Тепловые и плазмохимические процессы при обеззараживании воды линейным коронным факельным разрядом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Ким Кён Сук

• Ким Кён Сук
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ким Кён Сук

Введение.

Глава 1. Линейный коронный факельный разряд.

1.1. Коронные факельные разряды.

1.2. Экспериментальная установка.

1.3. Форма разряда. 32 Выводы.

Глава 2. Статические и динамически характеристик линейного коронного факельного разряда.

2.1. Вольтамперные характеристики линейного коронного факельного разряда.

2.2. Динамические характеристики разряда.

2.3. Роль инициирующего разрядника. 41 2.4 Стабильность линейного коронного факельного разряда во времени.

Выводы

Глава 3. Математическое моделирование характеристик линейного коронного факельного разряда.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Физическая модель коронного разряда.

3.3. Математическая модель.

3.4. Химическая модель.

3.5. Численная модель.

3.6. Результаты расчета.

Выводы

Глава 4. Обеззараживание воды линейным коронным факельным разрядом.

4.1. Экспериментальная установка.

4.2. Активизирующая роль азота в синтезе перекиси водорода.

4.3. Синтез и разрушение окислителей при взаимодействии ЛКФР с водой.

4.4. Побочные химические соединения, поступающие в воду.

4.5. Обеззараживание воды линейным коронным факельным разрядом.

4.6. Синтез озона в ЛКФР из воздуха.

4.6.1. Влияние напряжения на синтез озона в ЛКФР из воздуха.

4.6.2. Влияние межэлектродного расстояния на синтез озона в ЛКФР из воздуха.

4.7. Синтез озона в ЛКФР из кислорода.

4.8. Некоторые особенности горения ЛКФР. 103 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепловые и плазмохимические процессы при обеззараживании воды линейным коронным факельным разрядом»

В настоящее время антропогенное влияние на биосферу и, в частности, гидросферу, приняло такие грандиозные масштабы, что без эффективных санитарных мероприятий, направленных на предотвращение и ликвидацию пагубных последствий такого влияния, Земле грозит глобальная экологическая катастрофа. Поэтому разработка и внедрение новых, экологически чистых, технологий водоподготовки становится жизненной необходимостью.

Существующие методы бактерицидной обработки воды обладают рядом существенных недостатков. Термический метод весьма энергоемок, имеет низкий энергетический КПД, и применим для стерилизации небольших объемов воды. Способ обеззараживания воды хлором связан с определенным экологическим вредом для человека и окружающей среды ввиду загрязнения самим дезинфектантом и продуктами его взаимодействия с водой [1-5]. Обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением не находит широкого применения, так как очищаемая вода не обладает остаточной' бактерицидностью.

Среди современных технологий очистки и обеззараживания питьевой воды прогрессируют передовые окислительные технологии (Advanced Oxidation Technology - АОТ), основанные на совместном воздействии на воду окислителей (хлор, озон, перекись водорода), ультрафиолетового излучения (УФ), кавитационных явлений, ультразвука и т.п [6-8]. Электрические разряды, реализуемые в воде или на ее поверхности, позволяют реализовать АОТ в одном устройстве.

Исследованы следующие виды воздействия на воду электрическими разрядами: 1) Завершенные импульсные разряды под водой (Сытник И. А., Gilliland S. Е., Speck М. L., Павлович С. А., Осипов Г. П., Жук Е. Г., Бубенцов В. Н., ). 2) Завершенные импульсные разряды по поверхности воды (Бродская Б. X., Кирсо У., Губергриц М. Я.). 3) Импульсная корона по поверхности воды (Энгелынт В. С, Токарев А. В.). 4) Коронный и барьерный разряды на воду (Гриневич В.И, Кувыкин H.A., Бубнов А.Г.,

Пискарев И.М., Севастьянов А.И., А. Goldman, М. Goldman, R. S. Sigmond, Т.). 5) Коронный факельный разряд на поверхность воды (Лелевкин В.М., Токарев A.B., Юданов В.А.).

Данные разряды обладают широким набором факторов, воздействующих на биологические объекты и органические соединения. В их числе ультрафиолетовое излучение, ударные волны, активные радикалы, кавитационные явления, озон, перекись водорода возникающие в разряде и другие.

Электрические разряды высокого напряжения, воздействующие на воду, обладают высоким бактерицидным действием на биологические объекты. Это свойство разрядов открывает широкие возможности для практического применения их при стерилизации жидкостей, в частности для обеззараживания питьевой и сточных вод, для стерилизации молока, различных соков и других пищевых продуктов. Завершенные импульсные разряды под водой.

Наиболее ранними исследованиями воздействия электрических разрядов на воду явились исследования завершенного импульсного разряда под водой.

В 1938 году J1. А. Юткиным впервые была разработана принципиальная электрическая схема установки для стабильного воспроизведения импульсного высоковольтного разряда в диэлектрических жидкостях. Им же был сконструирован промышленный образец установки. Л. А. Юткин (1955, 1959, 1960 годы) изучил закономерности импульсных разрядов в воде, обосновал возможность широкого использования их для осуществления многих технологических процессов. Весь комплекс явлений, который возникает при пробое жидкости высоковольтным электроразрядом, он предложил назвать электрогидравлическим эффектом (ЭЭ) [9].

В зоне разряда возникает сложный комплекс физико-химических явлений (высокое давление, мощные ударные волны, кавитационные процессы, образование парогазового пузыря и его пульсация, световое излучение канала разряда, ионизация и разложение молекул вещества в плазме канала и возле него, интенсивное ультрафиолетовое и ультразвуковое излучения, импульсное магнитное поле), которые в своей совокупности составляют ЭЭ. Мощному импульсному разряду предшествует процесс ионизации жидкости между электродами.

Как было упомянуто выше, импульсный разряд в воде сопровождается обширным комплексом явлений. Ниже приводятся характеристики некоторых из них, которые играют наиболее важную роль в процессе обеззараживания воды данным способом.

1. Высокое давление

Быстрый подвод большого количества электроэнергии в малый объем жидкости, расположенный в зазоре между электродами, приводит к подъему ее температуры и значительному расширению. Окружающая жидкость оказывает значительное сопротивление этому расширению. Вот почему электроимпульсный разряд вызывает сильное мгновенное давление, которое имитирует взрыв, образование мощных ударных волн.

S. Gilliland, М. Speck в работе отмечают, что при разрядах напряжением 25 кВ давление в рабочей камере колеблется от 2,5*106 до 5*106 Па. Величина давления прямо пропорциональна мощности разряда, обратно пропорциональна его длительности и зависит от коэффициента объемного сжатия жидкости [10-12].

2. Кавитационные явления.

Кавитационные полости при импульсном электроразряде образуются под действием растягивающих усилий, ведущих к кратковременному понижению давления в отдельных участках жидкости вокруг канала разряда. Кавитационные пузыри в жидкости могут наблюдаться и при воздействии интенсивных ультразвуковых волн.

Образование множества кавитационных пузырьков в жидкости обуславливает мгновенные разрывы грибов, простейших, бактерий и вирусов, находящихся во взвешенном состоянии в обрабатываемых жидкостях.

3. Процессы ионизации и различные виды излучения

Кроме высокого давления и ударных волн, сопровождающих разряд, имеют место также и процессы ионизации и различные виды излучения. Дело в том, что плазма разрядного канала образует различные нестойкие соединения. Главными из них являются атомы металлов, вышедшие из материала электродов в различном состоянии возбуждения и ионизации, а также активные кислород - водородные соединения, главным образом радикалы [12].

Влияние высоковольтного импульсного разряда на микроорганизмы.

Многочисленные исследования разряда такого типа доказывают эффективность его в процессах губительного влияния на различные виды микроорганизмов. S. Gilliland, М. Speck показали, что наиболее чувствительными к действию ЭЭ оказываются Е. coli и Enterococcus, а самым резистентным - Micrococcus radiodurans и споры Вас. subtilis. [10] В работе также отмечается, что электрические разряды в водной среде обладают выраженным бактерицидным действием на стафилококки, степень которого зависит от количества импульсных разрядов и их напряжения.

В 1975-77 годах С. А. Павлович и соавторы испытали биологическую активность высоковольтного электроимпульсного разряда по отношению к золотистому стафилококку, кишечной палочке антрокоиду. Их установка позволяла инициировать подводные электроразряды до 50 кВ при емкости 0.1-0.3 мкФ и расстоянии между электродами 10-30 мм. Анализ результатов исследований показал, что после обработки взвеси кишечных палочек в водопроводной воде при густоте суспензии 2 млн. микробных тел в одном миллилитре после одного электроимпульсного разряда погибало 20% бактерий, после 10 импульсов - 84.6% бактерий, а после 20 - 100% микробов. Антракоид также был чувствительным к электрогидравлической обработке. После одного разряда погибало 91% бактерий, после 10 наступала полная стерилизация жидкости [11].

Согласно данным Е. Г. Жука, В. Н. Бубенцова с соавторами для того, чтобы зараженную Е. coli воду довести до коли - титра мл, необходимо создать плотность энергии около 8 Дж/мл. Увеличение плотности энергии приводит к значительному повышению бактерицидных свойств воды, которые сохраняются в течение четырех месяцев. Обеззараживание воды импульсным электроразрядом сопровождается необратимостью повреждающего действия на бактерии даже при сравнительно невысокой плотности энергии. При этом бактерицидность воды сохраняется длительное время [12-13].

Завершенный импульсный разряд по поверхности воды.

В работах [14-15] приводятся экспериментальные данные по изучению особенностей формирования и развития плазменных каналов в неравномерном поле на границе раздела газ-электр о лит в микросекундном диапазоне. Показаны преимущества воздействия поверхностного разряда на некоторые химические и биологические системы по сравнению с действием разряда в объеме. В исследованиях использована импульсная высоковольтная установка, позволяющая в микросекундном диапазоне длительностей импульсов менять электрические параметры в широких пределах. Изучение образования и развития каналов проводилось при подаче к системе электрических (острие-острие, острие-плоскость, острие - цилиндрическая поверхность) импульсов напряжением от 10 до 70 кВ обеих полярностей. При этом варьировались электропроводность водного электролита, разрядная емкость (0.1-24 мкФ) и межэлектродное расстояние (50-800 мм).В работе приводятся результаты экспериментов по деградации модельного представителя канцеро генных веществ - бензапирена, а также по окислению фенолов, которые являются токсичными загрязнениями промышленных стоков. В исследованиях по обеззараживанию воды изучение эффективности проводилось на искусственно зараженных и натуральных водах. Зараженная вода представляла собой суспензию стерилизованной водопроводной воды с введенными условно-патогенными бактериями Klebsiella и патогенными бактериями Е. Coli 0124. Объем обрабатываемой жидкости в опытах составил от 0,5 до 3 литров. В зависимости от условий опыта эффект полной стерилизации достигается при удельном расходе энергии от 0,4 До 1,65 кВт*ч/м3. Импульсная корона по поверхности воды

В лаборатории физики газового разряда института физики АН Кыргызской Республики профессором B.C. Энгелыытом предложен способ обеззараживания воды с помощью импульсной короны распространяющейся по ее поверхности [16-17]. Реализация импульсной короны и изучение ее влияния на условно патогенную микрофлору воды проводились с помощью установки, принципиальная схема которой изображена на рис. 1.

В алюминиевый сосуд помещается искусственно зараженная вода 5. Сосуд герметично закрывается диэлектрической крышкой 2,

Рис.1. Схема экспериментальной установки.

1 - Алюминиевый сосуд для обрабатываемой воды, 2 - крышк деэлеюгрика, 3 - подвижный электрод, 4 - озонатор, 5 обрабатываемая вода, 6 - источник питания, 7 к нижней стороне которой прикреплен озонатор 4. В центре крышки имеется подвижный электрод 3, острие которого касается поверхности воды. Конденсатор С заряжается от высоковольтного выпрямителя до заданного напряжения, происходит пробой разрядника 7 и по поверхности воды развивается импульсная корона (НК). Ключом К можно включать озонатор в нужный момент времени. Во всех экспериментах по обработке воды напряжение на конденсаторе составляло 14 кВ при частоте следования импульсов 50 Гц. Исследования по воздействию ИК на микроорганизмы проводились совместно с республиканской санэпидемстанцией. СЭС поставляло воду, зараженную условно-патогенными бактериями E.Coli концентрацией 106 кл/мл.При воздействии импульсной короны на слой воды толщиной 2 см для полной её стерилизации необходима плотность энергии до 150 Дж/мл или 41 кВт*ч/кг. Данная величина является недопустимо высокой. С целью снижения энергозатрат проведены эксперименты по совместной обработке воды озоном и импульсной короны. В случае озонирования воздуха, находящихся над поверхностью обрабатываемой воды, в течение 5 мин и последующей 18 - секундной обработке импульсной короной наблюдается снижение числа кишечных палочек до 5 кл/мл. Суммарная плотность энергии составляла при этом 43 Дж/мл (11.9 кВт*ч/кг), что значительно меньше ранее полученных данных.

Одним из поражающих факторов импульсной короны является ультрафиолетовая радиация, сильно поглощаемая в толще воды. Поэтому представлял интерес обработка ИК тонкого слоя жидкости. Эксперименты показали, что уменьшение толщины обрабатываемого слоя до 2 мм и увеличение экспозиции обрабатываемой воды до 24 часа приводит к значительному сокращению энергетических затрат на стерилизацию жидкости и составляет 1 Дж/мл или 0,27 кВт«ч/м3 обрабатываемой воды. С энергетической точки зрения, очистка воды с помощью импульсной короны предпочтительна по сравнению с другими видами электроимпульсного воздействия на воду.

Коронные и барьерный разряд на воду. В последнее время ведутся исследования по применению плазмы слаботочных высоковольтных разрядов для очистки воды и технологических стоков. Исследуются кинетика деструкции фенолов, и изучается состав продуктов при действии плазмы барьерного разряда на водные растворы фенола, моделирующие природные и сточные воды. Эксперименты показали, что эффективность разложения фенола в разряде зависит от его начальной концентрации в растворе, удельной мощности, вкладываемой в разряд, и времени контакта активных частиц плазмы с обрабатываемой жидкостью. Максимальная степень превращения (73%) наблюдалась при следующих параметрах проводимого процесса (Снфен=2 мкг/мл, Тк=314 с, ТОбР=60 мин, л

325 мВт/см ).Совокупность экспериментальных и расчетных данных говорит о том, что применение плазмы поверхностно-барьерного разряда на стадии предочистки имеет неплохие перспективы, учитывая низкую энергоемкость данного метода очистки (не более 0,5 кВт*ч/м очищаемой воды), которая может быть снижена при использовании каскада реакторов [18].

В работе [19] впервые предпринята попытка исследовать химические реакции при малом токе электрического разряда и большой напряженности электрического поля в зазоре электрод -жидкость с целью найти условия, в которых эффективность разложения химических соединений будет близка к эффективности разложения при радиационно-химических реакциях. Было установлено, что рассматриваемые реакции происходят в тонком поверхностном слое жидкости толщиной 0,1 мм между активными частицами (Н, ОН, НОг, О, О2*, Оз, Н2О2) образующимися в газовой фазе, и веществами, содержащимися в воде. Наиболее высокая эффективность разложения наблюдается при отрицательной полярности напряжения на разрядном электроде в среде кислорода и тока 0,1 мА. Выходы в других режимах меньше.

Как показывают экспериментальные данные, при воздействии коронного разряда на воду взаимодействие между активированным короной газом и водной средой приводит к появлению кислотных составляющих в воде. Однако, незаряженные активные частицы в воде играют гораздо более важную роль, по сравнению с выше упомянутыми. Серия реакций. Происходящих при горении короны на воду, приводит к образованию азотсодержащих соединений как N02, N03, N0 с одной стороны, и ОН, НО2, Н2О2 с другой стороны [20].

Коронный факельный разряд на поверхность воды позволяет также проводить ее обеззараживание и очистку. Исследования позволили сделать следующие выводы: 1) С энергетической и технологической точек зрения целесообразно проводить обработку воды факельным разрядом, горящим в изолированном от атмосферы объеме, так как отпадает необходимость в нейтрализации озона и нитрозных газов. 2) Для разряда, горящего в замкнутом объеме, удельные энергозатраты на синтез окислителей составляют порядка 100 кВт*час/кг, что в 3-4 раза выше максимального уровня промышленно-рентабельных показателей синтеза окислителей для обеззараживания воды. Но это не большое превышение можно компенсировать оптимизацией режимов обработки воды. 3) Результаты бактериологического анализа показывают, что уже после двухминутной обработки зараженной воды факельным разрядом коли -титр уменьшается до четырех, общее микробное число - нулевое. Расход энергии составил 1.1 кВт*час/м воды, что сравнимо с данными других авторов . Однако данные энергозатраты могут быть уменьшены за счет оптимизации режимов обработки воды. 4) При взаимодействии плазмы с водой в нее поступают перекись водорода, озон и соединения азота ^НД N02* и N03"). Вредного влияния азотсодержащих соединений можно не опасаться, так как за время, необходимое для обеззараживания воды концентрация этих соединений далека от ПДК. 5) Обработка воды факельным разрядом может найти применение для обеззараживания воды.

Но для окончательного вывода необходимо провести тщательные исследования по устойчивости различных бактерий к воздействию разряда, а также детальное исследование химического состава воды после обработки на предмет содержания в ней окислов азота и других химических соединений [21-26].

Одним из основных компонентов возникающих при воздействии разрядов на воду, является перекись водорода в виде слабых растворов. Бактерицидные свойства перекиси водорода открыл Смит в 1864г. Однако трудности промышленного получения сдерживали её внедрение в практику водоподготовки. По данным центрального НИИ дезинфекции, перекись водорода бактерицидна в отношении возбудителей кишечных заболеваний, передающихся через воду, таких, как дизентерия, брюшной тиф, паратиф, холера и др.[27]. По бактерицидным свойствам перекись водорода приближается к сулеме и превосходит карболовую кислоту, при этом она действует на широкий спектр микроорганизмов[28]. Как показали исследования Батаровой и Соколовой, это вещество обладает выраженным спороцидным эффектом; под влиянием 100мг/л Н2О2 наблюдается полная инактивация спор антракоидов, наиболее устойчивых к действию дезинфектантов. Хороший эффект дает действие перекиси водорода на клостридиальные формы микроорганизмов. Так, Clostridium histoliticum wt.5 даже при исходном заражении 108 особ/л полностью инактивируется 6%-ным раствором Н2О2 [29]. По данным Мироновой, 6%-ная перекись водорода за 30 мин убивает все виды анаэробов. Выраженный вирулицидный эффект подтверждается экспериментальными данными по инактивации, с помощью перекиси водорода в отношении бактерий достигается дозой 3-10мг/л, в отношении вирусов -6-10мг/л, спор-100мг/л. Снижение концентрации перекиси водорода в воде до предельно допустимой (Змг/л) можно осуществить путем фильтрации воды через 30-сантиметровый слой активированного угля или карбоферроголя.

Антимикробным эффектом обладает не только перекись водорода, но и ряд других перекисей. В частности, для обеззараживания воды используют перекись натрия [30]. Перекисные соединения и особенно перекись водорода, широко применяют для борьбы с вредителями растений и для других целей [31, 32].

Применение перекиси водорода для обеззараживания питьевой воды представляет большой интерес, так как перекись улучшает вкусовые качества воды, устраняет неприятные запахи, снижает окисляемость и цветность. Кроме того, продукты разложения этого вещество не токсичны. Предельно допустимая концентрация перекиси в питьевой воде -Змг/л [33]. Однако, как показали наши исследования, обеззараживающий эффект достигается в среднем 10мг/л перекиси водорода, что превышает предельно допустимую концентрацию.

С целью усиления антимикробного эффекта невысоких доз перекиси водорода (в концентраций 1-Змг/л) проведены опыты по обеззараживанию воды перекисью водорода в сочетании с ионами серебра и меди. Эти металлы обладают выраженным антимикробным эффектом, серебро более активно угнетает изученные микроорганизмы, чем медь в той же концентрации, хотя антимикробный спектр серебра и меди совпадает (Е. coli, Bac.denitrificans, proteus vulgaris, Az.agile, Вас. prodigiosum и др.). Антимикробный эффект меди в отношении Вас. Subtilis, Sarcina lutia, pseudomonas fluorescens, Вас.megatherium наступает только через 24ч, однако полной стерилизации воды при помощи ионов меди не достигается. В то же время серебро обладает высоким антимикробным эффектом и процент выживаемости бактерии после 24-часовой экспозиции равен нулю [34].

При комплексном использовании серебра и меди с перекисью водорода достигается высокий обеззараживающий эффект, ионы меди в большей степени усиливает антимикробный эффект перекиси водорода, чем серебро. Если обеззараживание воды перекисью водорода(Змг/л) наступало через 5-10мин, то для получения такого же эффекта с серебром необходим получасовой контакт. Эти данные подтверждаются литературными - ионы меди являются катализаторами разложения перекиси водорода и следовательно, могут активизировать процесс обеззараживания воды [35]. Металлы, обладающие олигодинамическим действием, такие, как медь серебро, являются катализаторами разложения перекиси водорода. Этим объясняется высокий антимикробный эффект при комплексном использовании меди и серебра с перекисью водорода. Для практики водоочистки представляет интерес комплекс перекиси водорода (Змг/л) и серебра в концентрации 0,05мг/л. При использовании серебра в концентрации 0,05мг/л отпадает необходимость в серебрении воды, это упростит технологическую схему обеззараживания воды серебром [36].

При обеззараживании воды коронным или барьерным разрядами кроме наработки перекиси водорода в разрядном промежутке происходит образование озона, который также участвует в процессе очистки воды. Образование озона происходит не только в данном разряде, но и при термических, фотохимических, электрохимических и химических процессах. Заметные количества озона обнаруживаются при воздействии тлеющего, дугового и искрового разрядов на кислороде содержащие газы. Перечисленные химические, физические и физико-химические процессы, сопровождающиеся образованием озона не нашли практического применения в технологии синтеза озона. Это объясняется низкой энергетической эффективностью данных процессов и высокой стоимостью конечного продукта.

В настоящее время образование озона в "тихом" (барьерном) и "коронном" разрядах - остаются практически единственными способами промышленного производства озона.

В таблице 1 приведены для сравнения данные по энергетическому выходу озона для различных способов его получения: термического, фотохимического, электрохимического, при химическом действии, в положительном столбе тлеющего разряда, дуговом разряде, искровом и различных типах коронных разрядов. В правой колонке приведены ссылки на литературу, используемую при составлении таблицы.

Генерация озона в коронном разряде, несмотря на высокий энергетический выход 8-60 кВт*ч/кг (для барьерного разряда 10-30 кВт*ч/кг), не имеет достаточно большого распространения.

Таблица 1.

Способ получения озона. Энергетический выход кВт*ч/кг. Литература.

Термический. Нет данных. [37-38]

Фотохимический. 312 [39-41]

Электрохимический. 410 [42-43]

При химическом действии. Нет данных. []

Тлеющий разряд. (ПС) 43,5 [44-46]

Дуговой разряд. 83 [47-49]

Барьерный разряд. 10-30 [50-82]

Коронный разряд постоянного тока и высокочастотная корона. 10-67 [83-90]

Импульсный коронный разряд. 8-30 [91-92]

Недостаточно широкое применение коронного разряда в технологии производства озона, вероятно, связано с рядом особенностей данного разряда: зависимость образования озона от материала электродов, времени работы аппарата, состава газа, параметров разрядного контура и др. Не маловажной причиной в этом отношении является малая величина тока разряда, приходящегося на единицу длины коронирующего электрода. Так, например, для воздушного промежутка между проволокой г=0,1 см и коаксиальным цилиндром 11=10см, давлении р=1 атм., и напряжении на разрядном контуре 40кВ ток разряда на единицу длины коронирующего электрода равен 4,6 мкА/см. а мощность 0,184 Вт/см [93]. При таких параметрах разряда значительно возрастают массогабариты озонаторной установки.

Коронные факельные разряды по энергетическим параметрам в десятки раз превосходят классические коронные разряды, поэтому изучение синтеза озона в данных разрядах, а именно в линейном коронном факельном разряде, представляет научный и практический интерес.

Актуальность работы.

Рассмотренные методы обеззараживания воды газоразрядной плазмой не находят широкого распространения по ряду причин технологического и экономического характеров. С этих точек зрения представляет большой интерес линейный коронный факельный разряд (ЛКФР).

Воздействие ЛКФР на воду с целью ее обеззараживания (по доступным литературным данным) практически не рассматривается. Тем не менее, данный разряд обладает рядом характеристик, позволяющих рекомендовать его для технологического использования.

Для технологического использования дезинфекционных свойств ЛКФР, горящего на воду, важным показателем является его стационарность во времени. Известно, что на устойчивость коронного факельного разряда с дискового электрода влияют многие факторы: напряжение, форма электродов, межэлектродное расстояние, состав газа и др. Проведенные исследования позволили вскрыть основные факторы, влияющие на стабильность разряда, но не было найдено простых способов их исключения. Исследования показывают, что наложение импульсной составляющей на постоянное напряжение коронного факельного разряда позволяет не только стабилизировать его энергетические параметры, но и реализовать пульсирующий разряд как с диска, так и в любых других конфигурациях разрядного контура (острие-плоскость, проводник в цилиндре, два параллельных проводника, провод над плоскостью и др.). При обеззараживании воды ЛКФР происходит синтез не только перекиси водорода, но и озона из воздуха. Особенности электросинтеза приведенных соединений в данном разряде сопровождается большим числом химических процессов и до настоящего времени практически не изучен. Поэтому не представляется возможным создание технологических устройств на основе ЛКФР без дополнительных исследований. В связи с этим, необходимо исследовать электрические и плазмохимические характеристики синтеза озона и перекиси водорода в ЛКФР, в зависимости от изменения геометрии, расположения и полярности электродов, формы разрядного контура, подводимого напряжения и мощности источника питания, рабочего давления и химического состава газа. Для оптимизации процесса обеззараживания воды разрядом и синтеза озона в ЛКФР необходима разработка математических моделей протекающих физико-химических процессов, учитывающих пространственную неоднородность разряда, колебательно-поступательную и химическую неравновесность плазмы, кинетику атомно-молекулярных превращений.

Поэтому комплексное исследование физико-химических явлений, протекающих в поле линейного коронного факельного разряда, является актуальной задачей.

Цель и задачи работы.

Исследование условий формирования стабильного во времени линейного коронного факельного разряда, реализуемого при напряжениях до 30 кВ и комплексное изучение электрических, энергетических, теплофизических и плазмохимических (синтез озона и перекиси водорода) процессов, протекающих при обеззараживании воды под воздействием данного разряда.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- найти условия существования стабильного во времени линейного коронного факельного разряда при напряжениях до 25 кВ;

- изучить статические и динамические характеристики ЛКФР при различных параметрах разрядного контура;

- разработать модель физических и плазмохимических процессов, протекающих в поле ЛКФР;

- изучить процессы, протекающие при воздействие ЛКФР на воду с целью ее обеззараживания и найти оптимальные режимы горения с энергетической и технологической точек зрения.

- исследовать синтез озона в ЛКФР, горящем в воздухе и кислороде, найти оптимальные режимы генерации озона и определить предельный энергетический выход озона для данного разряда;

Научная новизна:

1. Получен новый вид линейного коронного факельного разряда при напряжении положительной полярности до 25 кВ, реализуемый в любых конфигурациях разрядного контура (диск, параллельный плоскости, нить-плоскость, острие плоскость, провод в цилиндре и др.)

2. Установлено, что одними из основных факторов, определяющих стабильность ЛКФР, является наличие в разрядной цепи инициирующего разрядника

3. Выявлено, что ток в ЛКФР имеет основную импульсную составляющую и второстепенную по величине постоянную составляющую

4. Предложена математическая модель для численного анализа физических процессов в кислородной неравновесной плазме линейного коронного факельного разряда с учетом химических реакций, включающих образование озона

5. Впервые проведены исследования синтеза озона в линейном коронном факельном разряде, горящем на воздухе и кислороде.

6. Определены основные процессы, приводящие к разрушению и генерации перекиси водорода, при воздействии ЛКФР на воду. Результаты бактериологических исследований указывают на возможность применения данного разряда для очистки и обеззараживания воды в потоке

7. Выявлено, что при взаимодействии плазмы ЛКФР с водой в нее поступают кроме перекиси водорода и озона следующие соединения азота (ИНД N02" и N03*) в концентрациях ниже предельно допустимых норм.

Практическая значимость:

1. Результаты исследований энергетических характеристик ЛКФР показывают преимущества данного разряда при использовании в процессах электронно-ионной технологии в газах находящихся при высоком давлении. Удельная мощность разряда составляет до 6 кВт/м2, коронирующей площади. Плотность ионного тока достигает величины 0,34 А/и2.

2. Технологические устройства со стабилизированными во времени параметрами на основе ЛКФР можно реализовать при наличии в разрядной цепи инициирующего разрядника.

3. На основе линейного коронного факельного разряда возможно создание устройств для обеззараживания и очистки воды с л энергозатратами до 1 кВт#ч/м воды.

4. Полученные данные о синтезе озона в ЛКФР позволяют проектировать озонирующие установки, использующие в качестве рабочей среды воздух или кислород.

На защиту выносятся:

1. Линейный коронный факельный разряд при напряжении положительной полярности до 25 кВ, горящий с провода на плоскость.

Разряд формируется за счет инициирующего разрядника, введенного в разрядный контур.

2. Механизмы, влияющие на устойчивость горения ЛКФР и способы позволяющие стабилизировать его характеристики.

3. Статические и динамические вольтамперные характеристики (ВАХ) разряда определяющие механизмы протекания тока.

4. Математическая модель (уравнения, граничные условия, коэффициенты переноса, константы скоростей химических реакций) для численного анализа физических процессов в кислородной плазме коронного факельного разряда.

5. Механизмы плазмохимических реакций, способствующие генерации и разрушению перекиси водорода при обеззараживании воды ЛКФР.

6. Совокупность условий к разрядному контуру необходимых для генерации озона из воздуха и кислорода при минимальных удельных энергозатратах.

Апробация.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2й научной конференции Кыргызско-Российского Славянского университета (Бишкек-1995), International Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry (Milovy, Czech Republic, September 2-4, 1996), Международной научно-теоретической конференции, посвященной 5-летию образования Кыргызско-Российского Славянского университета (Бишкек-1998), Третьем международном конгрессе "Вода: Экология и технология" ЭКВАТЕК-98 (Москва, 26-30 мая 1998 г.), на конференции "Физика плазмы и плазменные технологии" (15-19 сентября, Минск, Беларусь 1997), in the 14th Ozone World Congress in Dearborn, Michigan, USA (August 22-26, 1999).

Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 119 страниц текста, две таблицы и 61 рисунок. Список цитируемой литературы включает 137 наименований.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Ким Кён Сук

Выводы.

1. При горении ЛКФР на воду основные реакции получения перекиси водорода протекают с участием колебательно возбужденных молекул азота.

2. При обеззараживании воды ЛКФР в зоне разряда и в воде протекает ряд конкурирующих механизмов синтеза и разрушения перекиси водорода, соотношение между которыми существенно зависит от периода нахождения воды в зоне разряда.

3. Разрушение перекиси водорода происходит в результате фотохимических реакций, при взаимодействии с озоном, хлором, ионами металлов переменной валентности. Потери перекиси происходят также при окислении органических соединений присутствующих в воде.

4. В результате плазмохимических реакций из зоны разряда в воду поступают азот содержащие соединения, регистрируемые как ионы аммония, азотной и азотистой кислоты. За время необходимое для обеззараживания воды их содержание не превышает предельно допустимых концентраций.

5. Удельные энергозатраты на обеззараживание воды ЛКФР составляют величину ~1 кВт*ч/м .

6. ЛКФР позволяет при работе на неосушенном воздухе получать

3 3 концентрации озона до 4 г/м , в кислороде до 6 г/м

7. Регулируя расход воздуха или кислорода и напряжение можно вывести ЖФР в область, где генерация озона будет осуществляться с энергозатратами не выше тех, которые приняты в промышленности, т.е. 25-35 кВт*ч/кг озона.

8. При горении ЖФР с электрода в виде провода диаметром 0,5 мм на плоскость, чем дальше удаляется коронирующий провод от плоскости, тем с меньшими удельными энергозатратами генерируется озон.

9. Экономически приемлемая удельная мощность для воздуха находится в интервале 10 - 35 Вт/м коронирующего провода. При этом удельная производительность составят 0,1 - 0,9 г/ч на метр коронирующего провода в интервале напряжений 15 - 18 кВ. Экономически приемлемая концентрация озона достигает до 1 г/м3.

10. Экономически приемлемая удельная мощность для кислорода при экономически приемлемых удельных энергозатратах достигает 10 Вт/м коронирующего провода. При этом удельная производительность составляет 0,2 - 0,45 г/ч на метр коронирующего провода в интервале напряжений 16-20 кВ. Экономически приемлемая концентрация озона достигает 2-4 г/м .

11. На кислороде, по сравнению с воздухом при экономически приемлемых энергозатратах достигается в 2 - 4 раза более высокая концентрация озона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Получен новый вид коронного разряда - линейный коронный факельный разряд при напряжениях горения 10-25 кВ. Разряд стационарен во времени и может быть реализован при самых различных конфигурациях разрядного контура (проводник или острие над плоскостью, проводник в цилиндре, два и более параллельных проводника и др.).

2. Установлено, что для зажигания ЛКФР в разрядную цепь необходимо вводить инициирующий разрядник. Это позволяет наложить на постоянное напряжение разряда импульсы длительностью ~200 не с амплитудой в максимуме 500- 2000 В и частотой 10-15000 гц. Основной ток разряда находится в импульсной составляющей, а 10% тока приходится на постоянную составляющую.

3. Обнаружено, что ЛКФР состоит из трех взаимосвязанных разрядов: импульсного коронного разряда, положительной классической короны, горящей между импульсами, и искрового разряда. Импульсная и классическая короны горят в одной области пространства, последовательно сменяя во времени одна другую, а искровой разряд горит в другой области пространства (последовательно по электрической схеме) управляя процессом смены одного типа коронного разряда другим.

4. Предложена математическая модель, (уравнения, граничные условия, коэффициенты переноса, константы скоростей химических реакций) для численного анализа физических процессов протекающих в кислородной плазме коронного факельного разряда с учетом наиболее вероятного механизма химических реакций, включающих образование озона в условиях термохимической неравновесности рабочей среды. Проведен численный анализ влияния формы и размеров коронирующего электрода и разрядного контура, подводимого напряжения на величину и распределение электрического поля в термически и химически неравновесной плазме.

5. Отмечено, что при обеззараживании воды линейным коронным факельным разрядом протекает ряд конкурирующих механизмов синтеза и разрушения перекиси водорода и озона. Основная реакция получения перекиси водорода протекает с участием колебательно возбужденных молекул азота. Разрушение перекиси водорода происходит в результате фотохимических реакций, при взаимодействии с озоном, хлором, ионами металлов переменной валентности. Потери перекиси водорода происходят при окислении органических соединений присутствующих в воде. В результате плазмохимических реакций из зоны разряда в воду поступают азотосодержащие соединения, регистрируемые как ионы аммония, азотной и азотистой кислот. За время необходимое для обеззараживания воды их содержание не превышает предельно допустимых концентраций. Удельные энергозатраты на обеззараживание воды линейным коронным л факельным разрядом составляют величину ~1 кВт*ч/м . Изменяя параметры ЛКФР генерацию озона в нем можно производить как из воздуха так и кислорода с энергозатратами не выше принятых в промышленности, т.е. 25 - 35 кВт*ч/кг озона.