Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГИДРОЗОЛЯ

Изобретение относится к коллоидной химии, а более конкретно, к электроэрозионной обработке жидкости серией быстротекущих электрических разрядов между электродами с образованием взвеси наночастиц их материалов, характеризующейся биоцидными свойствами.

Уровень данной области техники характеризует способ приготовления биоцидного гидрозоля, описанный в патенте RU 2381828 С1, В01J 13/00, В23Н 1/00, 2010 г., который включает насыщение технологической жидкости наночастицами металлов, эродирующими из электродов под действием импульсных электрических разрядов, с формированием на их поверхности оболочки покрытия при химическом взаимодействии со структурными элементами дисперсионной среды.

В дисперсионной жидкой среде, имеющей рН в диапазоне 5-9, между электродами из металлов, сплавов или полупроводников зажигают дуговые импульсные разряды длительностью 10^-6-10^-8 с, импульс тока которых имеет форму модулированного по амплитуде колебательного сигнала сверхвысокой частоты, при этом удельная энергия в импульсе составляет не менее 10³Дж/см², и формирует на поверхности кластеров из наночастиц размером 0,3-50 нм оболочку из соединений на основе водорода и/или кислорода, и/или углерода толщиной 0,1-1,0 нм.

Способ обеспечивает возможность технологического управления процессом формирования в дисперсионной среде кластеров заданных размеров при автоматическом нанесении на них разновидных защитных оболочек для получения качественно нового гидрозоля с уникальными потребительскими свойствами.

Использование дисперсионной жидкой среды с рН 5-9 обусловлено созданием условий, при которых защитная оболочка наночастиц формируется из ионов и атомов преимущественно водорода, когда рН меньше 7 (кислая среда), или из гидроксильной группы ОН в щелочной среде, когда рН больше 7.

При использовании дисперсионной жидкой среды, имеющей рН менее 5 и более 9, существенно снижается дисперсионная устойчивость приготовленного гидрозоля.

Выполнение электродов из металлов или полупроводников позволяет расширить комплекс физико-химических, медико-биологических и эксплуатационных свойств приготавливаемого гидрозоля.

Использование дуговых импульсных разрядов на порядок экономичнее электролиза.

Длительность дуговых импульсов разрядов ограничена в диапазоне 10^-6-10^-8 с для обеспечения максимальной скорости генерирования кластеров наночастиц требуемых размеров.

Модулирование единичных импульсов сверхвысокой частоты направлено на обеспечение большой скорости эрозии электродов в форме кластеров регулируемых размеров за счет заданного изменения длительности и амплитуды импульсов дугового разряда.

При частоте импульсных разрядов в диапазоне СВЧ (3-30 ГГц), когда удельная энергия в единичном импульсе составляет не менее 10³ Дж/см², обеспечивается максимальная скорость эрозии электродов с технологическим регулированием размеров кластеров в требуемом диапазоне 0,3-50 нм.

Электроды выполняют из серебра, меди, титана, кремния, сплавов меди с серебром и меди с оловом в зависимости от назначения гидрозоля, например, для приготовления биоцидной среды используют электроды из серебра, меди.

Для формирования покрытия кластеров оболочкой, включающей преимущественно углерод, характеризующейся различной твердостью и пластичностью, в дисперсионную среду вводят углеводороды: кумуленовый или полиеновый углеводороды, циклогексан, спирты, природные или синтетические полимеры.

Недостатком описанного способа приготовления гидрозоля является неудовлетворительная седиментационная усточнивость гидрозоля, нестабильного по свойствам из-за отсутствия автоматического контроля и регулирования заданного микроразмерного межэлектродного промежутка, при котором осуществляется динамическая закалка формируемых и диспергируемых наночастиц, что снижает потребительские характеристики гидрозоля и сужает область его применения.

Отмеченный недостаток устранен в способе приготовления биоцидного гидрозоля по патенту RU 2422377 С2, С02F 1/50, В22F 9/14, 2011 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному способу.

Известный способ приготовления концентрированного биоцидного гидрозоля, применяемого для последующего обеззараживания питьевой воды путем разбавления, выполняют посредством эрозии материала электродов, помещенных в циркулирующей воде, в результате действия высокочастотных дуговых разрядов, при активном контроле межэлектродного промежутка 150-250 мкм, когда наночастицы серебра или меди размером 5-50 нм образуют ассоциаты с водой.

Формируемые наночастицы нагревают в среде дугового разряда, а затем динамически закаляют окунанием в воду.

Динамический контроль межэлектродного промежутка осуществляют при помощи электропривода, содержащего микрометрический винт, связанный с датчиком контроля его размера.

Биоцидный концентрат получают в форме стабильного гидрозоля в дистиллированной воде концентрацией до 100 мг/л путем многократной обработки циркулирующей воды, в результате чего получают водную дисперсию с заданной концентрацией кластеров наночастиц и ионов, соотношение которых выполняется по законам растворимости.

Технический результат реализации известного способа заключается в улучшении служебных характеристик приготавливаемого гидрозоля, а также расширении технологических возможностей по его применению.

Дисциллированная вода в качестве дисперсионной среды для взвешенных кластеров наночастиц исключает наличие примесей как центров агломерации, что обеспечивает стабильность приготовленной дисперсии с максимальным технически достигнутым пределом концентрации до 100 мг/л, как минимум вдвое превышающий известный уровень.

Оптимизированный межэлектродный промежуток 150-250 мкм гарантированно обеспечивает формирование наночастиц в газо-паровой среде неизбежно образующегося пузыря между электродами, где материал наночастиц нагревается до температуры плавления. Последующее гравитационное падение наночастиц в воду обеспечивает их сквозную закалку, которая фиксирует высокоэнергетическое состояние нагретых наночастиц, повышая их потенциальную активность для образования ассоциатов, стабилизирующих приготовленный гидрозоль.

При межэлектродном промежутке менее 150 мкм возникают технические проблемы стабильного зажигания импульсных дуговых разрядов, а более 250 мкм - не обеспечивается режим закалки наночастиц.

Кластеры из закаленных наночастиц металла характеризуется более высокой удельной поверхностной энергией, в результате чего повышается седиментационная устойчивость концентрата за счет формирования ассоциатов - присоединения к кластеру структурных элементов воды, образующих оболочку с развитой поверхностью.

Продолжением отмеченных достоинств известного способа являются присущие недостатки из-за того, что дуговой электрический разряд в межэлектродном промежутке размером 150-250 мкм происходит неуправляемо при лавинообразном развитии высокотемпературных процессов, когда отвод выделяемого тепла в ограниченном объеме парового пузыря не дозирован, что небезопасно в промышленном серийном производстве.

Это усугубляется тем, что сокращение времени существования разряда электрического напряжения на электродах технически ограничено электросхемой средства питания.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является автоматизация управляемости процесса локализации тепловой энергии в минимизированном паро-газовом объеме межэлектродного промежутка за время многократной дискредитации импульса ввода электрической энергии на разрядные электроды, с целью повышения технологической безопасности высокотемпературных процессов.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе локализации энергии в микрообъеме, содержащем подвод электрического напряжения к соосным электродам, помещенным в диэлектрической жидкости, в виде высокочастотных импульсов с крутыми передним и задним фронтами, каждый из которых обеспечивает протекание процесса с обострением, формируя в автоматически регулируемом межэлектродном промежутке паровой пузырь, где затем зажигают импульсный электрический разряд, сопровождаемый эрозией электродов в форме наночастиц и ионов, согласно изобретению, к электродам, межэлектродный промежуток которых выдерживают в диапазоне 20-100 мкм, подводят посредством разрядного конденсатора электрическое напряжение 4-10 кВ для тонкого структурирования импульсного электрического разряда цугом импульсов, в количестве не менее трех, длительностью 1 нс-1 мкс, при этом в паровом пузыре образуют плазму, локализуя на время разряда температуру 10⁶-10⁸ К.

Отличительные признаки предложенного технического решения характеризуют заявленный процесс в режиме с обострением, включающий, как минимум, два фазовых перехода: парообразование жидкости в межэлектродном промежутке и формирование в этом микрообъеме плазмы, для локализации высокой температуры на краткие промежутки времени электрических разрядов, чем обеспечивается безопасное проведение высокотемпературных процессов, включая управляемую термоядерную реакцию.

При этом под термином «режим с обострением» понимается динамический закон, при котором одна или несколько моделируемых величин подвергаются фазовому преобразованию, формируется переход в результате действия механизма нелинейной положительной обратной связи (см., например, Курдюмов С.П. Режимы с обострением. М., Физматлит, 2006).

Величина контролируемого межэлектродного промежутка в диапазоне 20-100 мкм обеспечивает управляемость процесса образования плазмы, включая создание скачка рабочего давления в пузыре пара и дозированный отвод из его объема выделяемой тепловой энергии.

При подводе от питающего трансформатора электрического напряжения 4-10 кВ к соосным электродам, расположенным в диэлектрической жидкости, происходит формирование с помощью разрядного конденсатора, формирующего колебательный контур, задающих тонко структурированных импульсов оптимизированной длительности 1 нс-1 мкс, что необходимо для того, чтобы исключить лавинообразное развитие высокотемпературных процессов, обеспечивая тем самым технологическую безопасность процесса.

Предложенные параметры и режимы импульсного разряда в межэлектродном промежутке с диэлектрической жидкостью позволили локализовать в паровом пузыре диаметром 20-100 мкм температуру 10⁶-10⁸ К на время 1 нс-1 мкс, что принципиально обеспечивает выполнение критериев Лоусона, характеризующих возможность протекания при этом управляемых термоядерных процессов.

При размере межэлектродного промежутка меньше 20 мкм процесс характеризуется нестабильностью из-за несанкционированного пробоя при электрическом напряжении менее 4 кВ, что не позволяет вложить в разряд необходимую мощность для достижения требуемых температур в формируемом пузыре пара.

При размере межэлектродного промежутка больше 100 мкм для зажигания разряда необходимо прикладывать напряжение более 10 кВ, что приводит к нестабильности процесса и требует более сложного источника питания.

При электрическом напряжении меньше 4 кВ параметры разряда не обеспечивают подведение необходимой мощности в разряд и соответственно не достигаются в паровом пузыре требуемые температуры.

При электрическом напряжении больше 10 кВ происходит выделение избыточной энергии, которая приводит к нестабильности импульсного разряда.

Цуг структурирующих импульсов (тонкая структура электрического разряда) возникает в результате того, что исходно выделяемая в межэлектродный разрядный промежуток мощность не успевает диссипировать за время формирование единичного парового пузыря, время существования которого зависит от скорости роста в нем температуры и давления, соответствующих образованию плазмы, второго фазового перехода процесса с обострением.

Процесс возникновения пузыря, сопровождающийся ростом внутри температуры и давления, с последующим его схлопыванием протекает по законам самоорганизации и за время его существования, причем выделяемая в разрядный промежуток энергия не может быть диссипирована. В этом случае возникает второй, третий и т.д. пузыри, которые формируют тонкую структуру разряда, обеспечив переход вводимой электрической энергии в тепло.

Ограничение длительности импульсных разрядов в диапазоне 1 нс-1 мкс позволят снизить тепловые потери в пузыре за счет инерционности процессов теплопередачи. В этом случае максимальное количество энергии остается в пузыре и идет на увеличение в нем температуры.

Использование источника импульсного питания на воздушных импульсных тиристорах обеспечивает стабильное напряжение в замкнутом объеме межэлектродного промежутка, обеспечивая стабильность возникновения пузыря с очень высокой температурой 10⁶-10⁸ К в течение краткого промежутка времени 10^-8-10^-7 сек., где образуется плазма и может протекать процесс управляемой термоядерной реакции.

Энергия электрических разрядов формируется в колебательном контуре (емкость питающего трансформатора и разрядный конденсатор), чем обеспечивается стабильное превышение порога энергетического насыщения объема паровых пузырей, где происходит фазовый переход - образование плазмы.

Предложенный режим с обострением характеризуется большой плотностью энергии, когда электрическое напряжение 4-10 кВ импульсно подводят к помещенным в жидкость электродам, в результате чего в межэлектродном промежутке происходит парообразование. При этом в газовом пузыре размером 20-100 мкм образуется импульсный разряд, сопровождаемый эрозией наночастиц материала электродов, и формируется плазма за время 1 нс-1 мкс с температурой 10⁶-10⁸ К. Удельная энергия описанной системы составляет 1-10 Мдж/см³, что эквивалентно 10 Вт/с.

Паровой пузырь выполняет функции реактора, ограниченного временем существования электрического импульса разряда в течение 10^-8-10^-7 сек. Отсутствие электрического импульса приводит систему в стационарное безопасное состояние.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для решения поставленной технической задачи не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы существенных признаков изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображена установка для осуществления предложенного способа, которая имеет чисто иллюстративное назначение и не ограничивает объема притязаний совокупности признаков формулы.

Установка содержит разрядную камеру 1, заполненную проточной диэлектрической жидкостью - дистиллированной водой, где установлены вращающиеся вокруг своей оси аксиальные электроды 2 и 3, которые замкнуты соответственно через высоковольтный разрядник 4 (воздушный тиристор) и через технологический датчик 5 на разрядный конденсатор 6, подключенный через балластный резистор 7 к питающему трансформатору 8, который обеспечивает подвод к электродам 2 и 3 напряжения 4-10 кВ.

Технологический датчик 5 - «пояс Роговского», измеряющий импульсный ток, обеспечивая управляемость процессом, подключен к контролирующему осциллографу 8 марки Agilent 54621 А, который связан с приводом регулирования межэлектродного промежутка (условно не показан).

Источник питания (трансформатор 8) обеспечивает следующие технические характеристики установки:

- выходное напряжение 1-10 кВ;

- скорость зарядки конденсатора 6 в диапазоне 1-10 мкс;

- энергию импульса разряда 1-10 Дж;

- амплитуду импульсов тока 0,5-5кА;

- частоту следования импульсов 1-100 Герц.

В разрядную камеру 1 в виде резервуара из изолирующего материала, в котором циркулирует дистиллированная вода, помещены вращающиеся металлические электроды 2 и 3.

В качестве балластного резистора7 (R ≈ 40 кОм) применен резистор типа КЭВ 50.

Номинал высоковольтного конденсатора 6 типа КВИ 3 составляет С=1000 пФ.

Величина измерительного резистора 5 типа ТВО составляет R=0.08 Ом ± 5%, который состыкован из 12-ти безиндуктивных резисторов типа ТВО 2 (R ≈ 1 Ом), спаянных параллельно.

При подаче переменного напряжения U=4-10 кВ с частотой 50 Гц от трансформатора типа F.A.R.T. 10000 V 45 mА срабатывает разрядник 4 и на электродную систему 2-3 разрядной камеры 1 подается напряжение с наносекундным временем нарастания.

Ток разряда и напряжение при пробое разрядника 4 регистрируются осциллографом 9 типа TDS2014C и стандартный делитель напряжения типа Р6015А. Полоса пропускания осциллографа 9 составляет 100 МГц. Частота срабатываний определяется величиной балластного резистора 7 и составляет f ≈ 1/3RC.

В результате этого в межэлектродном промежутке 2-3 формируется газовый пузырь, в котором развивается импульсный разряд, обеспечивая нарастание температуры до 10⁸ К, сопровождающийся диспергированием наночастиц металла электродов 2 и 3, после чего он схлопывается. Затем возникает новый пузырь и процесс повторяется до полной диссипации энергии в первичном импульсе.

Диссипация энергии происходит в первичном импульсе электрической энергии, поступающем на электроды 2, 3 от питающего трансформатора 8 через разрядный конденсатор 1, при пробое разрядника 4. Межэлектродный промежуток 2-3 размера 20-100 мкм обеспечивает время разряда 10⁶-10⁷ с.

Затем в разрядном промежутке 2-3 первичный импульс многократно делится, в частности, на 25 последовательных импульсов, структурирующих электрический разряд, при этом время каждого импульса составляет наносекунды, что обеспечивает резкий рост тока в разряде до 10¹¹-10¹² А/с.

Электрический разряд происходит в паро-газовом пузыре межэлектродного промежутка 2-3 за время его существования - в течение наносекунд, при этом в локализованном микрообъеме возникает высокая температура - до 10⁸ К и давление более 10 атм, что технологически безопасно и пригодно для осуществления термоядерной реакции.

Экспериментальная проверка предложенного способа подтвердила достижимость практической аппаратурной реализации способа локализации энергии в микрообъеме межэлектродного промежутка при тонком структурировании высокочастотных импульсов электрического разряда, в автоматическом режиме безопасно.

Сравнение предложенного технического решения с ближайшими аналогами уровня техники не выявило идентичного совпадения совокупности существенных признаков изобретения.

Предложенные отличия способа, которые прямо не следуют из постановки технической задачи, не являются очевидными для специалиста по электроэрозионной технологии приготовления гидрозоля

Реализацию совокупности технологических операций предложенного способа возможно осуществлять на действующем электроэрозионном производстве гидрозолей.

Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности.