Устройство для плазмохимической обработки жидкостей

Полезная модель относится к области плазмохимической обработки жидкостей, в частности, путем создания разряда одновременно в жидкости и газовой фазе на границе раздела двух сред, что позволяет реализовать интенсификацию процессов обмена вещества между жидкой и газовыми фазами, облегчить разряд в сильно проводящей жидкости и обрабатывать пенообразующую жидкость. Полезная модель может быть использована для решения различных прикладных задач: очистка воды, трансформация газов, получение наночастиц и т.д.
2
2
Известно, что воздействие импульсного высоковольтного разряда на воду обусловлено тем, образование плазмы в жидкости и приграничном с ней слое приводит к генерации ультрафиолетового излучения и возникновению в жидкости активных частиц таких как ОН, О, НО и др.
Для реализации различных эффектов и практического их применения известны и конструкции, в которых реализуется плазменно-жидкостное взаимодействие. Известные технические решения условно можно разделить на три типа: разряд непосредственно в жидкости, разряд над поверхностью жидкости, включая случай, когда жидкость является электродом, и разряды в многофазных системах (в пузырьках и струях газа в жидкости, аэрозолях, пенообразующих жидкостях и др.) [1, 2, 3, 4, 5].
К аналогу предложенного технического решения можно отнести устройство [US 6558638, В2, B01D 17/02, 03.14.1998], содержащее высоковольтное электрическое разрядное устройство с разнесенными первым и вторым электродами, имеющими средства управления подачей электропитания, предназначенное для подачи серии импульсов высокого напряжения на первый и второй электроды для создания электрического разряда, а также средство подачи пузырьков газа в жидкость в зоне электрического разряда.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности.
Известно также устройство [RU 108440, U1, C02F 3/00, 20.09.2011], характеризующееся тем, что содержит рабочую камеру, систему прокачки жидкости, систему подачи газа к устройству и многоэлектродное разрядное устройство с инжекцией газа в межэлектродное пространство. При этом, рабочая камера выполнена в виде диэлектрической цилиндрической трубы для прокачки жидкости, электроды разрядного устройства установлены на внутренней поверхности трубы по кольцу с одинаковым зазором между ними, причем, поверхность электродов покрыта электроизоляционным материалом, между «рабочими» поверхностями электродов имеются отверстия для поступления газа в полость и в межтрубное пространство, а система подачи высоковольтного напряжения и газа к разряднику расположена вне рабочей камеры.
Недостатком этого устройства является относительно большая сложность и относительно узкие функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [RU 64927, U1, B01D 17/02, 27.07.2007], содержащее камеру с патрубками для прокачки воды, разрядное устройство, размещенное в воде, заполняющей часть камеры, объем с газом, сообщенный, с одной стороны, с резервуаром с газом, а с другой стороны, посредством газопровода с насосом и вентилем с пространством над водой, при этом в качестве газа используется горючая смесь углеводородов с воздухом или кислородом.
Недостатком этого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие, в частности, при работе с пенообразующими жидкостями уменьшить нежелательное, часто мощное, пенообразование, что в ряде случаев является крайне нежелательным фактором. Отсутствие устройств, в которых этот фактор устранен, сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы для биологической и плазмохимической обработки жидкостей.
Задачей, которая решается в полезной модели, является создание устройства для плазмохимической обработки жидкостей с целью расширения арсенала технических средств, которые могут быть использованы для плазмохимической обработки жидкостей и обладающие более широкими функциональными возможностями, в частности, интенсификацией процессов обмена веществ между жидкой и газовыми фазами, облегчением электрического пробоя в сильно проводящей жидкости и снижении пенообразования.
Требуемый технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для плазмохимической обработки жидкостей, и обеспечение на этой основе более широких функциональных возможностей, в частности, интенсификацией процессов обмена веществ между жидкой и газовыми фазами, облегчением электрического пробоя в сильно проводящей жидкости и снижении пенообразования.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройстве, представляющем собой камеру, выполненную с возможностью заполнения части ее жидкостью, закрепленную в камере трубку из диэлектрического материала, выполненную с возможностью подачи в нее газа через патрубок подачи газа и оснащенную разрядным устройством, выполненным в виде охватывающих трубку цилиндрических кольцевых электродов, боковая поверхность которых покрыта изолирующим материалом, при этом, в трубке в межэлектродном пространстве выполнены отверстия с возможностью подачи в жидкость из полости трубки пузырьков газа, согласно полезной модели, трубка из диэлектрического материала закреплена вертикально и выполнена с глухим верхним концом, который возвышается над поверхностью жидкости и снабжен цилиндрическим кольцевым электродом, боковая поверхность которого покрыта изолирующим материалом, причем, в верхнем конце трубки, возвышающимся над поверхностью жидкости, выполнено отверстие с возможностью подачи из полости трубки газа в пространство над поверхностью жидкости.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - устройство для плазмохимической обработки жидкостей;
на фиг. 2 - фото разряда над поверхностью жидкости;
на фиг. 3 - осциллограммы;
на фиг. 4 - иллюстрация процесса пеноподавления.
Устройство для плазмохимической обработки жидкостей (фиг. 1) представляет собой камеру 1, выполненную с возможностью заполнения части ее жидкостью 2, и закрепленную в камере 1 трубку 3 из диэлектрического материала, выполненную с возможностью подачи в нее газа через патрубок 4 подачи газа и оснащенную разрядным устройством, выполненным в виде охватывающих трубку цилиндрических кольцевых электродов 5, боковая поверхность которых покрыта изолирующим материалом 6. Число цилиндрических кольцевых электродов 5 в частном случае равно пяти, четыре из которых 5 находятся в контакте с жидкостью, а пятый, установленный в верхнем конце трубки 3, находится непосредственно над поверхностью жидкости, таким образом, что разрядный промежуток 9 и ближайший к нему разрядный промежуток, находящийся в воде, расположены вблизи границы раздела двух сред.
Кроме того, трубка 3 из диэлектрического материала закреплена вертикально и выполнена с глухим верхним концом 7, который возвышается над поверхностью жидкости 2 и снабжен цилиндрическим кольцевым электродом 8, боковая поверхность которого покрыта изолирующим материалом, причем, в верхнем конце трубки, возвышающимся над поверхностью жидкости, выполнено отверстие с возможностью подачи из полости трубки 3 газа в пространство над поверхностью жидкости 2, а в межэлектродном пространстве между цилиндрическим кольцевыми электродами 8, находящимися в жидкости, выполнены отверстия 6 с возможностью подачи в жидкость 2 из полости трубки 3 пузырьков газа.
т
o
3
Особенностью конструкции предложенного устройства в частном случае его выполнения является то, что диэлектрическая трубка 3 выполнена диаметром d~12 мм из фторопласта, цилиндрические кольцевые электроды 5 выполнены из нержавеющей стали, но могут быть использованы и другие металлы, например, титан или медь. Число кольцевых электродов 5 равно пяти с образованием четырех разрядных промежутков. Сами кольцевые электроды 5 установлены с одинаковым зазором 1,5 мм. В стенках трубки 3 в межэлектродном пространстве имеются отверстия диаметром d~0,8 мм. Камера 1 выполнена из изоляционного материала, в частном случае, объемом V=250 см и частично заполнена жидкостью. Для инжектирования в межэлектродное пространство могут быть использованы различные газы с расходом, в частном случае, ≤2 л/мин.
Используется устройство для плазмохимической обработки жидкостей следующим образом.
3
17
-3
В камеру 1 заливается жидкость таким образом, чтобы, по крайней мере, один из разрядных промежутков располагался над поверхностью жидкости. Напряжение подается к двум крайним цилиндрическим кольцевым электродам 5. Разряд формируется с помощью высоковольтного импульсно-периодического источника питания с энергией накопительного конденсатора Е≤1,6 Дж, частотой следования импульса f≤100 Гц; током Imax≤300 А, и напряжением Umax≤20 кВ. В пузырьках газа, инжектируемых в межэлектродное пространство, создается электрический разряд. Разряд в воде и газе представляет собой совокупность микроплазменных образований с удельным энерговладом ~1 кДж/см и концентрацией электронов ~10 см.
Разряд, изображенный на фиг. 2, представляет собой стоп кадр, полученный в режиме видеосъемки с частотой 24 кадра/сек.
В жидкости реализуется плазмохимическая реакция и связанные с ней процессы генерации ультрафиолетового излучения, формирования акустических волн и кавитация. Обмену формируемых активных частиц в жидкости и в газовой среде над ней способствует борботация и гидродинамические эффекты, происходящие при разряде в жидкой фазе на границе раздела газ-жидкость.
Наличие разрядного промежутка в газовой фазе позволяет обострить импульс напряжения, приложенного к разрядным промежуткам, находящимся в жидкости. За счет этого предпробойная стадия существенно уменьшается и основная энергия вкладывается в канальную стадию, что позволяет генерировать разряд в жидкости в широком интервале проводимости.
3
Это иллюстрируется на осциллограммах на фиг. 3, где 10 - интервал времени предпробойной, коронной стадии, 11 - время существования канальной стадии искрового разряда. На левом графике фиг. 3 цилиндрические кольцевые электроды 8 располагаются целиком в жидкости (при эксперименте в воде). Как следует из осциллограммы, разряд формируется с большой задержкой. Это связанно с тем, что при подаче высокого напряжения в проводящей жидкости σ=10 мкСм/см на предпробойной стадии ток протекает через жидкость и к моменту достижения пробойного напряжения основная энергия накопительного конденсатора тратится на нагрев жидкости. На правом графике на фиг. 3 верхний разрядный промежуток располагается над поверхностью жидкости. В этом случае предпробойная стадия существенно уменьшается, что связано с тем, что на разрядные промежутки, находящиеся в жидкости, высоковольтное напряжение прикладывается после того, как пробьется воздушный промежуток. К этому моменту, приложенное к жидкости напряжение, достигает значение выше пробойного.
При обработке пенообразующей жидкости обильное выделение пены приводит к выносу жидкости из зоны воздействия разряда, а в некоторых случаях и к гашению разряда. Наличие разрядного промежутка в газовой фазе (над жидкостью) приводят к генерации слабой ударной волны в газе, что приводит к разрушению (сдуванию) пены. В результате обеспечивается ярко выраженный пеноподавляющий эффект, это позволяет обрабатывать пенообразующую жидкость. Это подтверждается фотографиями на фиг. 4, где на левом изображении фиг. 4 наблюдается интенсивное пенообразование, когда разрядное устройство целиком погружено в жидкость, и на правом изображении на фиг. 4, где обеспечивается пеноподавление за счет использования предложенных усовершенствований устройства.
Таким образом, в предложенном устройстве достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для плазмохимической обработки жидкостей и обеспечении на этой основе более широких функциональных возможностей, в частности, интенсификацией процессов обмена веществ между жидкой и газовыми фазами, облегчением электрического пробоя в сильно проводящей жидкости и обеспечении пеноподавления.
Источники информации
[1] Bruggeman P.J., Kushner M.J., Locke B.R. et al. Plasma-liquid interactions: a review and roadmap.Plasma Sources Sci, 2016, Technol. 25, pp. 1-59.
[2] Лебедев Ю.А. Микроволновые разряды в жидких диэлектриках // Физика плазмы 2017, т. 43, №6, с. 685-695
[3] Yu. S. Akishev, М.Е. Grushin, V.B. Karal'nik, A.E. Monich, M.V. Pan'kin, N.I. Trushkin, Generation of a Nonequlibrium Plasma in Heterophase Atmospheric-Pressure Gas-Liquid Media and Demonstration of Its Sterilization Ability. Plasma Physics Reports, 2006, Vol. 32, No. 12, pp. 1052-1061. Original Russian Text published in Fizika Plazmy, 2006, Vol. 32, No. 12, pp. 1142-1152.
[4] Yuri Akishev, Michail Grushin, Vladimir Karalnik, Nickolay Trushkin. Atmospheric-pressure, nonthermal plasma sterilization of microorganisms in liquids and on surfaces. Pure Appl. Chem, Vol. 80, No. 9, pp. 1953-1969, 2008.
[5] Anpilov A.M., Barkhudarov E.M., Bark Y.B. et al. Electric discharge in water as a source of UV radiation, ozone and hydrogen peroxide, Journal of Physics D, 2001, vol. 34, no. 6, pp. 993-999.