Влияние объёмной электроразрядной обработки на газовые среды

Из различных видов наноматериалов в данной работе предполагается получение наноуглеродных материалов. Для получения наноуглерода необходимо создать условия по расщеплению вещества на атомарный углерод, а затем для роста углеродных циклов, полициклов и затем формирование самих молекул и кластеров наноуглерода. Из ранее проведенных исследований [22] известно, что тип синтезированного наноуглерода определяется конфигурацией углеродных связей в исходном веществе. Так в случае а-сязей (ер2 - гибридные орбитали) из исходного вещества образуются в основном фуллерены и нанотрубы, в случае тг-сязей (эр - гибридные орбитали) синтезируется наноалмаз. Исходя из этого в качестве газообразных рабочих сред предполагается выбрать среды с минимальной энергией связей углерода для перевода его в атомарное состояние и вещества на основе эр - и эр - гибридизации. Из газообразных углеводородов к таким можно отнести, например, гомологические ряды метана (алканы с ер3 - гибридизацией), этилена (алкены с ер2 - гибридизацией) и ацетилена (алкины с зр - гибридизацией).

Теоретические оценки электроразрядного действия на углеводородные газообразные среды проведем по условию необходимой энергии, выделяемой в плазме разряда для расщепления вещества на атомарный углерод. Рост углерод­

ных кластеров происходит так же в условиях поглощения энергии, но так как для

этого требуются специфичные условия по давлению и температуре, предполагается что в плазме разряда и в окружающей плазму среде (на стадии охлаждения) они уже существуют. В таблицах 1.1 и 1.2 приведены плотности энергии, необходимые для расщепления различного вида углеродных связей и оценки плот ностей энергии для расщепления всех связей в конкретных атомах гомологических рядов углеводородов.

Вид связи	Длина, нм	Плотность енергии, кДж/моль
С-Н	0,109
С-С	0,154
С=С	1,133
С≡С	0,120

Таблица 1.1 Энергия углеродных связей

Поскольку процесс нарушения электрической прочности происходит за время от 10^-7 до 10^-8 с поток носителей заряда (в нашем случае стримерный канал)

рассматривается в адиабатическом приближении.

Название газа	Формула	Кол- связей	Энергия связей,кДж/моль	Плотность энергии кДж/моль
Метан	СН4	4С-Н		170,98
Этан	С2Н5	1С-С;6С-Н		292,31
Пропан	С3Н8	2С-С;8С-Н		413,65
Бутан	С4Н10	3С-С;10С-Н		529,79
Пентан	С5Н12	4С-С;12С-Н		694,94
Этилен	С2Н4	1С=С;4С-Н		232,56
Ацетилен	С2Н2	1С≡С;2С-Н		169,12

Таблица 1.2 Энергия расщепления атомарных связей газов из гомологическихрядо метана и ацетилена

А_с=ξ⁰

Характеристика А_с есть индивидуальным признаком вещества, ее значение

рассчитывается с учетом физических свойств и особенностей молекулярного

строения диэлектрика (газа). Расчет работы плазмообразования А_с необходимо

начинать с составления схемы диссоциации и ионизации диэлектрика, учитывая

особенности строения вещества. Это можно делать на основании такой физиче­

ской картины. Допустим, что через элементарный объем У0 движутся носители

заряда, которые ускоряются полем и имеют энергию W_e. В какой то момент вре­

мени эта энергия будет достаточной, чтобы нарушить слабые связи. Вещество ди­

электрика переходит в состояние густого нейтрального газа, однако энергии но­

сителей заряда недостаточно для ионизации дислоцированных атомов. Повышение напряжённости поля повышает вероятность ионизации. В первую очередь

будут ионизироваться те атомы, которые характеризируются самыми маленькими

значениями энергии ионизации. Если имела место ионизация хотя бы части дис-

социированых атомов, то можно считать переход вещества диэлектрика в следу­

ющее состояние завершенным. Сумма энергетических потерь характеризируется

значением энергии каналообразования W_c. нием энергии каналообразования Жс.

Поскольку распределение носителей заряда в сильном поле подчиняется

статистике Больцмана, то в диэлектрике одновременно существуют носители с

разными значениями W_c что приводит к значительно более сложному объедине­

нию элементарных актов диссоциации и ионизации, которые протекают одновре­

менно.

Плазмообразования состоит из энергии каналообразования W_c и потенциальной энергии сил отталкивания В_c

1.1

Где W_c/В_с=0,08

μ-молярная масса, кг/моль;

y- плотность диэлектрика, кг/м3;

Тогда работу плазмообразования и энергию каналообразования можно рассчитать как

1.2

где D_i- энергия диссоциации связи, Дж/моль;

n - число связей;

m - число атомов в мономерной цепи;

I- энергия ионизации диссоциированных атомов, Дж/моль.

Рассчитаем энергию диссоциации углеродных связей D_i рассчитаем поданным приведенным в таблицах 1.3 и 1.4.

Вид связи	Энергия дис­ социации, ккал/моль	Энергия дис­ социации, кДж/моль
С-С	80.5	337.3
СН-Н		536.3
С-Н		339.4

Таблица 1.3 Значение энергии диссоции

Молекула		Энергия диссоцыации,кДж/моль
	СН4	СН3	СН2
Метан		418.5	-
Этан	-	418,1	-
Пропан	410,2	411,8	394,9
Бутан	406,1	411,6	394,9
Пентан			395,4

Таблица 1.4 Значение энергии диссоциации

Такой подход дает максимально возможное значение энергии, т.к не учиты­

вает изменение необходимой энергии после отщепления одного атома и последующих. С другой стороны, известно, что деструкция органических веществ, а также состав образующихся продуктов, в жестких внешних условиях (высокая температура, световое излучение, виброакустическое воздействие и др.) зависит от соотношения двух факторов термодинамического и кинетического.

Дата добавления: 2015-10-02