Численное моделирование состава газовой фазы в тлеющем разряде с электролитным катодом

42

Численное моделирование состава газовой фазы в тлеющем разряде с электролитным катодом

Н. А. Сироткин, А. В. Хлюстова,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки, Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской Академии наук, ул. Академическая, д. 1, г. Иваново, 153045, Россия, e-mail: kav@isc-ras.ru

Представлены результаты численного анализа состава газовой фазы с учетом переноса растворенного вещества. Расчеты показали, что основным положительным ионом является H2O+, а концентрация возбужденных атомов натрия в зоне плазмы достаточна для появления резонансной спектральной линии атома металла.

Ключевые слова: тлеющий разряд, численное моделирование, состав газовой фазы.

А. И. Максимов

УДК 537.525

ВВЕДЕНИЕ

Зажигание газового разряда над поверхностью электролитного катода приводит к появлению динамической границы раздела фаз плазма-раствор. Поверхность электролитного катода бомбардируется энергичными положительными ионами, которые вызывают протекание химических и физических процессов, как в жидкой, так и в газовой фазе. Ионная бомбардировка электролитного катода приводит также к переносу из раствора в газовую фазу нейтральных и заряженных частиц его компонентов, в том числе и нелетучих [1-3]. Таким образом, уже в начальный момент горения над поверхностью раствора меняется состав газовой фазы, в которой горит разряд. Тлеющий разряд атмосферного давления с электролитным катодом имеет одно существенное отличие от классического тлеющего разряда пониженного давления с металлическими электродами, а именно: в эмиссионном спектре разряда присутствуют спектральные линии, относящиеся к материалу катода [4, 5].

Авторы [6] численными методами анализировали состав газовой фазы в приэлектродных областях в системе тлеющего разряда с двумя электролитными электродами. При теоретическом расчете учитывались следующие химические частицы: одноатомные (Ar, Ar +, C+, C, C-, H+, H, H-, O+, O, O-, N, N+), двухатомные (C2, C2-, C2+, CH, CH+, CH-, CN, CN-, CN+, CO, CO+, CO-, H^, H2, H2+, N2, N2-, N2+, NH, NH+, NH-, NO, NO-, NO+, O2, O2-, O2+, OH, OH-, OH+) и многоатомные частицы (C2N, C2O, C3, CNN, CNO, CO2, CO2-, N2O, N2O2, N3, NCN, NO2, NO2-, O3, C2N2, C3O2, C4, C4N2, C5, N2O3, N2O4, N2O5, NO3). Расчёт проводился для двух начальных условий: 99% воздух - 1% водяной пар и 45% водяной пар -55% воздуха. В первом случае основным компонентом газовой фазы является молекулярный азот N2, во втором - вода и азот. Электроней-

тральность плазмообразующего газа в первом случае достигается в основном рекомбинацией электронов с NO+, во втором - H3O+, NO+ и электронов. При первоначальном 45% содержании водяного пара для всех температур в газовой фазе наблюдается большое количество таких частиц, как OH и H. Авторами было отмечено, что данные, полученные при соотношении 45% паров воды 55% воздуха, хорошо согласуются с экспериментальными оценками влажности воздуха (30-40%) в катодной области горения разряда. Стоит отметить, что при этом расчете не учитывались частицы, относящиеся к жидкой фазе, и в частности растворенное вещество.

Определить концентрации всех частиц, находящихся в зоне горения разряда, какими-либо экспериментальными методами крайне трудно. Например, спектральными методами можно определить лишь интенсивности излучения полос некоторых активных частиц: возбужденных молекул плазмообразующего газа и продуктов их распада, фрагментов молекул растворителя и возбужденных атомов растворенного вещества: O, N, Na, N2, OH, NO. Зондовые методы позволяют определить концентрацию электронов в зоне плазмы [7]. Цель данной работы - определение состава газовой фазы над поверхностью электролитного катода при зажигании электрического разряда. Нами была предпринята попытка теоретически вычислить концентрации частиц, образующихся в ходе горения разряда. Преимущество данного подхода в том, что учитываются многие условия, такие как температура в зоне плазмы, распыление растворителя и растворенного вещества, постоянное значение концентрации электронов, определяемой током разряда. Также мы решили выяснить, будет ли расчетная концентрация возбужденных атомов металла, предшественником которого является катион соли в растворе, достаточной для появления его спектральной линии в эмиссионном спектре.

© Сироткин Н.А., Хлюстова А.В., Максимов А.И., Электронная обработка материалов, 2014, 50(4), 42-48.

43

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Для оценки состава газовой фазы были выбраны реакции (138) с участием как молекул исходного газа, так и различных частиц, образующихся в зоне плазмы (в газовой фазе): O2, N2, H2O, H2, NO, H, O, OH', NO2, N2O, HNO, HO2, O3, NO3, H2O2, H3O , H5O2 , H7O3 , N2+, O2 , HNO2, N, O2', H2O , HNO3, Na, Cl, Na', CI2, HCl, NaO, NaO2, NaNO, Na+, Cl", e, H", OH", O2", O", N2'.

Список всех реакций представлен в табл. 1. Константы скорости каждой реакции пересчитывались с учетом температуры в зоне плазмы. Для наших расчетов использовалось значение 1000К.

На основе этих реакций была составлена система, содержащая 41 дифференциальное уравнение, описывающее изменение концентрации каждой частицы с течением времени:

dt

—1 = ±к1 C C ±к2 C с... ±к„-с„-C.

Все эти уравнения, а также константы скоростей реакции были внесены в программу Maple 14 и далее решены численно. Для решения дифференциальных уравнений в численном виде используется функция dsolve с параметром numeric или type=numeric. При этом решение возвращается в виде специальной процедуры, по умолчанию реализующей широко известный метод решения дифференциальных уравнений Рунге-Кутта-Фелберга порядков 4 и 5 (в зависимости от условий адаптации решения к скорости его изменения). Также с помощью параметра 'abserr' = 10-7 задавалась величина абсолютной погрешности решения. Maple реализует адаптируемые к ходу решения методы, при которых шаг решения h автоматически меняется, подстраиваясь под условия решения. Так, если прогнозируемая погрешность решения становится больше заданной, шаг решения автоматически уменьшается. Решение производилось в интервале времени t = 0-0,1 c.

Расчеты проводились для системы тлеющего разряда точечно-планарного типа при атмосферном давлении. Металлический электрод - анод расположен над поверхностью электролитного катода на расстоянии 1 мм. Ток разряда - 25 мА. Раствор NaCl с концентрацией 0,1 моль/л. Напряженность поля составляет 103 В/см, катодное падение потенциала - 500 В [13].

При расчетах было сделано допущение, что концентрация электронов постоянна и определяется током разряда. Известно, что

j = e-ne-ц-E, где j = L,

S

отсюда можно оценить концентрацию электронов, зная ток разряда:

n

I

S-e-ц-E,

где I - сила тока разряда (25 мА); S - площадь сечения разряда (0,03 см2); E - напряженность поля в положительном столбе разряда (1000 В/см) [13]; ц - подвижность электронов; e - заряд электрона.

Для расчета значений подвижности электронов использовались данные [14] по скоростям дрейфа электронов в воздухе и водяном паре в зависимости от приведенного значения напряженности E/N.

Концентрация частиц в зоне разряда рассчитывалась по формуле

R-T ’

где P - давление (1 атм.); Т - температура в зоне разряда (1000K); V - объем положительного столба разряда (V = l-S = 0,8 - 0,03 = 0,024 см3); R - газовая постоянная; NA - постоянная Авогад-р°.

Концентрации частиц в зоне разряда N = 7,34-1018 см-3. Таким образом, в наших условиях приведенное значение напряженности составило 13,6 Тд. Для воздуха значение подвижности электронов ц равняется 2450 см2/(с-В), для водяного пара - 301 см2/(с-В) соответственно [14]. Следовательно, концентрация электронов в зоне горения разряда для воздуха составляет 2,12-1012 см-3, для водяного пара n(e) =

= 1,731013 см-3.

Появление атома металла в газовой фазе учитывалось полной скоростью переноса раствора [14]. Было предположено, что скорость катионов и анионов пропорциональна полному потоку из раствора с учетом мольной доли растворенного вещества. В процессе распыления раствора происходит гетерогенная диссоциация с образованием Na+ и Cl", и в газовой фазе растворенное вещество появляется именно в виде ионов. Общий поток частиц из раствора N = 3,4-1019 см-3-с-1. С учетом объема положительного столба разряда эта величина будет равной 3-1021 см-3/с, для Na+ и Cl- - 3-1020 см-3/с (для раствора с 0,1 мольной доли растворенной соли).

Результаты расчетов представлялись графически в виде кривых изменения концентрации частицы во времени.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Было получено решение системы уравнений для двух случаев: атмосфера воздуха со значениями концентрации электронов ne = 2,12-1012 см-3 и водяного пара - 1,73-1013 см-3. Это численное значение концентрации электронов согласуется

44

Таблица 1

№ п/п Реакция k, см3 с-1 № п/п Реакция k, см3 с-1

1L8J N2 + O2 ^ NO + NO 3,649-10"24 70L8J NO3 + NO2 ^ NO + O2 + NO2 9,827-10"14

2L8J H2O + H2O ^ H + OH + H2O 6,555-10"21 71L8J HNO+HNO ^ H2O+N2O 1,48-10-15

3L8J H2 + O2 ^ OH + OH 4,037-10"18 72L8J HNO + HNO ^ NO + NO + H2 3,67-10-13

4L8J H2 + H2O ^ H + H + H2O 5,18-10"21 73L8J HO2 + HNO ^ NO + H2O2 8,221-10-13

5L8J OH + OH ^ H2O + O 9,369-10"12 74L8J HO2 + NO ^ NO2 + OH 1,022-10-10

6L8J OH + OH ^ H2 + O2 2,406-10"18 75L8J HO2 + NO ^ O2 + HNO 2,027-10-13

7[8J H + H + N2 ^ H2 + n2 1,001-10-32 76L8J OH + NO ^ NO2 + H 1,737-10-10

8L8J NO + NO ^ N + O + NO 9,369-10"12 77L8J OH + HNO ^ H2O + NO 5,627-10-11

9L8J NO + H2 ^ HNO + H 2,406-10"18 78L8J OH + HNO ^ H2 + NO, 5,081-10-11

10L8J NO + NO ^ N2 + O2 1,001-10-32 79L8J OH + H2O2 ^ H2O + HO2 8,214-10-12

11L8J NO + NO ^ N2O + O 9,754-10"27 80L8J OH + NO ^ HO2 + N 1,16410-10

12L8J NO + NO + O2 ^ 2NO2 1,847-10"17 81L8J H + HNO ^ NH + NO 5,499-10-13

13L8J H + OH + N2 ^ H2O + n2 4Д05-10"19 82L8J N + HNO ^ N2O + H 3,788-10-12

14L8J H + OH + H2O ^ H2O + H2O 3,207-10"20 83L8J N + N2O ^ N2 + NO 7,767-10-12

15L8J H + O2 ^ HO2 1,155-10"39 84L8J N + NO2 ^ N2O + O 5,892-10-12

16L8J H + O2 + O2 ^ HO2 + O2 1,29-10"31 85L8J N + NO2 ^ 2NO 4,47-10-12

17L8J H + O2 + H2O ^ H2O + HO2 2,757-10"31 86L8J N + NO2 ^ N2 + O2 1,12310-12

18L8J H + O ^ OH + hv 2,82-10"21 87L8J N + NO2 ^ N2 + 2O 8,501-10-11

19L8J O+O ^ O2 +hv 3,55-10"21 88L8J N+OH^NO+H 2,043-10-11

20L8J O + O + N2 ^ O2 + n2 2,092-10"37 89L8J N + NO ^ N2 + O 5,303-10-11

21L8J O + O + H2O ^ O2 + H2O 1,382-10"31 90L8J O + NO2 + N2 ^ NO3 + N2 1,11610-33

22L8J O + O + O2 ^ O2 + O2 4,275-10"32 91L8J o+no2 ^ ono2 1,66-10-7

23L8J O + OH + O2 ^ HO2 + O2 6,035-10"32 92L8J O + NO + H2 ^ NO2 + H2 6,897-10-33

24L8J O + O2 ^ O3 9,296-10"14 93L8J O + NO + N2 ^ NO2 + N2 5,13510-32

25L8J O + O2 + N2 ^ O3 + n2 2,28-10"35 94L8J O + NO + O2 ^ NO, + O2 1,549-10-33

26L8J O + O + O2 ^ O3 + O2 4,684-10"35 95L8J OH + HNO2 ^ H2O + no2 1,66110-13

27L8J O + O2 + H2O ^ O3 + H2O 1,662-10"35 96L8J O + HNO3 ^ H2O + NO3 1,683-10-14

28L8J N + O2 ^ NO + O 2,594-10"10 97L8J H + H + Na ^ H2 + Na 3,986-10-31

29L8J N + O3 ^ NO + O2 7,57-10"10 98L8J H + OH + Na ^ H2O + Na 6,033-10-32

30L8J OH + HO2 ^ H2O + O2 1,001-10-11 99L8J Cl + HNO ^ HCl + NO 3,357-10-9

31L8J HO2 + H2 ^ H2O2 + H 1,639-10"16 100L8J Cl + Cl + Cl2 ^ Cl2 + Cl2 2,19-10-32

32L8J HO2 + N2 ^ HNO + NO 2,298-10"17 101L8J Cl + H2 ^ HCl + H 2,776-10-16

33L8J HO2 + H2O ^ H2O2 + O2 1,072-10"10 102L8J Cl + HCl ^ Cl2 + H 1,055-10-14

34L8J HO2 + H2O ^ H2O2 + OH 4,104-10"15 103L8J Cl + N2O ^ ClO + n2 1,72-10-11

35L8J NO2 + H2 ^ NO + H2O 1,666-10-17 104L8J Na + N2O ^ NaO + N2 6,703-10-11

36L8J NO2 + NO2 ^ NO3 + NO 1,09-10"15 105L8J Na + NO2 ^ NaO + NO 1,66110-13

37L8J NO2 + NO2 ^ 2NO + O3 2,547-10"14 106L8J Na + NO ^ NaNO 1,66110-07

38L8J NO2 + O3 ^ NO3 + O2 1,23110-12 107L8J Na + NO + N2 ^ NaNO + N2 5,502-10-36

39L8J NO2 + H2 ^ NO + H2O 1,666-10-17 108L8J Na + O2 ^ NaO2 2,756-10-6

40L8J NO2 + O3 ^ NO3 + O2 1,23110-12 109L8J Na + O2 + N2 ^ NaO2 + N2 1,12310-30

41L8J OH + H2 ^ H2O + H 5,668-10"12 110L8J Cl2 + O3 ^ ClO + ClO2 5,99-10-14

42L8J O3 + O3 ^ 3O2 6,525-10"14 111L8J Cl2 + N ^ NCl + Cl 6,029-10-11

43L8J N2 + O3 ^ O2 + O + N2 1,46110-12 112L8J Na + Cl2 ^ NaCl + Cl 3,31310-11

45

44[8] O2 + O3 ^ O + O2 + O2 1,287-10-12 113[8] Na + HCl ^ NaCl+H 1,001-10-11

45[8] O3 + O3 ^ O2 + O + O3 1,028-10-11 114[8] Na + H2O ^ продукт 1,924-10-11

46[8] H2O2 + H2 ^ OH + OH + H2 1,11610-12 115[8] Na + O + O ^ O2 + Na 1,001-10-29

47[8] H2O2 + N2 ^ OH + OH + n2 3,144-10-13 116[9] Na + H2O+ ^ Na++ H2O 1,910-9

48[8] H2O2 + H2O2 ^ OH + OH + H2O2 2,81110-12 117[10] H2O + e ^ H- +OH 5-10-11

49[8] O*2 + H ^ OH + O 1,001-10-09 118[10] H2O + e ^ OH- +H 1,310-11

50[8] O2 + O3 ^ 2O2 + O 2,456-10-15 119[10] O2 + O2 +e ^ O2- + O2 1,410-29

51[8] O2’ + O3 ^ 2O2 + O 7,003-10-13 120[10] O2 + H2O + e ^ O2- + H2O 1,410-29

_5219Г H2O++ N2 ^ N+ + H2O 2,19-10-32 121[10] H' + OH ^ H2O + e 110-9

139" N2+ + O2 ^O+ + n2 1,310-11 122[10] H- + H ^ H2 + e 1,310-9

Itf9" H2O++ H2 ^ H3O+ + H 3,4-10-9 123[10] H + O2 ^ HO2 +e 1,210-9

H2O++ H2O ^ H3O+ + OH 4,93-10-10 124[10] O + H2O ^ OH- + OH 1,310-9

H3O+ + 2H2O ^ H5O2+ + O2 1,710-33 125[10] O- + NO2 ^ NO2 + O + e 1,210-9

_57Т9Г H5O2 + + 2H2O ^ H7O3 + + O2 110-33 126[10] O- + H2 ^ OH- + H 310-11

58[9] O2 + + H2O + O2 ^ H2 O3+ + O2 2,9-10-28 127[10] O + O ^ O2 + e 2-10-10

59[9] O+ + H2O + N2 ^ H2O3++ n2 2,8-10-28 128[10] O- + NO ^ NO2 +e 2,5-10-10

60[8] NO + N2O ^ NO2 + N2 1,555 10-16 129[10] OH- + O ^ HO2 +e 1,810-9

61[8] NO + HNO ^ N2O + OH 4,227-10-16 130[10] OH- + H ^ H2O + e 1,410-9

62[8] NO + O3 ^ NO2 + O3 5,436-10-16 131[10] H- + Cl ^ HCl + e 110-9

63[8] NO + O2 + NO2 ^ NO3 + NO2 7,746-10-41 132[11] O2 +e ^ O +O 8-10-14

64[8] NO + O2 + H2O ^ 2HNO2 2,241-10-34 133[11] H2 +e ^ H- +H 5,110-14

65[8] NO2 + NO2 ^ NO3 + NO 1,09-10-15 134[11] N2 + e ^ N- +N 2,5-10-10

66[8] NO2 + NO2 ^ 2NO + O3 2,547-10-14 135[11] NO +e ^ O- +N 1,310-9

67[8] NO3 + NO ^ NO2 + NO2 1,254-10-13 136[12] H2O + e ^ H2O+ +e+e 1,50-10-9

68[8] NO3 + NO3 ^ 2NO2 + O2 4,408-10-13 137[9] Cl‘ + H ^ HCl + e 110-9

69[8] NO3 + N2 ^ NO2 + O + N2 2,412-10-12 138[12] Na+ + e + e ^ Na + e 110-10

с экспериментально полученными данными [15] (п ~ 2,51014см-3).

На рис. 1 представлены результаты расчетов для основных частиц. Как можно было предполагать, основными нейтральными частицами являются азот и кислород как для воздуха, так и для водяного пара. Однако если в первом случае стационарные концентрации N2 и O2 немного отличны (1,3-1017 и 5-1016 см-3 соответственно), то во втором они одинаковы. Расчеты показали высокую концентрацию озона в газовой фазе 5-1013 и 1-1013 см-3 для воздуха и водяного пара соответственно.

Как видно, для обоих случаев кривые имеют качественно аналогичный вид. Для молекул азота и кислорода кривые с минимумом, выходящие на стационарное значение через 0,025-0,03 с, по-видимому, связаны с установлением стационарного режима горения разряда. Сложный характер

зависимостей подтверждает и сложный механизм протекания реакций в зоне плазмы, а минимум на кривых и дальнейшее увеличение концентраций для исходных частиц можно объяснить образованием кислорода и азота из активных частиц - продуктов реакций на первых стадиях процесса.

Для всех частиц время выхода на стационарное значение составляет порядка 0,03 с. Следует отметить достаточно высокую концентрацию озона в газовой фазе: значение концентрации составляет 3-1014 см-3 (рис. 2). Этот результат становится понятным с учетом высокой концентрации атомарного кислорода в зоне плазмы (51015 см-3).

Наши расчеты показали относительно высокое содержание HO2 и OH частиц в газовой фазе (108 см-3), в то время как концентрация пероксида водорода составила всего 103-104 см-3. Было

46

“Г--I--1--(--1--1--1--1---1--1--r--1--1--1--r--1--Г--I—I---1

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

t, c

Г“1“1“ T--Г-1-1-Г “Г“1“Т“Т“Г“1 I I—1---1--1-1

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

(б) ’

Рис. 1. Кинетические расчетные кривые основных частиц: N2 (1), O2 (2), H2O (3), H2O2 (4), HO2 (5), OH (6), O3 (7) для воздуха (а) и водяного пара (б).

т-------1-----1------1-----1------1-----1------г

0,01 0,02 0,03 0,04

t, с

0,02 0,03

t, с

Рис. 2. Расчетные концентрации для атомов Na (1), Na* (2), Na+ (3) для воздуха (а) и водяного пара (б).

отмечено, что при расчетах для воздуха значения концентраций выше, чем для водяного пара. Присутствие таких частиц в больших концентрациях объясняет высокую окислительную активность плазмы тлеющего разряда атмосферного давления с электролитным катодом.

Расчеты также показали, что концентрация возбужденных атомов натрия в газовой фазе составляет около 1010 см-3, что вполне достаточно для появления в спектре резонансной линии атома натрия [16].

Из представленных данных ясно видно, что концентрация частиц выходит на стационарное значение уже через 0,03 с. Используя данные по линейной скорости потока из раствора [13], можно оценить размеры области со стационарной концентрацией компонентов. Так, если брать значение линейной скорости около 200 см/с, то получим l = v  t = 200-0,03 = 6 см. В наших экспериментах максимальная длина разрядного промежутка составляет 1 см. Следовательно, расчетный состав газовой фазы неравновесный.

После расчета для контроля электронейтральности были рассчитаны суммы положительных и

отрицательных частиц при трех значениях времени (0,005, 0,015 и 0,09 с) для водяного пара и воздуха соответственно. Как видно из данных табл. 2, условие электронейтральности плазмы соблюдается для расчетов и в воздухе, и в водяном паре.

Расчеты показали, что основным положительным ионом является H2O . Ранее [17] термодинамическими методами расчета было установлено, что основным положительным ионом является гидратированный ион водорода H+(H2O)2. Однако, исходя из предложенной системы уравнений, данный ион образуется лишь в одной реакции, чем и объясняется незначительное его присутствие в плазме (по нашим расчетам).

При сравнении полученных значений концентраций некоторых частиц с экспериментальными данными (из литературы) можно сделать вывод, что наш способ расчета состава газовой фазы в достаточной степени согласуется с реальными процессами, протекающими в зоне плазмы. Однако в дальнейшем перед нами стоит задача более корректного учета концентрации нейтральной компоненты плазмы, включая растворенное вещество.

47

Таблица 2. Баланс положительных и отрицательных частиц в зоне плазмы

Воздух Водяной пар

Время, с Время, с

0,005 0,015 0.09 0,005 0,015 0,09

H2O+ 1,06-1014 9,51  1014 1,72-1015 2,66-1014 9,67-1014 1,44-1015

HsO+ 2,63-10" 4,52-1012 1,72-1013 2,92-10" 3,971012 1,881013

HsO2+ 0,53-102 0,52-102 0,51-102 0,55102 0,51  102 0,50102

H2O3+ 1,31102 1,26-102 1,25-102 1,38102 1,27102 1,25-102

n2+ 1,72-10" 6,81-10" 6,82-10" 1,53-Ш11 5,29-10" 6,34Т0"

O2+ 1,011012 1,02-1012 1,02-1012 1,911012 1,11012 6,34Т0"

Na+ 1,211013 3,511013 3,51  1013 6,031013 5,75-1013 3,57-1013

H- 2,57-103 1,48-104 1,38104 1,14104 1,32104 1,32104

OH- 1,05-106 7,01-106 1,05-107 1,15105 7,27-106 7,76-106

O2- 1,62-105 2,08-105 2,16-105 1,79105 2,36-105 2,21 -105

O- 8,02-10" 4,05-1012 6,12-1012 5,25-Ш11 9,331012 8,911012

n2- 9,61-1012 1,011013 1,321013 2,29-1014 5,891014 7,57-1014

e 2,12-1012 2,12-1012 2,12-1012 1,73  1013 1,73-1013 1,731013

Cl- 8,72-1013 3,27-1014 4,131014 8,87-1013 4,09-1014 7,121014

Сумма + 1,19-1014 1,2-1014 5.13- 1014 5.13- 1014 7.29 -1014 7.29 -1014 3,29-1014 3,36-1014 1,03 -1015 1,02 -1015 1,50-1015 1,49 -1015

ВЫВОДЫ

Представленные результаты численного анализа состава газовой фазы вблизи жидкого электролитного катода показали, что основные химические процессы происходят в первые 30 мс после зажигания разряда. Используемый метод учитывает поток растворенного вещества из раствора под действием ионной бомбардировки. Основным положительным ионом является H2O . Высокая окислительная способность газового разряда объясняется достаточно высокой концентрацией таких окислительных частиц, как OH, HO2, H2O2, а также O и O3.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хлюстова А.В., Максимов А.И. Процессы переноса нейтральных и заряженных частиц из раствора в зону плазмы. Электронная обработка материалов. 2003, 39(1) 44-46.

2. Хлюстова А.В., Сироткин Н.А., Максимов А.И. Коэффициенты переноса катионов и анионов при неравновесном испарении растворов солей щелочноземельных металлов под действием тлеющего разряда. Химия высоких энергий. 2010, 44(1), 75-77.

3. Khlyustova A.V., Maksimov A.I., Sirotkin N.A. The Nonequilibrium Mass Transfer of Nonvolatile Solution Components under the Action of a Glow Discharge. Surf Eng Appl Electrochem. 2011, 47(2), 158-161.

4. Maximov A.V., Khlustova A.V. Optical Emission from Plasma Discharge in Electrochemical Systems Applied for Modification of Material Surfaces. Surf Coat Technol. 2007, 201, 8782-8788.

5. Titov V.A., Rybkin V.V., Maximov A.I. and H.-S. Choi. Characteristics of Atmospheric Pressure Air

Glow Discharge with Aqueous Electrolyte Cathode.

Plasma Chem Plasma P. 2005, 25(5), 503-518.

6. Andre P., Aubreton J., Barinov Yu., Elchinger M.F., Fauchais P., Faure G., Kaplan V., Lefort A., Rat V. and Shkol’nik S. Theoretical Study of Column of Discharge with Liquid Non-metallic (Tap-water) Electrodes in Air at Atmospheric Pressure. J Phys D: Appl Phys. 2002, 35, 1846-1854.

7. Баринов Ю.А., Каплан В.Б., Рождественский В.В., Школьник С.М. Определение концентрации электронов в разряде с жидкими неметаллическими электродами в воздухе при атмосферном давлении по поглощению зондирующего СВЧ излучения. Письма в ЖТФ. 1998, 24(23), 52-57.

8. Кондратьев В.Н. Константы скорости газофазных реакций. Справочник. М.: Наука, 1970. 352 с.

9. Вирин Л.И., Джагацпян Р.В., Карачевцев Г.В., Потапов В.К. Ионно-молекулярные реакции в газах. М.: Наука, 1979. 548 с.

10. Дубровин В.Ю., Максимов А.И. Влияние диссоциации на свойства плазмы паров воды. Химия высоких энергий. 1980, 14(1), 54-59.

11. Максимов А.И., Соколова Ю.А. Расчёты скоростей процессов в неравновесных системах. Процессы электронного возбуждения, ионизации и диссоциации. Иваново, ИХТИ, 1979. 76 с.

12. Mezei P., Cserfalvi T. Electrolyte cathode atmospheric glow discharges for direct solution analysis. Appl. Spec. Rev. 2007, 42(6) 573-604.

13. Хлюстова А.В., Максимов А.И., Сафиуллина Е.М. Резонансное излучение катодного слоя тлеющего разряда с электролитными катодами. ЭОМ. 2004, 40(4) 79-82.

14. Хаксли Д., Кромптон Р. Диффузия и дрейф электронов в газах. М.: Мир, 1977. 672 с.

15. Andre P., Barinov Yu., Faure G., Kaplan V., Lefort A., Shkol’nik S. and Vacher D. Experimental

48

Study of Discharge with Liquid Non-metallic (Tap-water) Electrodes in Air at Atmospheric Pressure.

JPhys D: Appl Phys. 2001, 34, 3456-3465.

16. Cserfalvi T., Mezei P. Investigations on the Element Dependency of Sputtering Process in the Electrolyte Cathode Atmospheric Discharge. J Anal At Spectrom. 2005, 20, 939-944.

17. Максимов А.И., Хлюстова А.В. Свойства катодной области низковольтных разрядов атмосферного давления с электролитными электродами.

Химия высоких энергий. 2009, 43(6), 562-565.

Поступила 13.07.12 После доработки 30.04.13 Summary

Results of the numerical analysis of gas phase composition in a system of a glow discharge with an electrolyte cathode are presented. The transfer of the dissolved substance from solution into gas phase has been taken into account. The obtained results show that the main positive ion is H2O+ and the concentration of the exited Na atoms in the plasma zone is enough for the resonance spectral line of an atom to appear.

Keywords: glow discharge, numerical simulation, gas phase composition.