Электроактивационные нанотехнологии

Известно, что под действием внешних факторов (γ-излучение, электрическое поле и др.) на физической стадии процесса за время 10^–16…10^–11 с происходит ионизация молекулы воды. Энергия ионизации около 14 эВ. За время 10^–13…10^–9 с, на физической стадии, происходят диссоциация молекулы или иона, внутренние превращения в молекуле или ионе, ионно-молекулярные реакции и перенос заряда. После этих двух стадий образуются свободно радикальные продукты e^–, H⁺, OH^–. Далее на химической стадии за время 10^–10…10^–7 с происходят реакции между радикалами и реакции радикалов с растворенными веществами. В конце процесса радиолиза из воды образуется комплекс химических элементов и частиц

H₂O → e^–, H, OH, H₂ , H₂O₂, H⁺, OH^–,

В малых количествах образуется также атомарный кислород. Известно также, что в воде всегда содержится молекулярный кислород в количестве 2…5 %. В конечном итоге в воде образуется среда с высоким содержанием e, H₂, H⁺ (протон), ¹⁶O.

Особенность процесса радиолиза состоит в изменении структуры жидкости и образовании ионных кластеров [4]. Гидратированный электрон является ионным кластером типа X_nX_m , где n – число молекул в кластере, m – число молекул в ближайших слоях. Для e^–_, n = 2, 3, 4, 6, 8, а m может достигать достаточно больших значений. Образование кластеров означает, что в воде образуются симметричные структуры, содержащие 2, 3, 4 (тетраэдр), 6 (октаэдр), 8 (куб) близко расположенных молекул воды.

В технологии очистки сточных вод также нашел большое применение электроактивационный метод с использованием электроактиватора. Они предназначены для электроактивационной очистки производственных сточных и других вод от тяжелых металлов, солей двухвалентного железа, нитритов, сульфитов, сульфидов.

Эксперименты по очистке воды нанотехнологией с использованием электроактивационного метода и последующий анализ качества очищенной воды показывают, что бактерицидное действие электрического поля в воде проявляется отчётливо уже при энергии 1,63 эВ, то есть при энергии 2,61 10^-19 Дж. При более высоких энергиях электрического поля бактерицидное действие проявляется во всём генерируемом диапазоне электрической энергии. Электрическое поле эффективно разрушает всех бактерий, вирусов и других видов микроорганизмов, присутствующих в природных и сточных водах. Для достижения необходимого обеззараживания воды электрическим полем требуется несколько секунды, тогда как при обработке хлором и озоном тратится от 15 до 30 минут. Эффект обеззараживания воды достигается при малых энергиях электрического поля, но кроме обеззараживания важно добиться электронно-химической трансформации многих загрязняющих веществ. Принцип электроактивационной очистки воды от загрязняющих её примесей состоит в том, что под действием электронов, обладающих достаточной энергией, происходит радиолиз воды по схеме:

где “.OH” - гидроксильный радикал, который является сильнейшим окислителем. Далее:

где e^- - электрон в сольватной оболочке, который с высокой эффективностью восстанавливает окислы. При прохождении электрического тока через очищаемую воду основным очищающим эффектом является результат воздействия активных агентов, т.е. гидроксильного радикала и электрона в сольватной оболочке, на примеси. В воде, например, могут протекать реакции восстановления и окисления:

В результате восстановленные металлы выпадают в осадок, а газообразные соединения улетучиваются из воды. Те активные химические реагенты, которые образуются в воде при радиолизе, воздействуют на микроорганизмы и бактерии, уничтожают их, т.е. происходит стерилизация очищаемой воды. Установлено, что при этом не образуются новые токсичные вещества.

Основной элемент электроактиватора - набор плоскопараллельных железных пластин (анодов и катодов). В зависимости от объёма очищаемой воды, может быть один или несколько блоков электроактиваторов. Удельные затраты электроэнергии могут быть снижены за счёт оптимизации размеров электродов и расстояния между ними, а также плотности тока в зависимости от степени загрязнения раствора.

В основе метода лежит процесс анодного растворения металлов под действием проходящего через жидкость электрического тока. Перешедшие в воду катионы металла (алюминия, железа и др.) гидролизуются с образованием гидроксидов металлов и служат активными коагулянтами для коллоидно-дисперсных примесей. В результате взаимодействия частиц примесей с частицами электрогенерированного коагулянта образуются агрегаты частиц, которые в зависимости от плотности тока выпадают в осадок или всплывают на поверхность жидкости в виде пены.

При электроактивации водных растворов большую роль играет материал анода. Мы разработали и изготовили электроактиваторы с железными и алюминиевыми анодами. Эксперименты показали более высокую эффективность железных электродов. После электроактивационной очистки воды образуются осадки, состоящие из гидроксидов металлов преимущественно железа.

Перед нами стоит задача разработки технологии формирования анодов для их использования в электроактивационных устройствах и выявления влияния различных примесей, добавок на электрические свойства активной массы.

Таким образом, электроактивационная очистка сточных и других вод дает возможность не только снизить количество примесей, но и утилизировать продукты очистки в промышленности. Тем самым достигается экологический и социальный эффект. Предлагаемая нанотехнология с использованием электроактивационного метода является новым подходом в технологии селективного получения нанопорошков.

Из продуктов распада возможен также процесс синтеза веществ.

Синтез может начинаться с протона, электрона и водорода, которые возникают в результате радиолиза воды. При большом количестве протонов и электронов может идти реакция образования нейтронов:

p + e^– → n + ν.

Образование дейтерия может происходить из водорода по реакции

¹H + ¹H → ²H + e⁺ + ν + 0,42 МэВ,

либо из протонов и нейтронов по реакции

p + n → ²H + γ.

Далее возможны реакции:

²H + ²H → ³He + n;

²H + ²H → ³H + p;

³He + n → ³H + p.

Дейтерий и тритий могут образовывать воду. Неустойчивый изотоп ³H имеет большой период полураспада (12 лет), поэтому в дальнейших быстротекущих реакциях его можно считать устойчивым

³H + p → ⁴He + γ;

³H + ²H → ⁴He + n.

После этих реакций возможен и другой путь образования гелия:

²H + ¹H → ³He + 5,49 МэВ;

³He + ³He → ⁴He + 2¹H + 12,86 МэВ.

Далее из гелия может образовываться литий:

³He + ⁴He → ⁷Be + 1,58 МэВ;

⁷ Be + e^– → ⁷Li + ν + 0,06 МэВ.

Все эти реакции идут с выделением энергии.