Применение низкотемпературной плазмы для дезинфекции воды

Аннотация. Изобретен новый мобильный энергосберегающий реактор со способностью барботирования для технологии обеззараживания воды диафрагменным электрическим разрядом, исследованы его характеристики. Эффективность удельной генерации перекиси водорода H₂O₂ нового мобильного энергосберегающего реактора со способностью барботирования выше на 48-51%, в отличие от проточного, также рассмотрены их различия. Определена зависимость образования перекиси водорода от диаметра отверстий в шланге для барботирования. Исследовано влияние геометрии разрядных камер на образование бактерицидных агентов

Ключевые слова: диафрагменный электрический разряд, барботирование, перекись водорода.

Применение в быту и в промышленности электроразрядных технологий для обеззараживания и очистки воды учащается пропорционально степени совершенствования этих технологий. Существует множество способов обработки воды с различными видами электрических разрядов: дуговым, искровым, коронным, тлеющим, барьерным, диафрагменным разрядами и их подвидами. Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки, наиболее подробнее рассмотрим технологию на основе диафрагменного электрического разряда (ДЭР). Мобильный и энергосберегающий реактор диафрагменного электрического разряда (ДЭР) со способностью барботирования воды для обеззараживания жидкостей представляет собой Г-образный реактор дезинфекции воды, погружаемый в воду, на электроды устройства подается высокое напряжение в диапазоне 1000-1500 В, а во внутрь поступает сжатый воздух для барботирования воды с помощью компрессора. Корпус реактора выполнен в Г-образной форме 7, нижняя часть 3 которого представляет собой трубчатую диафрагменную мембрану с отверстиями 5, содержит внешний 6 и внутренний 2 электроды, внутренний электрод закреплен кольцами 8, а внешний имеет спиральную форму и самостоятельно держится на корпусе устройства. Для подачи сжатого воздуха и образования маленьких пузырьков в воде в реакторе находится шланг с отверстиями 4. В качестве источника питания 1 обычно используется источник переменного синусоидального высокого напряжения частотой 50 Гц. Работа устройства осуществляется следующим образом. Реактор погружается в водную среду. На внешний 6 и внутренний 2 электроды подается от источника питания 1 переменное напряжение от 1000 до 1500 В с частотой 50 Гц. ДЭР образуется в отверстиях диафрагменной мембраны 5 за счет прохождения через них тока, нагревания, вскипания воды и образования воздушных пузырей и их пробоя под действием приложенного по обе стороны диэлектрической мембраны напряжения. Интенсивность разряда зависит от образования парогазовых пузырей, поэтому, наличие дополнительных воздушных пузырей, подаваемых через шланг с отверстиями 4, способствует лучшему развитию ДЭР. 

Рисунок 1. Непроточный Г-образный реактор со способностью барботирования жидкости

Существуют два основных способа подачи воды в обрабатывающий ректор: способ, при котором вся исходная вода протекает через отверстия диафрагменной мембраны (рисунок 2), и способ, при котором обрабатываемая вода не протекает через отверстия мембраны (рисунок 1). Первый способ конструктивно отличается от второго тем, что камера погружается непосредственно в жидкость, а наличие способности барботирования меняет способ обработки воды и его эффективность.

Рисунок 2. Проточный реактор обработки воды

Основные различия рассмотренных способов в том, что в первом случае обрабатываемая вода не протекает через отверстия диафрагменной мембраны и не смываются предразрядные продукты (воздушные пузырьки), а наличие барботирования способствует увеличению интенсивности разряда. Новое техническое решение позволяет повысить эффективность обеззараживания и очистки воды на 50-60%, повысить надежность работы устройства, поскольку отсутствует перетекание воды через диафрагменную мембрану и уменьшается засорения отверстий, снизить рабочие токи устройства более чем в 2,2 раза и уменьшить потребление электрической энергии. Сравнение проточного и непроточного реакторов производилось по основному обеззараживающему компоненту – перекиси водорода H₂O₂. В качестве определения концентрации исследуемого компонента использовался перманганатометрический метод определения согласно ГОСТ 177-88. В экспериментах использовалась одинаковая величина напряжения 1500 В частотой 50 Гц. Величина напряжения определялась эмпирическим путем, было выбрано максимально-возможное напряжение для обоих ректоров, поскольку эффективность генерации перекиси водорода зависит от величины напряжения. В опытах в реакторы устанавливалась диафрагменная мембрана с 15 отверстиями диаметром 1,2 мм, были применены медные электроды. В первом и втором эксперименте расходы модельных растворов дистиллированной воды и NaCl с проводимостью 0,45 мСм/см составили по 4 литра, израсходовано на обработку жидкостей по 250 Вт^.ч электрической энергии. Скорости расхода вод были установлены на уровне 0,4 л/мин, при этом скорость движения через диафрагму для проточного реактора составила 0,077 м/с, что входит в наиболее эффективный интервал скоростей для проточного реактора согласно [1]. Сгенерированной перекиси водорода H₂O₂ в проточном реакторе было определено 0,8 мг/ Вт^.ч, что согласуется с [1], в непроточном реакторе измерено 1,21 мг/ Вт^.ч, что на 50% выше.

Процесс развития ДЭР во многом зависит от образования парогазовых пузырьков в отверстиях диафрагменной мембраны [1]. Маленькие пузырьки воздуха образуются за счет вскипания воды в отверстиях из-за высокой плотности тока в них. Для этого тратится значительное количество электроэнергии, которое не совершает полезной работы, а просто нагревает воду. В связи с этим подача «искусственных» пузырьков должна снизить затраты электроэнергии. Проверка этого предположения происходила следующим образом. Опыты проводились на модельном растворе из дистиллированной воды и  NaCl. На каждый эксперимент было затрачено по 50 Вт^.ч электроэнергии, объем испытуемой жидкости во всех опытах был по 4 литра. На электроды подавалось переменное напряжение 1200 В частотой 50 Гц. Рассмотрены были отверстия, созданные иглами диаметрами от 0,1 до 0,9 мм в шланге из поливинилхлорида внутренним диаметром 6 мм и с толщиной стенок 2 мм. Кинетика образования перекиси водорода представлена на рисунке 7.

Рисунок 3. Зависимость образования перекиси водорода от диаметра отверстий в шланге для барботирования

На рисунке отслеживается изменение выхода H₂O₂. При диаметрах отверстий 0,1 мм пузырьки были слишком малы и слабо влияли на интенсивность разряда. Максимум значений зависимости находится при значении диаметров, равных 0,2 мм. При больших отверстиях для барботирования пузырьки воздуха образовывались размером, превышающим размеры разрядных отверстий в диафрагменной мембране, что снижало интенсивность ДЭР, буквально сбивая его. В результате можно отметить, что наиболее эффективный размер диаметра отверстий для образования бактерицидных агентов равняется 0,2 мм (давление в шланге воздуха составляло 2 кгс/см²). Геометрия разрядных камер всегда значительно влияет на продуктивность электроразрядных технологий [2]. Для реакторов ДЭР исследована большая часть всех известных параметров геометрии, но значительная их часть остается неисследованной и какая-то еще неизвестной [1]. Например, одним из неизвестных ранее параметром реактора ДЭР являлся угол наклона к горизонтальной плоскости земли электродов и диафрагменной мембраны. Для его определения в настоящей работе были рассмотрены два основных расположения диафрагмы: вертикальное и горизонтальное относительно плоскости земли. Условия проведения экспериментов были практически идентичны с условиями исследования образования перекиси водорода от диаметра отверстий в шланге для барботирования, только значение толщины отверстий в шланге для барботирования было неизменно 0,2 мм, а изменялась только ориентация электродов и диафрагменной мембраны в пространстве. В результате, выход H₂O₂ в горизонтальном расположении реактора ДЭР составил 1,2 мг/Вт^.ч, а в вертикальном 0,5 мг/Вт^.ч, что меньше более чем в 2 раза. Эксперимент был неоднократно повторен, но все результаты отличались лишь на величину погрешности методики определения концентрации перекиси водорода. Генерация H₂O₂ с вертикальным расположением электродов и диафрагмы менее эффективна из-за локализации ДЭР только во второй половине верхней части диафрагменной мембраны на площади, равной приблизительно 1/3 от рабочей площади мембраны. В самой верхней части устройства разряд отсутствовал из-за излишней интенсивности барботирования, а в нижних отверстиях этот процесс не происходил, что в итоге отрицательно повлияло на общую производительность. На основании проведенного исследования можно утверждать, что наибольшая производительность обеззараживания будет при горизонтальном положении электродов и мембраны, без отклонения угла плоскости мембраны от ровной поверхности места расположения реактора.