Движение растворов электролитов в магнитном поле. Учебный прибор для демонстрации движения ионов электролита в магнитном поле. Модель процесса разложения воды в центробежном поле

УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ ЭЛЕКТРОЛИТА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ, соаёржашиб источмж питания, прозрачную емкость с электролите, магнит и связанные с истс«яиком питания электрощл, о т л н ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения наглядности, «лкость имеет прямоугольное сечение и подключенную к одному из полюсов источника питания и расположенную в ней перегород. ку из электропроводного матертала, раэаелякяную емкость на два сообшаюшюсся сосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости параллельно перегородке и подключены к второму полюсу истсзчннка. &)

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

РЕСПУБЛИН

„.Я0„„1 027754

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛ4М ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К. ABTOPCHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

{2 1) 340О847/28-12

{22) 22.02..82 (4б) 07.07.83. Бюл. No 25 (72) Д. С. Кройтор

{ 71) Кишиневский государственный медицинский институт (53) б58,686.06 (068.8) (56) 1. Марголис А. А., Парфентьева Н. Е., Иванова А. А. Практикум ла физическому эксперименту. М., Просвещение," 1&77, с. 212, рис. 22-10. (54)(57) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕ

МОНСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ ЭЛЕ,КТРОЛИТА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ, с с

Держаший источник литания, прозрачную емкость с электролитом, магнит и -связанные с источником питания электроды, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с пелью повьпцения наглядности, емкость имеет прямоугольное сечение и подключенную к одному из полюсов источника питания и расположенную в ней перегородку из электропроводного материала, раз-деляющую емкость на. два сообшающнхся сосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости параллельно перегородке и подключены к второму полюсу источника.

Изобретение относится к демонстрационным приборам и наглядным пособиям для применения в учебном. процессе, в; частности к приборам по физике.

Известен прибор для демонстрации движения ионов электролита в магнитном поле. Прибор выполнен следующим абра; зом. На кольцевые керамические магниты поставлен плоский стеклянный сосуд, например кристаллизатор, внутрь которого 10 вставлены два электрода (кольцевой и центральный прямолинейный). В сосуд налит pacmop медного купороса тек, . чтобы уровень жидкости был ниже края сосуда на несколько миллиметров. На!5 поверхности жидкости плавает ликоподий или пробковая пыль. При процускании через электролит тока ионы при своем движении отклоняются магнитным полем и жидкость между электродамн приходит 0 во вращение, увлекая за собой плавающие материалы 1 .

Недостатком этого прибора является малая наглядность демонстрации при проведении опыта в большой аудитории.Цель изобретения вЂ” повышение наглядности демонстрации движения ионов электролита в магнитном поле.

Указанная цель достигается тем, что

; s приборе для демонстрации движения 30 иойов электролита в магнитном поле, содержащем источник питания, прозрачную емкость с электролитом, магнит и связанные с источником питания электроды, емкость имеет прямоугольное сечение и подключенную к одному из полюсов ис точника питания и расположенную в ней 1 перегородку из электропроводного материа ла, разделяющую емкость íà два сообщающихся сосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости паралхиль но перегородке и подключены к второму полюсу источника.

На фиг. l. изображен прибор, общий вид„на фиг. 2 - то же, поперечный раз 45 резу

Прибор содержит емкость 1 прямоугольного сечения из органического стек= ла. Перегородка 2 из электропроводного материала делит ее на две части, но йе доходит до дна, образуя тем самым два сообщающихся сосуда 3 и 4. К боковым стенкам емкости 1 с внутренней стороны параллельно перегородке укреплены два электрода 5 и 6. Емкость 1 фиксируют между полюсами электромагнита. Один полюс постоянного источника тока подключают к перегородке 2, а другой вЂ” к боковым электродам 5 и 6. ,Пля проведения опыта в емкость 1 наливают раствор медного купороса так, чтобы уровень жидкости был на 5-7 см ниже края сосуда. Затем включают электр

poMBI íèò и наблюдают, что жидкость в сосудах 3 и 4 остается на том же уровне.

При подключении источника постоянного така (соблюдая полярность, указанную на фиг. 1), плавно увеличивая вели яну тока, получают плавное изменение уровня жид кости в сосудах 3 и 4. Сила, действующая на ионный йоток в левом сосуде 3, направлена вниз, а в правом сосуде 4вверх. В результат ге этого эффект дейсз вия магнитного ноля удваивается и уровещ жидкости при достижении величины тока в 5 А в левом сосуде 3 окажется ниже уровня, чем s правом на 4-5 см, При плавном понижении величины тока жидкость в сосудах 3 и 4 возвращается

K прежнему, одинаковому уровню., Затем повторяют опыт при перемене полярности и уровень жидкости в правом сосуде 4 становится ниже, чем в левом 3.

Изобретение позволяет повысить нагпядиость демонстрации и, тем самым, повысить качество усвоения учебного материала и эффективность использования пособия в учебном процессе.

pax (МГД). Принципиальная идея такова. В рабочей камере (рис. 2) благодаря продуктам сгорания топлива поддерживается температура в несколько тысяч градусов. А при такой температуре газ, естественно, сильно ионизируется. Чтобы увеличить ионизацию электропроводящего газа, в него добавляют присадки, содержащие цезий, кальции, калий. Полученная плазма с высокой скоростью продувается через канал переменного сечения, помещенного в~ сильном магнитном поле. Как известно, на электроны и ионы плазменного потока - электрические заряженные частицы - действуют силы, которые отклоняют их либо к верхнему, либо к нижнему электродам. Появляется электрический ток.

В нашей стране уже созданы полупромышленные МГД-уста-новки, получен электрический ток.

Сегодня мы предлагаем собрать и испытать модель МГД-генератора. Поток ионизированного газа мы заменили потоком электролита. Смысл от этой замены не меняется. Модель жидкостного МГД-генератора ничуть не хуже продемонстрирует вам не только существование свободных ионов в электролитах и отсутствие их в других растворах, но и покажет наличие действующей на ионы в магнитном поле отклоняющей силы, что непременно имеет место в магнитогид-родинамическом генераторе.

Прибор представляет собой плексигласовый прямоугольный брусок 1 (рис. 3) с размерами 120 X 26 X 18 мм, внутри которого по всей длине просверлен цилиндрический канал диаметром 12 мм. Вдоль канала проложены две медные или латунные полоски сегментного сечения (обкладки конденсатора, электроды) 2, соединенные с клеммами 3. По краям прибора вставлены алюминиевые ниппели 4 для при

соединения резиновых трубок. К лицевой и обратным граням бруска приклеены плексигласовые цилиндрики 5, на которые надеты керамические кольцевые магниты 6 диаметром 20 мм из набора, выпускаемого промышленностью для школ. Прибор снабжен опорным стержнем 7 для установки его в треноге штатива.

На каждый ион текущего электролита (раствор бромида калия, хлорида натрия) действует отклоняющая сила, или, как ее называют, сила Лоренца.

Вследствие разделения ионов возникает электрическое поле, кулоновы силы которого уравновешивают силу Лоренца:

Е = ^f = VB, U = dVB.

Здесь U - разность потенциалов между электродами,

V - скорость ионов (потока),

В - индукция магнитного поля,

d - расстояние между электродами.

Поскольку электрическое сопротивление раствора очень мало, сила тока достаточна для измерения ее гальванометром от школьного демонстрационного вольтметра.

Меняя число магнитов, скорость течения электролита, концентрацию его и сам электролит, можно поставить серию забавных опытов по исследованию зависимости э.д.с. МГД-генератора от индукции магнитного поля, скорости потока, концентрации ионов, их заряда и массы.

ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2013, том 49, № 4, с. 348-354

УДК 544.431.134:544.032.53

ИОННЫЙ ПЕРЕНОС В ПОТОКЕ ЭЛЕКТРОЛИТА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), Россия Поступила в редакцию 11.07.2011 г.

Решены задачи о распределении концентраций ионов, электрического поля и силы Лоренца в потоке раствора электролита при воздействии стороннего магнитного поля. Установлено существование диффузного ионного слоя в омагничиваемом потоке разбавленного электролита и исследованы его характеристики.

Ключевые слова: поток электролита, магнитное поле, ионный перенос, двойной электрический слой БО1: 10.7868/80424857012120109

ВВЕДЕНИЕ

При движении раствора электролита в магнитном поле возникает явление направленного перемещения ионов внутри раствора, вызываемое силами Лоренца . Данное явление нашло широкое практическое применение, однако его теоретическое изучение еще не завершено . В работах моделирование процессов переноса в проводящих растворах осуществляется на основе МГД-приближения (учитывается влияние магнитного поля только на среднемассовую скорость движения частиц жидкости). В рассмотрена упрощенная модель, хотя в этой работе и отмечается, что влияние стороннего магнитного поля на процессы переноса массы может быть значительным. В статьях дополнительно учитываются диффузия ионов из-за градиентов концентрации, ионное скольжение (различие массовых скоростей ионов), конвекция.

В содержится пространный обзор моделей для расчета процессов переноса в проводящих жидкостях с учетом электрического, магнитного и температурного полей. В основу расчета положена система МГД-уравнений, дополнительно учитывается диффузия ионов, отмечено, что значительную роль могут играть двойные ионные слои на границе канала, но модели и методы расчета процессов с учетом этих слоев не рассматриваются.

Следует также отметить, что в работах , как правило, накладывается требование электро-

нейтральности в каждой точке объема раствора. Подобное допущение не приемлемо во всех случаях, так как не позволяет моделировать двойной ионный слой, который создается в результате дисбаланса плотностей зарядов разного знака.

В предлагаемой статье на основе приближенного аналитического метода осуществляется расчет самосогласованного электрического поля (т.е. с учетом взаимовлияния распределений плотности объемного заряда и электрического поля) для пространственного изотермического случая на основе уравнений диффузии ионов в поле сил Лоренца с учетом распределения магнитной индукции, формы сечения канала, профиля скоростей в потоке раствора. Применяемый метод линеаризации имеет ряд отличий от применяемых в методов. По причине высокой точности и значительному упрощению системы уравнений рассматриваемый в статье метод является высокоэффективным и применим для анализа весьма широкого круга явлений переноса ионов в электрическом и магнитном полях с учетом диффузии и двойного ионного слоя.

В результате исследования автором установлено, что массо- и электроперенос в растворах при воздействии магнитного поля может сопровождаться образованием микроскопического ионного слоя на границе раствора электролита (со стенками канала или емкости). Структура данного ионного слоя во многом подобна структуре двойного электрического слоя, однако существенно менее изучена. Об этом свидетельствует тот факт, что в известных моделях и описаниях систем магнитной обработки водных растворов явление об-

разования ионного слоя на межфазных границах игнорируется. Диффузный ионный слой в исследуемой системе отличается от классического двойного электрического слоя тем, что объемные и поверхностные эффекты могут вносить вклад одного порядка. В рассматриваемой модели предполагается, что стенки канала состоят из диэлектрика, химически инертного по отношению к раствору, турбулентности в потоке жидкости отсутствуют, раствор является разбавленным.

ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ МОДЕЛИ

Скорость дрейфа ионов к-го сорта может быть записана в виде

Vк = V0 + ък [^гаё(къТ 1пСк) + fk], к = 1,...,N, (1)

где у0 - среднемассовая скорость потока раствора, Ьк - подвижность ионов, ск - их концентрация, fк ~ дк (Е + V0 х В) - сила Лоренца, действующая на ионы к-го сорта, qk - их заряд (предполага-

ется, что

< 1), Е - вектор напряженности

^ + ^У (Ск "V о)

АСк - ^ё1у[Ск (Е + Vо х В)],

твора равен : Б ~ е

В предположении стационарности электрическое поле в объеме движущегося раствора в неподвижной системе отсчета является потенциальным: Е = -gгadф, где скалярный электрический потенциал ф удовлетворяет уравнению Пуассона:

N С \ Дф = Ш + 11 -11ё1у (V0 X В).

Вне объема раствора электрическое поле также является стационарным, потенциальным и конечным, а скалярный электрический потенциал фе является решением уравнения Лапласа:

электрического поля, В - вектор магнитной индукции; N - общее число сортов ионов или других заряженных (например, коллоидных) частиц в растворе, кБ - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура раствора.

Подставляя (1) в уравнения неразрывности: дск\д1 + ёгу (скVк) = 0, к = 1, ..., N, с учетом соотношения Эйнштейна получаем уравнения переноса ионов :

При известном поле скоростей в потоке система (1)-(4) замыкается соответствующими краевыми условиями на границе объема раствора и начальными условиями. В методических целях, чтобы не усложнять модель второстепенными техническими деталями, будем предполагать, что стенки канала и внешняя среда являются диэлектриками с одинаковыми проницаемостями ег = 1. Для потока водного раствора адекватным является краевое условие прилипания, выражающееся в равенстве нулю скорости потока вблизи стенок. С учетом сделанных допущений соответствующие краевые условия формулируются в следующем виде:

Vкп = 0, к = 1,...,N, ф = фe,

где? - время; предполагается, что подвижности Ьк и коэффициенты диффузии ионов Бк к-го сорта постоянны. Уравнения выполняются для области, занятой раствором. Индукция В считается равной величине стороннего магнитного поля, что практически всегда выполняется с высокой точностью. Будем рассматривать неподвижную систему отсчета, в которой вектор электрического смещения для точек объема движущегося рас-

абсолютная, бг - относительная диэлектрическая, - относительная магнитная проницаемости раствора. Значение цг, как правило, близко к единице. Для разбавленных водных растворов в широком диапазоне частот поля бг « 80. Слагаемые в выражении вектора электрического смещения имеют один порядок величины.

где б0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, п - вектор внешней по отношению к объему раствора нормали к стенке канала, а - поверхностная плотность заряда на стенках канала, обусловленная явлением специфической адсорбции.

Электрическая напряженность при бесконечном удалении от объема раствора стремится к нулю. Начальные условия могут быть заданы в виде значений концентраций ионов в начальный момент времени.

ЛИНЕАРИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ И ЕЕ ОБОСНОВАНИЕ

Сложность практического решения системы (1)-(5) связана с нелинейностью уравнения (2), а также существенной неоднородностью распределений концентраций ионов и электрического поля. Исследование системы и ее решения позволили установить, что в тонком пристеночном слое толщиной порядка дебаевского радиуса формируется область пространственного заряда, экранирующего в объеме раствора потенциальную

компоненту силы Лоренца. При удалении от стенок канала происходит релаксация пространственного заряда, поэтому основной объем раствора является квазинейтральным, ионные токи в нем циркулируют по замкнутым траекториям. Величина дебаевского радиуса даже для дистиллированной воды не превосходит 1 мкм.

Оценочные расчеты показывают, что для водных растворов плотность объемного заряда практически всегда много меньше, чем парциальные плотности заряда ионов в объеме раствора. Эту особенность можно использовать для построения эффективного метода решения сформулированной системы, который основан на ее линеаризации в соответствии с приближенным равенством: Шу(ек{к) « к = 1,...,N где си - исходные

концентрации ионов в объеме электролита.

Вначале опробуем данный метод на примере расчета плоского равновесного двойного электрического слоя в бинарном электролите. Соответствующая система уравнений для концентраций ионов и электрического поля имеет вид:

д(СЕ _ 0, х > 0;

дх кБТ дх д 2ф _ _ -(с + - с) дх2 е

С ±Е _ 0, ф_ и, х _ 0;

с± ^ с0, ф ^ 0, х ^ да,

где и - падение напряжения, падающее в двойном электрическом слое, с± -концентрации положительных и отрицательных ионов в двойном электрическом слое, с0 - значение концентрации ионов в объеме электролита, q - величина абсолютного заряда ионов.

Рассматриваемая система уравнений соответствует модели Гуи-Чапмена . Ее точное решение находится аналитически и может быть записано в виде:

с = Coexp|+-i-!-

с1Ы 1 exp (х I + 1

с1Ь| -ЯЕ- 1 exp(I- 1

где ё - дебаевский радиус раствора, равный

Исследуем погрешность линеаризации, для чего осуществим следующие преобразования с учетом исходной системы уравнений:

Шу (с ±Е) = с0ШуЕ + Шу [(с± - с0) Е] =

где р = - (с + - с) - плотность объемного заряда. Линеаризация заключается в отбрасывании второго слагаемого (записанного в скобках). После ряда технических преобразований находим, что относительная погрешность линеаризации для каждого из уравнений диффузии ионов разного знака оценивается сверху величиной:

2-и exp| + 2Т

На практике для расчета поля требуется знать только плотность объемного заряда р, а не в

БУНД А., КОШИЧОВ Д., МУТШКЕ Г., ФРЁЛИХ Д., ЯНГ К. - 2012 г.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ АСИММЕТРИИ ТРАНСПОРТНЫХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННЫХ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННЫХ МЕМБРАН

ВАСИН С.И., КАСПЕРЧИК В.П., КОНОНЕНКО Н.А., ФИЛИППОВ А.Н., ЧЕРНЯЕВА М.А., ЯСКЕВИЧ А.Л. - 2010 г.

Изобретение относится к электрохимическому производству, в частности к электролизу.
Наиболее близким изобретением является способ магнитодинамического автоэлектролиза, выбранный в качестве прототипа.
На электрохимическую систему, содержащую электроды и электролит, воздействуют внешним магнитным полем, ортогональным контурам электродов. Причем осуществляют вращение источников магнитного поля в плоскостях, параллельных контурам электродов. Благодаря этому осуществляют относительно движение ионов диссоциированного электролита в магнитном поле, перпендикулярном направлению движения. На заряды (разнополярные ионы), движущиеся относительно магнитного поля действует сила, которая направлена перпендикулярно к плоскости векторов магнитной индукции и скорости относительного движения. При относительном движении по окружности направление силы Лоренца, как и направление перемещения ионов (ионного тока), ортогонально вектору линейной скорости относительного движения и происходит в соответствии со знаком заряда в направлении радиуса-вектора к противоположным контурным электродам. В результате этого происходит поляризация электродов, причем разность потенциалов между ними при достаточных значениях линейной скорости и магнитной индукции достигает напряжения разложения электролита, что приводит к протеканию электрического тока в электрохимической системе к электролизу. Сущность электролиза, происходящего на электродах в описанном способе, не отличается от традиционного электролиза, когда электроды подключены к внешнему источнику напряжения.
В способе для повышения эффективности процесса отражены различные возможности относительного перемещения электролита в магнитном поле, в том числе и в совокупности с прокачиванием. Он предназначен для разложения воды, с целью получения экологически чистого топлива водорода. Данным способом можно разложить электролит, не прибегая к окольному пути получения постоянного напряжения для электролиза, связанному со значительными потерями при преобразовании механического движения в электроэнергию с помощью электрогенератора. Благодаря этому не только повышается эффективность электрохимического производства, но и снижаются затраты на оборудование.
Несмотря на то, что экономически выгоднее проводить электролиз описанным способом в сравнении с обычным электролизом, ему присущи определенные недостатки. Они связаны с необходимостью либо прокачивания электролита, либо вращения системы постоянных магнитов, ввиду того, что данный способ является динамическим. Это ведет к усложнению способа при его реализации вследствие использования двигательной для вращения системы постоянных магнитов или прокачивания электролита, специальных насосов для работы в агрессивных средах, а также ведет к трудностям надежного крепления массивных постоянных магнитов во вращающейся системе, балансировки такой системы и герметизации токовыводов, и напорных трубопроводов.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение способа при одновременном увеличении производительности процесса.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе магнитоиндуцируемого электролиза, включающем воздействие на электрохимическую систему магнитным полем, ортогональным плоскости электродов, используют переменное магнитное поле.
В предлагаемом способе магнитоиндуцируемый электролиз осуществляют в статической магнитоэлектрохимической системе в неподвижном электролите с помощью неподвижного источника магнитного поля за счет создания переменного магнитного поля.
В отличие от этого, в известном способе электролиз осуществляют в динамической электрохимической системе при относительном движении электролита и источника постоянного магнитного поля. При этом разность потенциалов на электродах для электролиза получают в предложенном способе за счет ЭДС магнитной индукции, возникающей в электродах, тогда как в известном способе разность потенциалов на электродах получают за счет их поляризации ионным током, возникающим в электролите вследствие действия силы Лоренца на перемещаемые в магнитном поле ионы.
В соответствии с предложенным способом в электрохимической системе, содержащей неизолированные контурные электроды и электролит, создают переменное магнитное поле с противоположным направлением внутри и вне контуров и одинаковым для всех электродов, чем обеспечивают однонаправленный индукционный ток в соответственных участках всех соседних контуров, образующих элементарную электрохимическую ячейку, и ЭДС индукции между этими контурами электродов, достигающую напряжения разложения электролита. При этом в контурах создается электронный ток магнитной индукции, на их поверхности происходит электролиз, а в электролите между соседними участками электрода протекает ионный ток за счет ЭДС магнитной индукции в контуре электрода. То есть электролит является распределенной вдоль контура электрода электрической нагрузкой.
Сущность предложенного способа заключается в преимущественном взаимодействии внешнего магнитного поля с электродами электрохимической системы в виде разомкнутых контуров из проводника первого рода, носителями зарядов в котором являются электроны, и пренебрежимом взаимодействии с окружающим неизолированные электроды неподвижным электролитом-проводником второго рода, носителями зарядов в котором являются ионы. Способ основан на известном физическом явлении электромагнитной индукции, при котором в контуре проводника, помещенном в переменное магнитное поле, возникает электродвижущая сила ЭДС индукции. Если контуром является, например, разомкнутая концентрическая неизолированная спираль, то в ней возникает распределенная межконтурная разность потенциалов, равная ЭДС индукции контура или контуров.
Плотность тока в контуре, вызванная электрическим полем в проводнике, выражается j nev neuE, где n число носителей зарядов в единице объема, е заряд носителя, v средняя скорость их упорядоченного перемещения, u электрическая подвижность заряда, Е напряженность электрического поля. Вместе с тем известно, что подвижность свободных электронов в проводнике первого рода, например, в меди, примерно в 10 4 раз выше подвижности ионов Н + и ОН - в электролите проводнике второго рода, а их концентрация превышает концентрацию этих ионов (в случае 35% раствора КОН) примерно в 20 раз, что обуславливает преимущественное взаимодействие переменного магнитного поля с проводником первого рода.
С помощью предложенного способа просто осуществить электролиз в полностью замкнутом объеме статической магнитоэлектрохимической системы без подвода извне электрического тока к электродам. Магнитоиндуцируемый электролиз осуществляется следующим образом. Переменное магнитное поле индукции пронизывает контурные электроды, в них индуцируется межконтурная распределенная разность потенциалов, в электролите создается ионный ток и на электродах протекают электрохимические реакции с выделением газообразных продуктов, например, в случае электролиза воды. Диод позволяет вести электролиз в импульсном режиме.
Сущность способа можно проиллюстрировать на примере электролиза 35% раствора едкого кали, с целью получения водорода и кислорода или их смеси. Электрохимическая система содержит неизолированные электроды в виде медной никелированной цилиндрической спирали, концы витков которой соединены перемычкой из электронного проводника или диода. Электроды помещались в тороидальную диэлектрическую емкость, заполненную электролитом, а сам тороид располагался на магнитопроводе, имеющем первичную обмотку. Первичная обмотка подключалась к промышленной сети и в электрохимической системе создавалось переменное магнитное поле.
П р и м е р 1. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение с частотой 50 Гц, создаем в области электродов переменное магнитное поле со средним значением магнитной индукции 10 мТ. Сечение магнитопровода составляло 75 см 2 . Расстояние между электродами равнялось примерно 1 мм. Электрод представлял из себя спираль из медной никелированной шинки, содержащей 100 витков (контуров). На электродах реализовалась ЭДС индукции 1,5 ± 0,1 В. Поместив электродную систему в емкость, содержащую 35% раствор КОН, осуществили электролиз с выделением с 10 см 2 поверхности 0,38 л кислородно-водородной смеси в час, что в пересчете на 1 м 2 поверхности составит 0,38 м 3 /ч. В прототипе выход кислородно-водородной смеси с 1 м 2 поверхности электрода составляет 0,192 м 3 /ч.
П р и м е р 2. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение с частотой 500 Гц, создаем в области электродов переменное магнитное поле со средним значением магнитной индукции 1 Т. Сечение магнитопровода составляло 12 см 2 , расстояние между электродами 10 мм. Каждый электрод состоял из одного контура. На электродах реализовалась ЭДС индукция 2,5 + 0,1 В. С 1 м 2 поверхности электрода при этом выделяется 0,9 м 3 /ч кислородно-водородной смеси.
П р и м е р 3. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение частотой 1000 Гц, создаем в магнитопроводе магнитное поле с индукцией 1,4 Т. Расстояние между электродами составляло 20 мм. Каждый электрод состоял из одного контура. На электродах реализовалась ЭДС индукции 5,0 + 0,2 В. С 1 м 2 поверхности при этом выделяется 1,4 м 3 /ч кислородно-водородной смеси.
П р и м е р 4. Условия эксперимента такие же, как в примере 1, но начало и конец контурных электродов соединены с помощью диода. Поэтому реализуется электролиз импульсным током, благодаря чему на определенных участках электродов протекают либо катодные, либо анодные процессы. При этом повышается доля тока, идущая на фарадеевский процесс за счет уменьшения емкостного тока. Результатом является повышение выхода продукта до 0,96 м 3 /ч с 1 м 2 поверхности электрода или на 7+ 0,2%
П р и м е р 5. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение с частотой 1 Гц, создаем в области электродов переменное магнитное поле со средним значением магнитной индукции 1 Т. Сечение магнитопровода составляло 33 см 2 . Расстояние между электродами составляло 2 мм. Электрод содержал 100 витков с площадью 100 см 2 . На электродах реализовалась ЭДС индукции 1,5+ 0,2 В. Поместив электродную систему в емкость, содержащую 35% раствор едкого кали, осуществили электролиз с выделением за 1 ч 0,26 л водородно-кислородной смеси, что в пересчете на 1 м 2 поверхности электродов составит 0,26 м 3 /ч. В прототипе выход газовой смеси составляет с 1 м 2 поверхности электрода 0,192 м 3 /ч.
Таким образом, заявленный способ в сравнении с прототипом обладает рядом преимуществ: является статическим и не требует ни перемещения электролита, ни вращения источников магнитного поля, что ведет к упрощению способа, т.е. достижению поставленной цели.

УДК 541.13

ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТА И ВЫДЕЛЕНИЕ МЕТАЛЛА В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Н.П. Горленко, Г.М. Мокроусов

Томский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: [email protected]

Рассмотрены процессы выделения металла и развитие конвективных потоков жидкости в условиях воздействия скрещенных постоянных электрического и магнитного полей на примере электролиза сернокислой меди различной концентрации. Показаны зависимости процессов массопереноса и массообмена в кольцевой осесимметричной ячейке от величины магнитной индукции и плотности тока

Известно, что воздействие магнитного поля на гетерогенные водно-солевые системы приводит к интенсификации процессов массопереноса и массообмена . Механизм этих явлений изучен недостаточно. Одним из возможных и информативных способов изучения процессов, протекающих в условиях внешних воздействий, является использование в качестве модельных электрохимических систем. Однако, принято считать, что гальваномагнит-ные эффекты значимо проявляются в тех материалах, в которых носителями заряда являются электроны. В жидкости, в силу малой подвижности ионов в растворах и необходимости соблюдения условия электронейтральности, процессы развития направленного переноса частиц несущественны. С другой стороны, движение электропроводящей жидкости в присутствии магнитного поля достаточно хорошо изучено и описано с позиций законов гидродинамики . При этом, как правило, не учитывается взаимодействие с магнитным полем движущейся в жидкости заряженной частицы. Практически не рассматривается возможность развития направленного потока вещества на фоне хаотического движения молекул. Наиболее полно теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении отражены в работах .

Целью настоящей работы является исследование развития направленных потоков жидкости в условиях скрещенных электрического и магнитного полей и выявление закономерностей интенсификации гетерогенных процессов методом магнитоэлектро-лиза.

Выбор электрохимической системы в качестве модельной обусловлен тем, что перенос массы - это одновременно и перенос электрических зарядов. Отсюда следует, что поток вещества и ток здесь являются одной и той же переменной; скорость массообмена может определяться по силе электрического тока, что существенно облегчает исследование кинетики массообмена в условиях внешних воздействий.

В работе исследовано воздействие скрещенных постоянного электрического и магнитного полей на сернокислые растворы меди. При использовании электрохимической ячейки прямоугольной формы рассмотрено (по выделению меди на "меченых" секциях электрода) распределение ионов меди по высоте электролита вблизи электрода и влияние маг-

нитного поля на выход металла. Выделение меди проводили в гальваностатическом режиме при силе тока 3-10"2 А в течение 1,8-103 с на 12-ти секционном платиновом катоде. Секциями ("метками") служили окна размером 2 10"5 м2, которые формировались в слое защитного покрытия фотолитографическим способом. Магнитное поле с индукцией В накладывалось таким образом, чтобы сила Лоренца, действующая на заряженные частицы в растворе, была направлена перпендикулярно направлению движения частиц под действием электрического поля.

Так как изучение конвективных потоков в ячейке прямоугольной формы требует специальных приемов визуализации, то данные исследования были проведены также в ячейке цилиндрической формы, представляющей собой внутренний платиновый электрод, диаметром НО-2 м и внешний угольный электрод диаметром 4-Ю-2 м.

В табл. 1 приведены данные эксперимента по распределению меди на секциях катода в прямоугольной ячейке на примере 0,02 М раствора сульфата меди.

Из экспериментальных результатов по распределению меди на секциях электрода можно сделать заключение, что воздействие магнитного поля не

Таблица 1. Распределение меди на секциях платинового катода при электролизе сернокислого 0,02 М раствора сульфата меди без и при воздействии магнитного поля

Номер секции катода Количество осажденной меди, 10"3 г

Д = 0Тл В = 0,2 Тл

1 0,86 + 0,02 0,93 ± 0,02

2 0,87 ± 0,02 0,94 ± 0,02

3 0,85 ± 0,02 0,94 ±0,02

4 0,83 ± 0,03 0,92 ± 0,03

5 0,86 ± 0,02 0,94 ± 0,02

6 0,84 ± 0,02 1,02 + 0,03

7 0,84 + 0,02 0,99 ± 0,02

8 0,88 ± 0,02 0,94 ± 0,02

9 0,85 ±0,03 0,93 ± 0,02

10 0,84 ± 0,02 0,88 ± 0,02

11 0,85 ± 0,02 0,90 ± 0,03

12 0,85 ± 0,02 0,88 ±0,03

Таблица 2. Общее количество осажденной меди из растворов различной концентрации в обычных условиях и при воздействии магнитного поля

Концентрация электролита, М Общее количество осажденной меди, 10"3 г

5 = 0 Тл 5 = 0,2 Тл

0,02 8,5 ± 0,03 9,4 ±0,02

0,05 10,5 ±0,02 11,7 + 0,02

1,0 14,5 ± 0,03 15,9 ±0,03

Фо _1пгн!гвн

Из уравнений (4) следует, что сопротивление ячейки и протекающий через нее ток не зависят от ее радиуса, в то время как напряженность электрического тока является зависимой величиной. Электрическое поле увеличивается при приближении к внутреннему электроду. Соответственным образом изменяется и концентрационный профиль электролита, если в растворе отсутствует перемешивание. При перемешивании градиент концентрации име-

ет место только в граничных областях. Величина силы Лоренца (Е, = 1еВИ) пропорциональна Е, поэтому при ЕШс учетом (3), она также будет увеличиваться при приближении к внутреннему электроду-

вызывает заметного перераспределения ионов металла в растворе по его высоте /г, а количество осажденной меди возрастает в среднем на 10 % для каждой из исследуемых концентраций раствора (табл. 2).

Полученный результат можно объяснить уменьшением перенапряжения электроосаждения металла, например, за счет возникновения конвективных потоков которые экспериментально удобно наблюдать в кольцевой осесимметричной ячейке визуальным способом.

Под действием силы электрического поля Е= ггЕ ионы массой т двигаются с ускорением аЕ~ геЕ/т. Их среднюю скорость в направлении электрического поля за время х0 можно принять равной:

иЕ = аЕх0 = геЕт(/т =\хЕ = гР^Е, (1) где де - заряд частицы, Е - напряженность электрического поля, (I - подвижность иона, Р- число Фарадея.

Среднестатистическую плотность ионов в растворе можно считать неизменной, так как иЕ» ив (ив - скорость движения иона под действием силы Лоренца). Тогда ток, протекающий через сечение площадью 5, может быть выражен:

1 = гецЕ5 = аЕЯ, (2)

где о - проводимость раствора.

Напряженность электрического поля Е(г) в зависимости от внутреннего и внешнего радиусов ячейки и прикладываемой к ней разности потенциалов ф0 = фн -фвн выразится как:

£(г) = ф0Мп(г„ 1гт), (3)

где г - радиус ячейки, гн, гт - радиусы наружного и внутреннего электрода соответственно.

Тогда величина полного тока (Г), протекающего через некоторое сечение площадью £ = 2пгИ и сопротивления ячейки (К) с учетом (2, 3):

где В - значение магнитной индукции, V- скорость движения ионов.

Развивающееся в граничной области под действием электрического поля ускорение заряженных частиц и их взаимодействие с магнитным полем приводит к тому, что средняя скорость гидратированных ионов становится больше скорости перемещения жидкости. Если средняя скорость различна, то при обмене ионами в параллельных слоях будет происходить перенос определенного количества движения, поэтому медленные слои жидкости ускоряются. Это приводит к общему движению раствора в кольцевой ячейке в направлении действия силы Лоренца, которое через определенное время приобретает стационарную скорость. На рис. 1, 2 приведены зависимости скорости вращения жидкости в цилиндрической ячейке от магнитной индукции и величины плотности тока на примере 0,1М раствора сернокислой меди.

Скорость стационарного течения жидкости в центре канала с определенным уровнем приближения может быть рассчитана по уравнению : и_ 1Вг г4 - 2г21пУ + 1

16тс/гт| г2(г + 1) ’ ^

где т) - кинематическая вязкость раствора.

В соответствии с уравнением (6), скорость движения электролита обратно пропорциональна его вязкости. Последняя возрастаете увеличением концентрации и оказывает существенное влияние на развитие конвективного движения раствора. Экспериментальные данные показывают, что при увеличении концентрации соли меди на порядок, скорость течения изменяется на 8... 10 %. В то же время для близких значений вязкости электролита, концентраций, зарядов ионов значения скоростей одинаковы в пределах ошибки измерений.

Зависимость интенсивности массообмена от скорости движения электролита выражается соотноше-

Рис. 1. Зависимость скорости вращения (II) 0,1 М раствора сернокислой меди от величины магнитной индукции (В) при плотности тока 400 А/м2

Рис. 2. Зависимость скорости вращения 0,1М раствора суль -фата меди от плотности тока и величины магнитной индукции (J±B)B, Тл: 1) О,1;2) 0,2;3) 0,3;4) 0,4

Рис. 3. Зависимость интенсивности массообмена от скорости вращения 0,1 М раствора сульфата меди при различных значениях индукции магнитного поля Си. В) В, Тл: 1) 0,1; 2) 0,2; 3) 0,3; 4) 0,4

Рис. 4. Потенциодинамические характеристики электролиза 0,1М раствора сернокислой меди в осесимметричной ячейке при воздействии магнитным полем (11В): 1) В=0Тл; 2) В = 0,2 Тл; 3) В = 0,4 Тл; 4) при перемешивании раствора со скоростью 0,08 м/с

1 поток ча-

ниями: БЬ = ^¡и = Лз = I, где /- общий I стиц, БЬ = - безразмерный критерий Шервуда,

характеризующий интенсивность массообмена и соотношение размеров тела и диффузионного слоя, Р - коэффициент массопередачи, пропорциональный /-линейный размер тела, 5-толщина диф-

фузионного слоя. На рис. 3 показана зависимость интенсивности массообмена от скорости вращения жидкости в цилиндрической ячейке и величины магнитной индукции.

Сравнивая экспериментальные данные на рис. (1-3) с уравнением диффузионного потока в случае

обтекаемой

пластины: У = 0,34 0

4и_(Т1 л/п* I о

Ку/и, можно утверждать, что интенсификация процесса массообмена при данных условиях эксперимента обусловлена развитием направленного конвективного потока электролита, так как в условиях скрещенных электрическом и магнитном полей выполняются подобные зависимости: / = ¡(и)1/2, и=/(В). В свою очередь, ]=/(и){>2, и значение скорости движения заряженных частиц также определяется величиной индукции магнитного поля.

Катодные поляризационные кривые, полученные в потенциодинамическом режиме при механическом перемешивании раствора и при воздействии магнитным полем показывают, что воздействие магнитным полем приводит к более существенным изменениям вида поляризационных кривых по сравнению с принудительной конвекцией, даже если скорость искусственного перемешивания больше скорости, достигаемой за счет силы Лоренца (рис. 4).

Приведенные данные доказывают, что развитие конвективного потока жидкости - результат действия силы Лоренца, проявляющейся непосредственно в области приэлектродного слоя. Таким образом, при действии магнитного поля создаются новые условия формирования границы раздела фаз, недостижимого другими известными способами, например, простым перемешиванием раствора, что может быть эффективно использовано при разработке энергосберегающих технологий при выделении металлов электрохимическими способами. Можно утверждать, что интенсификация массопе-реноса при воздействии магнитным полем обусловлена развитием направленного движения электролита в объеме раствора и, как следствие, уменьшением толщины диффузионного слоя. Учитывая взаимосвязь 5 с интенсивностью потока частиц на поверхность обтекаемого электрода, можно записать следующие зависимости: и=^В); г =Д 11)^2^=Лс10); ¿о=/(иА/2). Выявленные закономерности, по-видимому, проявляются в любой гетерогенной системе, где осуществляется направленный перенос заряженных частиц, что может являться одной из причин проявления эффектов магнитной обработки, наблюдаемых при проведении широкого ряда гетерогенных процессов, например, кристаллизации, ионного обмена, твердении цементных композиций и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Классен В.И. Омагничивание водных систем. - М.: Химия, 1982. - 196 с.

2. Блум Э.Я., Михайлов Ю.А., Озолс Р.Я. Тепло- и мас-сообмен в магнитном поле. - Рига: Зинатне, 1980. -355 с.

3. Библиографический указатель 1959-1979 гг. Влияние электромагнитных и магнитных полей на электрохимические и химические процессы. - Новосибирск, 1980. - 124 с.

4. Бондаренко Н.Ф., Гак Е.З. Электромагнитные явления в природных водах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984.

5. Гак Е.З. К вопросу о гидродинамическом эффекте в сильных электролитах // Электрохимия. - 1967. -Т. 3. - № 1. - С. 89-91.

6. Зайченко В.Н. Магнитные поля в электрохимии // В кн.: Теоретические вопросы электрохимической кинетики. - Киев, 1984. - С. 85-94.

7. O"Brien K.N., Santhanam K.S. Magnetic field on the growth on the diffusion layer at vertical electrodes during electrodeposition //J. Electrochem. Soc. - 1982. -V. 129. - № 6. - P. 1266-1268.

8. Noninski C.J., Noninski V.C., Terziyski V.J. Copper deposition and overvoltage in magnetic field in the tafel potential region // Renn. Soc. int. electrochim. - Lion. 6-10 sept. 1982. - V. 2. - P. 939-941.

9. Пехтелева A.B., Смирнов А.Г. Гидродинамика электролита при электрохимических процессах в прямоугольной ванне с плоскими электродами в постоянном магнитном поле // Магнитная гидродинамика.

1965. - № 2. - С. 89-91.

10. Guraichi M.S., Fahidy T.Z. A technique for the study of flow patterns in electrolysis // J. Electrochem. Soc. -1980.-V. 127. - P. 666.

УДК 543:615.2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛАТИНЫ МЕТОДОМ ИНВЕРСИОННОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЯХ У БОЛЬНЫХ РАКОМ ЛЕГКОГО

H.A. Колпакова, Е.А. Смышляева, A.A. Завьялов, А.Ю. Добродеев, С.А. Тузиков, С.А. Антипов

Томский политехнический университет Тел.: (382-2)-415-832

Методом инверсионной вольтамперометрии изучена способность различных тканей и крови концентрировать платину, входящую в состав цисплатина, используемого при лечении больных раком легкого. Наибольшая концентрация определялась в опухолевой ткани 29,9±0,081 мг/кг в сравнении с регионарны ми лимфатическими узлами 3,7±0,247 мг/кг, легочной тканью 1,7±0,117 мг/кг и периферической кровью 0,8±0,086 мг/кг. Полученные результаты позволяют использовать цисплатин в качестве радиосенсибилизатора для усиления лучевого воздействия при проведении интраоперационной лучевой терапии у боль -ных раком легкого III стадии.

Рак легкого занимает ведущее место как причина смерти среди онкологических больных в нашей стране и за рубежом. Увеличение темпов роста заболеваемости и смертности от рака этой локализации сочетаются с трудностями своевременной диагностики, а, следовательно, и с неудовлетворительными результатами лечения.

К настоящему времени хирургическое лечение рака легкого достигло весьма высокого уровня развития, но, в известной степени, исчерпало свои возможности. Показатель пятилетней выживаемости радикально оперированных пациентов на протяжении последних десятилетий не превышает 30 %. Определенные надежды связываются с развитием комбинированного лечения, когда хирургическое вмешательство сочетается с лучевой терапией .

В последнее время при раке легкого используется метод интраоперационной лучевой терапии (ИОЛТ), позволяющий подвести эффективную однократную дозу облучения непосредственно назоны регионарного метастазирования . Совершенство-

вание метода интраоперационной лучевой терапии может быть связано с увеличением разовой дозы облучения. Однако это неизбежно приведет к увеличению числа послеоперационных осложнений и летальности, что полностью будет нивелировать положительный эффект облучения. Более перспективным подходом к повышению эффективности лучевой терапии является использование радиосенсибилизаторов.

По мере изучения препаратов платины выяснилось многообразие механизмов их действия. Цисплатин, являясь противоопухолевым препаратом на основе платины, обладает свойствами цитостатика и радиосенсибилизатора одновременно: кроме непосредственного токсического влияния на опухоль, он повышает чувствительность опухолевых клеток к лучевой терапии, причем для этого необходимы дозы, значительно меньшие, чем терапевтические.

В опухолевой клетке комплексы платины ковалентно связываются с ДНК, формируя сшивки внутри и между нитями ДНК. При воздействии ионизи-

Возможно, будет полезно почитать: