной теорией ионизованного газа, находящегося в поле электромагнитной волны.
Как указано в [40], нижеописанные процессы обмена энергией адекватно рассчитываются как в соответствии с квантовой теорией ионизованного газа, так и в соответствии с классической теорией ионизованного газа.
При прохождении очищаемого газа через поле высокой напряженности в нем могут возникать различные виды газовых разрядов. Для всех этих разрядов характерны некоторые общие закономерности. На части из них следует остановиться, чтобы рассмотреть процессы, имеющие место с молекулами газа в разряде, т.е. процессы, которые определяют, в том числе, и разложение токсичных компонентов.
Электрическое поле передает свободным электронам, генерируемым в очищаемом газе за счет электроразрядов, энергию, равную работе поля, затрачиваемой на их ускорение, и ориентирует их движение по вектору напряженности данного поля [50]. При движении электроны подвергаются упругим столкновениям с молекулами газа, при которых электронное строение молекул не изменяется, если их энергия не превышает в момент столкновения порога возбуждения данного газа. Электроны, обладающие достаточной энергией, могут подвергаться неупругим столкновениям, при которых они передают часть своей энергии молекулам газа, ионизируя их, переводя их в возбужденное и сверхвозбужденное состояние. Возбужденное состояние характеризуется наличием валентных электронов на нестационарных орбиталях, что повышает химическую активность молекул.
Если энергия электрона после неупругого столкновения не превышает порога возбуждения ?I молекул обрабатываемого газа, то в дальнейшем, при последующих соударениях с молекулами, происходят упругие столкновения, пока энергия электрона за счет действия поля не достигнет величины ?I [51].
Различные виды газовых разрядов и методы их реализации различаются, в частности, значением энергии, передаваемой электрону электрическим полем. Это определяет и время набора свободным электроном энергии, достаточной для неупругих соударений с молекулами очищаемого газа. В результате таких столкновений молекулы переходят в нестабильное, высоко реакционно-способное состояние, что позволяет химическим путем нейтрализовать вредные компоненты, содержащиеся в газовых выбросах.
Важной величиной, определяющей возможность соударения быстрого электрона с молекулой газа, а, следовательно, ее дестабилизации является сечение соударения. Сечение соударения носит вероятностный характер и характеризует скорости различных процессов соударений, а также их соотношение [52].
Таким образом, сечение имеет размерность площади, но определяет вероятность столкновения и задается следующим выражением [52]:
? = ? / ( nv ), (2.2)
где ? - число частиц, претерпевающих в единицу времени столкновения с одним неподвижным рассеивающим центром;
n - концентрация быстрых частиц;
v - скорость быстрых частиц до соударения.
Тормозящие электронный пучок атомы состоят из имеющих заряд ядер и электронов. Поэтому основным видом взаимодействия является электростатическое притяжение или отталкивание между атомными составляющими и электронами пучка [53].
Рассмотрим кулоновское столкновение, когда теряемая быстрым электроном энергия мала по сравнению с его начальной энергией. Тогда при соударении траектория электрона практически не искривляется. Предположим, что вторая частица (мишень) находится в состоянии покоя. Тогда из соображений симметрии можно сделать вывод, что приобретаемый ею в результате столкновения импульс направлен перпендикулярно траектории налетающего электрона.
По второму закону Ньютона изменение импульса первой частицы dp определится [54]
dp / dt = k q1 q2 / r2 , (2.3)
где k - коэффициент пропорциональности;
q1 - заряд первой частицы;
q2 - заряд второй частицы;
r - расстоян