УСТРОЙСТВО АКТИВАЦИИ ВОДЫ ПЛАЗМЕННЫМ РАЗРЯДОМ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДЫ, АКТИВИРОВАННОЙ ПЛАЗМЕННЫМ РАЗРЯДОМ Российский патент 2024 года по МПК C02F1/48 B06B1/00 H05H1/24 

Изобретение относятся к методам очистки жидких сред с помощью электрических разрядов и может быть применено для получения микробиологически чистой, насыщенной активными формами кислорода воды. Полученная предлагаемым способом вода может использоваться в качестве средства для полива растений или в медицинских лечебно-профилактических целях.

Известен способ влияния обработанной плазмой воды на процесс деструкции сложных органических соединений, в частности антибиотиков (В. Абрамов, А. Абрамова (Камлер), В. Баязитов, С. Каменева, В. Веселова, Д. Козлов, М. Созарукова, А. Баранчиков, И. Федулов, Р. Никонов, Дж. Кравотто. Fast Degradation of Tetracycline and Ciprofloxacin in Municipal Water under Hydrodynamic Cavitation/Plasma with CeO2 Nanocatalyst. Processes 2022, 10, 2063), что говорит об возможности получения активной воды с помощью проточной плазмы и стабильных химических преобразованиях, протекающих в процессе обработки, при этом полученную активную воду можно использовать для обработки различных водоемов и почв.

Известны работы по положительному влиянию активных форм кислорода на рост и развитие растений, (Наумова И.К., Максимов А.И., Хлюстова А.В. Стимуляция всхожести семян и роста проростков при обработке плазменно-активированной водой // ЭОМ. 2011. №3) и известны работы по изменению окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) в растворах после процесса обработки связанным с процессом активации обрабатываемой воды (Н.А. Аристова, И.М. Пискарев. Физико-химические методы получения экологически чистой активированной питьевой воды, Нижний Тагил, 2010), что говорит о возможности применения активированной воды для полива растений с целью увеличения урожайности.

Поскольку предварительные эксперименты по определению окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) в плазме показали, что изменение частоты и скважности, подаваемых на электроды электрических импульсов позволяет достичь более низких значений, то регулировка может быть использована в качестве метода контролирования содержания активных форм кислорода в обработанной воде и, следовательно, способом регулирования степени активности получаемой после обработки воды. Данный подход решает вопрос о предотвращении негативного влияния активных веществ на рост растений при избыточных концентрациях активных веществ.

Прототипом предлагаемого устройства послужило устройство для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов в жидкой среде (патент на изобретение РФ №2393028), включающее рабочую проточную камеру, излучающее сопло, источник электромагнитного излучения, в котором процесс соноплазменной стимуляции проходит в потоке жидкости в зоне кавитации в рабочей камере, при этом для обеспечения процесса используется излучающее сопло в виде сужающегося цилиндрического канала.

Недостатками устройства является частичное заполнение рабочей камеры разрядом и необходимость обеспечения высокого давления на входе в излучающее сопло для образования процессов кавитации и пульсации, которые являются ключевыми факторами в процессе образования плазмы в потоке жидкости. Неполное заполнение рабочей камеры разрядом значительно снижает эффективность процесса насыщения воды активными формами кислорода, а также не позволяет достичь снижения ОВП до отрицательных значений, что приводит к невозможности использования устройства, описанного в патенте на изобретение РФ №2393028, для активации воды с целью ее подготовки для полива растений. Кроме того, использование устройства-прототипа возможно только при высоком давлении, что приводит к повышению затрат на обработку, а также значительно сужает выбор насосного оборудования, используемого для подачи жидкости.

Задачей изобретения является разработка нового устройства активации воды, обеспечивающего максимально низкие значения окислительно-восстановительного потенциала и разработка нового способа получения воды, активированной плазменным разрядом, с более низкими энергетическими затратами, необходимыми для осуществления процесса активации.

Поставленная задача решается предлагаемым устройством для активации воды плазменным разрядом, содержащим рабочую камеру, гидродинамический излучатель с электродами и источник электромагнитного излучения, в котором гидродинамический излучатель выполнен в виде сопла с центральным телом. При этом сопло выполнено в виде двух усеченных конусов - входного и выходного, сопряженных узкими концами, угол раскрытия входного конуса равен 70°±10°, а угол раскрытия выходного конуса равен 30°±10°. Кроме того, заявляемое устройство может быть снабжено соплом, выполненным в виде сужающегося усеченного конуса с углом раскрытия равным 70°±10° или соплом, выполненным в виде расширяющегося усеченного конуса с углом раскрытия равным 30°±10°, или соплом, выполненным в виде расширяющегося усеченного конуса с углом раскрытия равным 30°±10°, или соплом, выполненным в виде цилиндрического канала.

Устройство так же снабжено центральным телом, имеющим форму цилиндра с конусным окончанием с углом раскрытия конуса равным 20°±10°, или центральным телом в форме цилиндра с окончанием скругленным радиусом, или центральным телом в форме цилиндра. При этом центральное тело так же может иметь перпендикулярное сечение в форме многоугольника.

Заявляемое устройство дополнительно снабжено насосом.

Так же техническая задача решается способом получения воды, активированной плазменным разрядом, который отличается тем, что процесс протекает в проточном реакторе с гидродинамическим излучателем и электродами, при этом гидродинамический излучатель содержит центральное тело, зона кавитации заполняет все пространство между электродами, а реактор может быть оснащен дополнительным источником СВЧ излучения.

При этом параметры разряда выбраны таким образом, что ОВП обрабатываемой воды становится меньше 0, частота сигнала, подаваемого с источника питания на электроды, находится в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц, напряженность генерируемого между электродами электрического поля выбрана в диапазоне от 25 В/мм до 100 В/мм.

Устройство для активации воды плазменным разрядом представлено на фигуре 1, где:

1 - питающий бак,

2 - гидродинамический излучатель (излучающее сопло с центральным телом),

3 - рабочая камера плазменного реактора,

4 - генератор высокочастотных импульсов тока высокого напряжения.

На фиг. 2 представлены:

а) усеченные конусы - входной и выходной (фиг. 2а),

б) сужающейся усеченный конус (фиг. 2б) с углом раскрытия равным 70°±10°,

в) расширяющийся усеченный конус (фиг. 2в) с углом раскрытия равным 30°±10°,

г) в виде цилиндрического канала (фиг. 2г),

д) центральное тело, имеющее форму цилиндра с конусным окончанием (фиг. 2д,

е) центральное тело в форме цилиндра с окончанием скругленным радиусом (фиг. 2е),

ж) центральное тело в форме цилиндра (фиг. 2ж).

з) центральное тело с перпендикулярным сечением в форме многоугольника (фиг. 2з).

Устройство работает по следующему принципу: в питающий бак (1) заливается вода, и включается подача с помощью насоса на вход в гидродинамический излучатель (2). На генераторе высокочастотных импульсов высокого напряжения (4) устанавливаются характеристики импульсов (скважность, частота, выходная мощность), затем включается подача тока на вмонтированные электроды в рабочей камере плазменного реактора (3). В результате работы гидродинамического излучателя образуется равномерный факел пузырей, через которые проходит объемный разряд.

В заявляемом устройстве рабочая камера снабжена гидродинамическим излучателем, который представляет собой сопло с центральным телом с значительной большей излучающей поверхностью при одинаковой площади проходного сечения. Его основным отличием от излучающего сопла, применяемого в прототипе, является образование отличного от ламинарного потока жидкости во внутреннем объеме излучателя, который раскрывается на выходе из сопла, и за счет трения о стенки рабочей камеры замедляется. Таким образом, необходимая для обеспечения пробоя паровоздушная среда распределяется более равномерно по всему объему, что позволяет создать более эффективный объемный разряд. При этом давление, требуемое на образование среды для возникновения плазмы, ниже по сравнению с прототипом.

В качестве примера исполнения гидродинамического излучателя в виде сопла с центральным телом может послужить упирающийся в сужающейся трубе цилиндр с закруглением на конце. Такая форма гидродинамического излучателя обусловлена тем, что предотвращает срыв потока, расширяет зону кавитации, обеспечивает равномерную подачу жидкой среды в рабочую камеру плазменного реактора, а также проста в изготовлении. Для сравнения с излучающем соплом, использованном в прототипе, были получены методом CFD моделирования две модели распространения зон кавитации, представленные на фигуре 3 (Степанов Д.В., Шаблий Л.С. «Моделирование кавитации в насосах с помощью ANSYS CFX»). Как видно из моделей, поток жидкости, отличный от ламинарного, полностью заполняет рабочую камеру плазменного реактора (фиг. 3б), в то время как в прототипе образуется зона кавитации в форме клина (фиг. 3а). Изображения горения плазмы, так же представленные на фигуре 2, демонстрируют разницу между излучающим соплом (фиг. 3в) и излучающим соплом с центральным телом (фиг. 3г). Другие форма излучающего сопла, центральных тел и их комбинации обладают схожими гидроакустическими эффектами.

Способ получения воды, активированной плазменным разрядом, заключается в образовании электрических разрядов в осциллирующих пузырях газа, которые формируют микроканалы внутри потока обрабатываемой воды, образуя тем самым заполняющую рабочий объем реактора струю плазмы. В результате воздействия электрических полей, акустических эффектов и ультрафиолетового излучения, обрабатываемая вода насыщается активными формами кислорода, в частности перекисью водорода, а параллельно этому возникает обширное образование газообразного водорода, который частично остается в воде в виде микропузырьков, а другая его часть высвобождается из раствора. При этом показатели окислительно-восстановительного потенциала обработанной воды сильно смещаются в сторону отрицательных значений.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет проводить очистку жидких сред с помощью электрических разрядов и может быть применено для получения микробиологически чистой, насыщенной активными формами кислорода воды. Полученная предлагаемым способом вода может использоваться в качестве средства для полива растений или в медицинских лечебно-профилактических целях.

Изобретение относятся к методам очистки жидких сред с помощью электрических разрядов и может быть применено для получения микробиологически чистой, насыщенной активными формами кислорода воды. Устройство состоит из рабочей камеры с гидродинамическим излучателем и электродами, источника электромагнитного излучения. Гидродинамический излучатель выполнен в виде сопла с центральным телом. Сопло может быть выполнено в виде двух усеченных конусов, сопряженных узкими концами, в виде сужающегося усеченного конуса, в виде расширяющегося усеченного конуса, в виде цилиндрического канала. Центральное тело может иметь форму цилиндра с конусным окончанием, цилиндра с окончанием, скругленным радиусом, цилиндра, многоугольника в перпендикулярном сечении. Технический результат: максимально низкое значение окислительно-восстановительного потенциала, низкие энергетические затраты. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для активации воды плазменным разрядом, состоящее из рабочей камеры с гидродинамическим излучателем и электродами, источника электромагнитного излучения, отличающееся тем, что гидродинамический излучатель выполнен в виде сопла с центральным телом.

2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее насос.

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором сопло выполнено в виде двух усеченных конусов, сопряженных узкими концами, при этом угол раскрытия входного конуса равен 70°±10°, а угол раскрытия выходного конуса равен 30°±10°.

4. Устройство по п. 1 или 2, в котором сопло выполнено в виде сужающегося усеченного конуса с углом раскрытия, равным 70°±10°.

5. Устройство по п. 1 или 2, в котором сопло выполнено в виде расширяющегося усеченного конуса с углом раскрытия, равным 30°±10°.

6. Устройство по п. 1 или 2, в котором сопло выполнено в виде цилиндрического канала.

7. Устройство по пп. 1-5 или 6, в котором центральное тело имеет форму цилиндра с конусным окончанием с углом раскрытия конуса, равным 20°±10°.

8. Устройство по пп. 1-5 или 6, в котором центральное тело имеет форму цилиндра с окончанием, скругленным радиусом.

9. Устройство по пп. 1, 2, 3, 4, 5 или 6, в котором центральное тело имеет форму цилиндра.

10. Устройство по пп. 1, 2, 3, 4, 5 или 6, в котором центральное тело имеет перпендикулярное сечение в форме многоугольника.

11. Способ получения воды, активированной плазменным разрядом, отличающийся тем, что процесс протекает в проточном реакторе, содержащем рабочую камеру с гидродинамическим излучателем, выполненным в виде сопла с центральным телом, электроды и источник электромагнитного излучения.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что зона кавитации заполняет все пространство между электродами.

13. Способ по пп. 11, 12, отличающийся тем, что реактор оснащен дополнительным источником СВЧ излучения.

14. Способ по пп. 11-13, отличающийся тем, что параметры разряда выбраны таким образом, что ОВП обрабатываемой воды становится меньше 0.

15. Способ по пп. 11-14, отличающийся тем, что частота сигнала, подаваемого с источника питания на электроды, находится в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц.

16. Способ по пп. 11-15, отличающийся тем, что напряженность генерируемого между электродами электрического поля находится в диапазоне от 25 В/мм до 100 В/м.