Приборы и техника эксперимента, 2019, № 4, стр. 109-113

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

С. В. Коротков a*, М. Ю. Андрианова b, А. К. Козлов a, Д. А. Коротков a, Г. Л. Спичкин c

a Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
194021 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26, Россия

b Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
195251 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, Россия

c ООО “НПО “Фитотехнология”
195220 Санкт-Петербург, ул. Гжатская, 27 литер А, Россия

* E-mail: korotkov@mail.ioffe.ru

Поступила в редакцию 30.11.2018
После доработки 12.12.2018
Принята к публикации 20.12.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Рассмотрено высоковольтное устройство, предназначенное для генерации низкотемпературной плазмы в воде, насыщенной пузырьками воздуха. Оно содержит разрядную камеру и генератор импульсов напряжения с амплитудой ~30 кВ и фронтом нарастания ~5 мкс, способный на частоте в сотни герц формировать искровые разряды с энергией ~1 Дж. Описаны электрическая схема генератора разрядов в воде, обеспечивающая его высокую эффективность, и конструкция разрядной камеры, позволяющая формировать параллельные потоки воздуха через заполненный водой межэлектродный промежуток. Приведены результаты исследований электроразрядных процессов и результаты химического анализа проб воды, обогащенной продуктами плазмохимических реакций. Показана возможность ускоренного развития растений при поливе водой, прошедшей плазменную обработку.

Электроразрядная обработка воды в течение более 40 лет используется для ее обеззараживания [1–4 и др.]. В последние годы в России и за рубежом были проведены исследования [5–8 и др.], показывающие, что вода, прошедшая обработку низкотемпературной газоразрядной плазмой, может быть использована также и для ускорения роста растений. В описанных экспериментах продукты плазмохимических реакций создавались коронными или барьерными разрядами в атмосферном воздухе, а затем вводились в воду. Такая технология представляется технически сложной и недостаточно производительной из-за сравнительно малой мощности разрядов такого типа. Можно предположить, что более эффективными будут мощные искровые разряды, созданные непосредственно в водно-воздушной среде.

В данной статье приведены результаты исследования процессов обогащения воды продуктами плазмохимических реакций, генерируемыми непосредственно в воде путем создания мощных искровых разрядов в пузырьковых кластерах, образованных потоками воздуха.

Для проведения экспериментов применялась разрядная камера объемом ~1 л (рис. 1).

Рис. 1.

Эскиз разрядной камеры. 1 – стенки из оргстекла; 2 – пузырьки воздуха; 3 – высоковольтный электрод; 4 – вода; 5 – трубчатые заземленные электроды; 6 – заземленный электрод в виде диска; 7 – патрубок.

Камера заполнялась водопроводной водой 4. Прозрачные стенки 1 из оргстекла позволяли наблюдать развитие разрядов. Импульсы высокого напряжения прикладывались к расположенным в воде электродам 3 и 5. Высоковольтный электрод 3 был изготовлен из молибдена в виде диска ∅24 мм. Заземленный электрод был выполнен из нержавеющей стали. Он состоял из диска 6 и шести тонкостенных трубочек 5 с наружным диаметром 3 мм, которые были равномерно распределены по периметру диска 6.

Атмосферный воздух пропускался под давлением через патрубок 7 и вводился в воду через трубочки 5. При этом в воде формировались потоки пузырьков воздуха 2. Расход воздуха мог варьироваться и выбирался таким образом, чтобы пузырьки были отделены друг от друга прослойками воды. Образующиеся пузырьковые кластеры пробивались при приложении импульса высокого напряжения. В результате в межэлектродном промежутке развивались искровые разряды.

В экспериментах разряды формировались с частотой до 500 Гц. При этом в камере визуально наблюдалось свечение между трубчатыми электродами 5 и электродом 6 с примерно одинаковой интенсивностью (см. рис. 2), что свидетельствует о равномерном вкладе энергии в разряд в каждом кластере. Обработанная разрядами вода активно перемешивалась в камере при воздействии ударных волн, обусловленных вводом энергии в каналы искровых разрядов.

Рис. 2.

Фотография разрядов в разрядной камере.

Формирование электрических разрядов осуществлялось с помощью высоковольтного транзисторного генератора (размер 450 × 750 × 270 мм), который был разработан на основе [9], но имел более высокий к.п.д. благодаря оптимизации выходной цепи и рекуперации энергии, остающейся в цепи транзисторов при изменении электрических характеристик разрядной камеры. Электрическая схема генератора приведена на рис. 3.

Рис. 3.

Электрическая схема генератора импульсов высокого напряжения. РК – разрядная камера, Р – реле ESB24-22; T1 – IRGPS50B120RL (2 параллельно), T2 – IRGPS50B120RL (6 параллельно); D1 – KBPS1010, D2 – KBPS3506, D3, D5, D6 – 80APF12, D4 – 80APF12 (2 параллельно), D7 – HER508 (50 последовательно), D8 – 80APS12 (40 последовательно); Тр1 – феррит N87фирмы Epcos, К41.8 × 26.2 × 25 мм, w1 = 7, w2 = 70, Тр2 – сплав 9КСР, К180 × 60 × 40 мм, w1 = 1, w2 = 60.

Генератор работает следующим образом. В исходном состоянии накопительный конденсатор С2 разряжен через резистор R4 и исходно замкнутые контакты 2Р реле Р. После приложения сетевого напряжения ~220 В осуществляется зарядка С2 через резисторы R2, R3 (R2 и R3R4), которые ограничивают зарядный ток на уровне, безопасном для диодов выпрямителя D2. С помощью R1C1-цепи обеспечивается задержка срабатывания реле Р, время которой превышает время зарядки С2 до рабочего напряжения (~300 В). При включении реле Р происходит размыкание контактов 2Р и замыкание контактов 1Р, 4Р. В результате в рабочем режиме исключаются потери энергии в резисторах R2R4.

При включении блока транзисторов Т1 осуществляется импульсная зарядка конденсатора С3. Зарядный ток протекает через первичную обмотку w1 повышающего трансформатора Тр2 и обеспечивает перемагничивание его сердечника до рабочего состояния. Диодный блок D4 препятствует разряду С3 через индуктивность L1 после окончания процесса зарядки.

Напряжение зарядки конденсатора С3 регулируется путем изменения момента выключения блока Т1 и достигает максимального значения (~600 В), если выключение Т1 происходит после прекращения тока в цепи индуктивности L1. Если Т1 выключается раньше, то протекающий через индуктивность L1 ток коммутируется в цепь диода D3. При этом передача энергии из С2 в С3 прекращается, и конденсатор С3 заряжается до меньшего напряжения.

После зарядки конденсатора С3 включается блок транзисторов Т2. При этом С3 быстро (~5 мкс) разряжается через повышающий трансформатор Тр2, что обеспечивает зарядку конденсатора С4 до высокого напряжения. В процессе зарядки это напряжение прикладывается к разрядной камере РК и инициирует пробой воды, насыщенной пузырьками воздуха. Напряжение пробоя зависит от межэлектродного расстояния и от плотности пузырьков воздуха.

Если пробой не успевает развиться к моменту зарядки С4 до максимального напряжения, то диодный блок D7 исключает возможность его разряда через обмотку w2. При этом конденсатор С4 сравнительно медленно разряжается через камеру РК, которая до пробоя межэлектродного промежутка имеет достаточно большое сопротивление.

Если РК пробивается раньше момента окончания процесса зарядки С4, то конденсатор С3 к моменту пробоя разряжается не полностью. Остающаяся в нем энергия рекуперируется в конденсатор С2. Рекуперация осуществляется следующим образом. Так как после пробоя электрическое сопротивление РК очень мало, то С3 быстро перезаряжается до обратного напряжения, которое прикладывается к первичной обмотке повышающего трансформатора Тр1. При этом напряжение на вторичной обмотке Тр1 становится больше напряжения зарядки конденсатора С2 и через диод D5 протекает ток рекуперации. Большой коэффициент трансформации в Тр1 обеспечивает коммутацию в С2 фактически всей энергии обратного перезаряда конденсатора С3.

После пробоя межэлектродного промежутка в камеру РК очень быстро (за доли микросекунды) коммутируется мощный (до 500 А) ток разряда конденсатора С4. Его амплитуда и скорость нарастания ограничиваются сопротивлением РК и величиной индуктивности L3 (индуктивность монтажных проводов). Так как сопротивление РК после пробоя очень мало, то конденсатор С4 многократно перезаряжается по цепи L3РК. При этом практически вся запасенная в нем энергия рассеивается в камере РК. При зарядке используемого конденсатора С4 = 2.5 нФ до рабочего напряжения 30 кВ величина коммутируемой в разряд энергии составляет ~1 Дж.

Диодный блок D8 шунтирует трансформатор Тр2 при возникновении на С4 обратного напряжения. В результате устраняется возможность коммутации энергии в цепь его первичной обмотки. Индуктивность L2 (L2L3) ограничивает амплитуду и скорость нарастания тока через блок D8.

На рис. 4 приведены типичные осциллограммы тока и напряжения на РК в режиме работы генератора, когда в момент пробоя межэлектродного промежутка высокое напряжение не успевает дорасти до максимального значения.

Рис. 4.

Осциллограммы тока I и напряжения U на разрядной камере. Масштабы: по вертикали – тока 100 А/деление, напряжения 10 кВ/деление, по горизонтали – 1 мкс/деление.

Нами были проведены исследования влияния обогащенной продуктами разрядов “плазменной” воды на развитие корневой системы семян гороха и тыквы. Семена гороха (сорт “Никитка”) были приобретены в ООО “Группа компаний “Гавриш”. Семена тыквы (сорт “Витаминная”) были получены из спелого плода и высушены в естественных условиях.

При проведении сравнительных экспериментов по проращиванию семян гороха их замачивали в отстоянной водопроводной воде и в такой же воде, но прошедшей 3-минутную обработку в разрядной камере, т.е. в “плазменной” воде. Семена раскладывали в чашки Петри на слой ткани, пропитанной водопроводной или “плазменной” водой. Ежедневно в чашки Петри доливалось по 20 мл соответствующей воды.

В результате исследований было установлено, что наиболее быстро всходят и развиваются семена гороха, замачиваемые в “плазменной” воде. Данные о соотношении количества пророщенных семян к общему количеству семян для различных режимов замачивания:

Режим замачивания: 3-й день 4-й день 5-й день
в “плазменной” воде 0% 71% 96%
в водопроводной воде 0% 8% 67%

Интересными представляются результаты экспериментов с семенами тыквы, которые замачивались в тех же условиях, что и семена гороха. Отличие состояло в том, что до замачивания часть семян на 3 мин опускалась в разрядную камеру вблизи зоны с разрядом. На пятый день замачивания проросли только семена тыквы, предварительно обработанные в разрядной камере, а на семенах, замоченных в водопроводной воде, появились темные пятна плесени.

Хорошее состояние семян тыквы, предварительно обработанных в разрядной камере, свидетельствует о том, что в процессе обработки они подвергались эффективному обеззараживанию под воздействием ультрафиолетового излучения, ударных волн и сильных электрических полей. Более быстрое прорастание может быть обусловлено тем, что в результате обработки происходит модификация оболочки семян, ускоряющая поглощение воды и выход ростков.

Для оценки факторов влияния “плазменной” воды на развитие растений был проведен химический анализ проб водопроводной воды до и после плазменной обработки. Воду отбирали из водопровода в здании в бутыли объемом 5–10 л после ее предварительного слива из сети в течение 5 мин для того, чтобы не захватить в емкость продукты коррозии стенок труб (в застойных участках водопровода они могут повышать содержание железа общего до 1/4 мг/л [10]). Затем воду отстаивали в течение ночи в открытой емкости. Обработку воды в разрядной камере проводили 6 раз длительностью от 0.5 до 3 мин. Отобранные пробы обработанной воды и воды до обработки хранили при комнатной температуре и анализировали в течение одного дня после эксперимента.

В пробах определяли удельную электропроводность (э.п.) на кондуктометре HI 8733 (HANNA Instruments, Австрия), водородный показатель на рН-метре-иономере I-500 (“Аквилон”, Россия), концентрации: общего азота (о.а.) на анализаторе TOC-Lcpn с приставкой TNM-L (Shimadzu, Япония), главных ионов воды на системе капиллярного электрофореза Капель103Р (“Люмекс”, Россия – по методикам М 01-31-2011 и ПНД Ф 14.1:2:4.157-99) и железа общего (по методике ГОСТ 4011-72).

Химический анализ показал, что в течение 3 мин электроразрядной обработки э.п. водопроводной воды практически линейно увеличивалась с 110 до 260 мкСм/см, а рН снижался с 6.6 до 3.6. Также было обнаружено возрастание концентрации общего железа (до 5 мг/л) – вероятно из-за коррозии электродов. Большая часть железа содержалась в частицах, 60% из которых оседали в столбе воды 10 см в течение 30 мин и более 90% – в течение ночи.

Изменения концентраций ионов натрия, калия, магния, кальция, хлоридов, сульфатов были в пределах погрешности методик или близки к ним, так что увеличение э.п. воды можно объяснить образованием азотсодержащих кислот.

О.а. был представлен нитратами и нитритами, что, по нашему мнению, является одним из факторов, способствующих развитию растений. Концентрация о.а. возрастала от 0.5 до 8.4 мг/л и слабо изменялась в конце процесса электроразрядного воздействия (см. рис. 5).

Рис. 5.

График зависимости концентрации общего азота от времени электроразрядной обработки водопроводной воды.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что рассмотренное достаточно простое высоковольтное устройство осуществляет обогащение воды продуктами плазмохимических реакций. При использовании обогащенной воды для полива растений обеспечивается их ускоренный рост и развитие.

Достигнутая большая допустимая частота следования электрических разрядов (500 Гц) позволяет осуществлять эффективную плазменную обработку проточной воды, что создает определенные перспективы для применения разработанного устройства.

Список литературы

  1. Жук Е.Г. // Микробиология, эпидемиология и иммунология. 1971. № 1. Т. 48. С. 99 .

  2. Schoenbach K.H., Peterkin F.E., Kldew R.W., Beebe S.J. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1997. V. 25. № 2. P. 284.

  3. Efremov N.M., Adamiak B.Yu., Blochin V.I., Dadeshev S.Je., Dmitriev K.I., Semjonov K.N., Levachov V.F., Jusbashev V.F. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2000. V. 28. № 1. P. 224.

  4. Коликов В.А., Курочкин В.Е., Панина Л.К., Рутберг А.Ф., Рутберг Ф.Г., Снетов В.Н., Стогов А.Ю. // ЖТФ. 2007. Т. 77. Вып. 2. С. 118.

  5. Park D.P., Davis K., Gilani S., Alonzo C.-A., Dobrynin D., Friedman Gary, Fridman A., Rabinovich A., Fridman G. // Current Appl. Phys. 2013. V. 13. P. 19.

  6. Preis S., Panorel I., Llauger Coll, S., Kornev I. // Ozone Science and Engineering. 2014. V. 36 (1). P. 94.

  7. Peethambaran B., Han J., Kermalli K., Jiaxing J., Fridman G. // Plasma Medicine. 2015. V. 5 (2–4). P. 87.

  8. Галиуллин Р.Р., Шарифуллин Ф.С., Нагмутдинова А.И., Вознесенский Э.Ф. // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19. № 22. С. 154.

  9. Коротков С.В., Аристов Ю.В., Козлов А.К., Коротков Д.А., Рольник И.А. // ПТЭ. 2011. № 2. С. 47.

  10. Andrianova M.Ju., Molodkina L.M., Chusov A.N. // Appl. Mechanics and Materials. 2014. V. 587–589. P. 573.

Дополнительные материалы отсутствуют.