Изучение влияния транспорта реакционной среды на динамику распространения химических волн с использованием 1Н ЯМР томографии

• Автор: Живонитко, Владимир Валерьевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 126 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ХИМИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ, МАССОПЕРЕНОС И ЯМР ТОМОГРАФИЯ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Химические волны.

1.1.1 Общие сведения о химических волнах и активных средах.

1.1.2. Математическое описание активных сред

1.1.3 Математическое описание бистабильных сред.

1.1.4 Бистабильные химические среды.

1.1.5 Реакция БелоусоваЖаботинского БЖ. Возбудимые и автоколебательные среды.

1.2 Химические волны и недиффузионный транспорт вещества

1.2.1 Свободная конвекция и химические волны

1.2.2 Вынужденная конвекция и химические волны

1.3 н ЯМР ТОМОГРАФИЯ КАК ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ВОЛН.
1.3.1 Основы метода.
1.3.2 Использование метода МРТ для изучения химических волн.
Заключение
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Материалы и реактивы
2.2 Приборы и оборудование
2.3 Реакционные растворы
2.3.1 Система СоПЕОТАН2.
2.3.2 Система БеПазотная кислота.
2.3.3 Хлориттиосульфатная система
2.4 Методики экспериментов
2.4.1 Фильтрация реакционного раствора через неподвижный зернистый слой
2.4.2 Вьшуосденая конвекция реакционного раствора в тонком капилляре.
2.4.3 Измерение температуры при распространении химической волны хлориттиосульфатной реакции.
2.4.5 Измерение скорости свободной конвекции при распространении химической волны хлориттиосульфатной реакции методом МРТ
2.5 Численные расчеты.
2.5.1 Двумерная модель реакциядиффузияконвекция.
2.5.2 Система уравнений тепломассопереноса в реакционной среде
ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Фильтрация реакционной среды через неподвижный зернистый слой.
5.1.1 Система III.
3.1.2 Система IIазотная кислота.
3.1.3 Модель распространения химических волн в текущей среде.
3.1.4 Неподвижные химические волны в бистабильных активных средах. Хлорит
тиосульфат система
Заключение
3.2 Вынужденная конвекция химической волны РеПазотная кислота и конвекционная неустойчивость системы.
3.2.1 Плюйте вынужденной конвекции на распространение фронта
азотная кислота в капилляре
3.2.2 Теоретический анализ колебаний скорости фронта IIазотная кислота в
капилляре.
Заключение
3.3 Изучение недиффузионного тепломассопереноса при распространении химической волны с использованием МРТ.
3.3.1 Измерение температуры при распространении конвекционнонеустойчивого фронта экзотермической реакции.
3.3.2 Измерение скорости конвекции при распространении конвекционно
неустойчивого фронта химической волны
Заключение
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


В двумерном или трехмерном случае в такой среде возникают сложные структуры, спиральные и крутящиеся волны двумерная поверхность, которая крутится вокруг определенной оси, называемой волновой нитыо . Автоколебательный элемент не имеет стационарных состояний и постоянно совершает устойчивые колебания определенной формы, амплитуды и частоты. Внешнее воздействие способно возмутить эти колебания. По прошествии некоторого времени релаксации, все их характеристики частота, амплитуда и т. В итоге, в среде из таких элементов распространяются фазовые волны кинематические или псевдоволны. Фазовые волны обладают высокой скоростью движения и слабо подвержены влиянию диффузии, т. Существование фазовой волны обусловлено наличием градиента фазы колебаний. Таким образом, автоколебательная реакционная среда, представляющая собой раствор определенного состава при данной температуре, осциллирующая с определенной частотой, но колебания фазы являются функцией пространственных координат, ведет себя как рекламный щит с бегающими огнями. Скорость таких волн определяется концентрацией фазовых градиентов, поэтому может быть настроена до практически любого значения. Фазовые волны и волновые последовательности см. Распространение химических волн в бистабильных и возбудимых средах связано с диффузионным транспортом вещества или энергии, благодаря которому возбуждение может передаваться от одного элемента среды к другому. Такие волны обычно называют триггерными . Они распространяютсясо скоростью, определяемой кинетикой химической реакции и диффузионными характеристиками частиц. Поэтому в среде данного состава триггерные волны имеют определенную скорость и не могут пересекать физические барьеры, находящиеся в среде. Первое полуколичественное описание триггерных волн было сделано Филдом и Нойесом для реакции БЖ ,. Химические волны обладают многими особенностями, делающими их резко отличными от волн в консервативных системах они не сохраняют энергию, не удовлетворяют принципу суперпозиции, зато сохраняют форму и амплитуду Для них нет эффектов интерференции и отражения в обычном виде, связанных с принципом суперпозиции. Хотя в некоторых случаях возможны эффекты, похожие на отражение и аннигиляцию солитонов . Пожалуй, единственное свойство, объединяющее химические волны с линейными волнами это принцип Гюйгенса, позволяющий говорить также о дифракции химических воли. Стоит отметить, что распространение автоволн встречается при описании различных процессов в физических , химических ,, биологических 2,3 и геофизических системах 4,5. Все эти процессы объединяют понятием авто волнового процесса , повидимому, благодаря тому, что при теоретическом описании такого рода явлений используется один и тот же класс кинетических уравнений типа реакциядиффузия уравнение 1, учитывающих перенос компонентов среды и их взаимодействие. Можно выделить несколько наиболее бурно исследуемых физикохимических направлений изучения , которые можно классифицировать по свойствам активных сред для того или иного АВП автоволновые процессы в гомогенных и в гетерогенных средах. Яркий пример распространения автоволн в гетерогенных системах это волны окисления монооксида углерода на поверхности кристаллов платины, возникающие при низких давлениях газов . В частности за открытие этого явления в Герхарду Эртлю была присуждена Нобелевская премия в области химии . Распространение тепловых волн в неподвижном слое катализатора другой пример АВП в активных гетерогенных системах ,,. В этом случае, среда представляет собой пористую среду, к примеру, неподвижный слой из зерен катализатора, через который фильтруется реакционная смесь, а на поверхности зернистого слоя протекает экзотермическая реакция. История развития теории АВП в неподвижном слое катализатора сравнительно коротка. Впервые оно было описано Д. А. ФранкКаменским в г. Классификация по количеству агрегатных состоянии в активной среде. Сама активная среда, характеризующаяся распространением автоволн, в принципе является гетерогенной системой, т. Гранина раздела фронт волны, на которой происходит скачек макроскопических параметров системы.