Elektrolitkatódos atmoszférikus nyomású ködfény kisülés (ELCAD)
Kapcsolattartó: Mezei Pál
Az ipari és vegyi gyárak, a toxikus, nehézfémekkel (Zn,Cd,Cu,Ni,Pb) terhelt ipari vizeiket illegálisan, az ellenőrző laborok üzemidején kívül, tehát éjjel, munkaszüneti napokon, közvetlenül a városi csatornahálózatba ürítik. Így lehetetlenné teszik a biológiai tisztítást, a toxikus nehézfémtartalmú iszapot ráadásul a veszélyes hulladéktárolóba kell elhelyezni, ami rendkívül költséges, továbbá a toxikus nehézfémtartalmú szennyvíz a természetes vizekbe kerül. Megoldás, a csatornahálózatbeli, nyers, kezeletlen szennyvizek nehézfém tartalmának helyszíni, állandó, automatikus monitorszerű mérése.
Erre a célra a jól ismert laboratóriumi mérőkészülékek nem használhatóak, mert ezekbe a nyers, kezeletlen szennyvíz közvetlenül nem vezethető be, a helyszíni, felügyelet nélküli, folytonos mérések végzésére ezek a berendezések nem használhatóak.
Ma erre az egyedül alkalmas módszer az elektrolitkatódos, atmoszférikus nyomású ködfénykisülés (Electrolyte Cathode Atmospheric glow Discharge=ELCAD), amelyben a szennyvíz a katód. A kisülés által kibocsátott színkép tartalmazza a szennyvízben feloldott nehézfémek atomi vonalait, ezek intenzitását mérve a nehézfémek koncentrációja meghatározható. Az ELCAD készülék a helyszínre telepíthető, ott automatikusan, monitorként működik.
Az ELCAD-ot az Aqua-Concorde Kft nemzetközi szabadalmakkal védte le, több működő prototípust készített: Főv.Csat.Művek (1994-1996); W.R.Grace Co. Washington Research Center, Columbia MD, USA (2 db:1994, 1996); YOUIL Environmental Center Szöul, Korea (2000) részére.
Az ELCAD alapkutatásai az OTKA segítségével, az MTA SZFKI Lézerfizikai Osztályán folynak. Ennek fő célja a kisülés működési mechanizmusának megértése, a kisülés emittált spektrumában megjelenő, az oldatban feloldott fémek atomi vonalainak intenzitását meghatározó folyamatok megismerése.
Ehhez vizsgáltuk az elektrolitkatódból történő szekunderelektronok kilépését, a katódos áramsűrűség nyomásfüggését, az emittált atomi fémvonalak és a háttér intenzitását a nyomás, az oldat pH és a kisülési áram függvényében, a gáz és elektronhőmérsekletek kisülés tengelye menti eloszlásait, a katódesést a nyomás és a katódos áramsűrűség függvényében, a katód sötéttér hosszát az áramsűrűség függvényében.
A katódporlás mechanizmusának tanulmányozásához 533 nm hullámhosszon működő (Nd:YAG első felharmonikus) lézerrel megvilágítottuk az ELCAD plazmát és a megvilágításra merőleges irányban a szórt fényt mértük CCD kamerával, különböző exponálási idők mellett. Így meg tudtuk figyelni, hogy az elektrolitkatódot vízmolekula-klaszterek hagyják el. Az elporlasztott víz tömegét a kisülési áram és az áramsűrűség függvényében vizsgáltuk.
Normális típusú ELCAD esetében, 80 mA kisülési áram, 0,5 A/cm2 katódos áramsűrűség mellett a katódporlás mértéke kb. 150 mg/perc. Az elporlasztott víz tömege a kisülési árammal csökkent. Megfigyeltünk egy 20-40 mA értékű áramküszöböt is. Ennél kisebb áramokra a katódporlás leáll, a kisülés azonban továbbra is működik. Ez arra utal, hogy az elektronok még ilyen kis áramoknál is képesek kilépni az oldatkatódból. Ez az áramküszöb egyezik azzal, amit az emittált atomi fémvonalak intenzitásánál már korábban megfigyeltünk.
Abnormális (kapilláris) típusú ELCAD esetében, 80 mA kisülési áram, 3,7 A/cm2 katódos áramsűrűség mellett a katódporlás mértéke 1500 mg/perc. Ugyanekkora kisülési áram és áramsűrűség esetén, egy rézkatód porlásának mértéke csak 0,5 mg/perc. Ez az adat is alátámasztja, hogy a normális és az abnormális ELCAD plazma telített vízgőzben működik.
Az elektrolitkatódú gázkisülés működési elve
Az ELCAD monitor rendszer
Nd:YAG 533 nm lézerfény szóródása az ELCAD plazmán
Pályázatok:
OTKA K 68390 . Atomizációs folyamatok vizsgálata elektrolitkatódos atmoszférikus nyomású ködfény kisülésben (témavezető: Mezei Pál)
Közlemények:
Mezei P, Cserfalvi T, Hartmann P, Bencs L: The effect of OH radicals on Cr-I spectral lines emitted by DC glow discharges Spectrochimica Acta B 65, 218-224 (2010).
