DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2019.3.08

МИКРО- И НАНОСЕКУНДНЫЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЯХ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И ОЧИСТКИ ВОДЫ

N. I. Boyko, A. V. Makogon

Анотація


Цель. Сравнение электрических схем экспериментальных установок для получения микро- и наносекундных разрядов в газовых пузырях в воде и сравнение полученных экспериментальных результатов обеззараживания воды при помощи таких разрядов. Методика. Для получения высоковольтных импульсов на нагрузке в виде пузырьков газа и слоя воды с частотой более 2000 импульсов в секунду предложен способ генерации микро- и наносекундных импульсов с использованием генераторов импульсов высокого напряжения на основе импульсного трансформатора по схеме Тесла с транзисторным размыкающим переключателем IGBT в низковольтной части цепи. Токоограничивающий резистор с сопротивлением Rcl = 24 кОм используется для защиты транзисторного переключателя при микросекундных разрядах. При наносекундных разрядах многозазорный искровой разрядник используется для обострения фронта импульсов высокого напряжения. Мы использовали емкостный делитель напряжения с коэффициентом деления Kd = 7653 для измерения импульсов напряжения, шунт с сопротивлением Rs = 2,5 Ом – для измерения импульсов тока. В качестве записывающего устройства использовался цифровой осциллограф RIGOL DS1102E с полосой пропускания 100 МГц. Результаты. Экспериментально исследовано влияние микро- и наносекундных разрядов в газовых пузырях на микроорганизмы. Удалось уменьшить биохимическое потребление кислорода воды при микросекундных разрядах, снизить мутность воды, улучшить органолептические показатели. Энергия, выделяемая в одном импульсе при микросекундных разрядах, составляет Wμ ≈ 17 мДж, а при наносекундных разрядах – Wn ≈ 7,95 мДж. При наносекундных разрядах достигнута полная инактивация бактерий E.coli. Обеззараживающее и очищающее действие наносекундных импульсов лучше по сравнению с микросекундными импульсами из-за увеличения амплитуды импульсного напряжения до 30 кВ, а импульсного тока до 35 А. Научная новизна. Экспериментально показана возможность эффективного микробиологического обеззараживания воды при помощи наносекундных разрядов в газовых пузырях при малых удельных затратах энергии. Практическая значимость. Полученные экспериментальные результаты по обеззараживанию воды при помощи микро- и наносекундных разрядов открывают перспективу промышленного применения установок с использованием таких разрядов для обеззараживания и очистки сточных вод, бассейнов и доочистки водопроводной воды.

Ключові слова


высоковольтный генератор; микро- и наносекундные импульсы; разряд в газовых пузырях в воде; обеззараживание и очистка воды разрядами; инактивация микроорганизмов

Повний текст:

PDF ENG (English) PDF RUS

Посилання


Gershman S., Mozgina O., Belkind A., Becker K., Kunhardt E. Pulsed Electrical Discharge in Bubbled Water. Contributions to Plasma Physics, 2007, vol.47, no. 1-2, pp. 19-25. doi: 10.1002/ctpp.200710004.

Boyko N.I., Makogon A.V. Experimental plant for water purification with the help of discharges in gas bubbles. Technical Electrodynamics, 2017, no.5, pp. 89-95. doi: 10.15407/techned2017.05.089.

Boyko N.I., Makogon A.V. Generator of high-voltage nanosecond pulses with repetition rate more than 2000 pulses per second for water purification by the discharges in gas bubbles. Technical Electrodynamics, 2018, no.4, pp. 37-40. doi: 10.15407/techned2018.04.037.

Boyko M.I., Makogon A.V., Marynin A.I. Energy efficiency of the disinfection treatment of liquid foodstuffs by high-voltage pulse effects. Electrical engineering & electromechanics, 2018, no.3, pp. 53-60. doi: 10.20998/2074-272X.2018.3.07.

Trofimova S.V., Ivanova I.P., Bugrova M.L. The analysis of structural changes of prokaryotic and eukaryotic cell under the influence of plasma spark radiation. Fundamental research, 2013, no.4(part 1), pp. 130-133. (Rus).

Ivanova I.P., Trofimova S.V., Piskaryov I.M., Burkhina О.Е., Sysoeva V.А., Karpel Vel Leitner N. The Study of Biocidal Mechanisms of Spark Discharge Plasma Radiation. Modern Technologies in Medicine, 2012, no.3, pp. 12-18. (Rus).

Available at: http://www.chem.msu.su/rus/handbook/redox/elem_dat/o.html (accessed 13 June 2018). (Rus).

Nazarenko O.B, Shubin E.G. Investigation of Electric Discharge Treatment of Water for Ammonium Nitrogen Removal. Proceedings of the 2nd Environmental Physics Conference, 18-22 Feb. 2006, Alexandria, Egypt, pp. 85-90.

Iavorovskii N.A., Kornev Ya.I., Preis S.V., Pel'tsman S.S., Khaskel'berg M.B., Chen B.N. Pulsed barrier discharge as a method of water treatment: active particles-oxidizing agents in the water-air flow. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2006, vol.309, no.2, pp. 108-113. (Rus).


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Gershman S., Mozgina O., Belkind A., Becker K., Kunhardt E. Pulsed Electrical Discharge in Bubbled Water // Contributions to Plasma Physics. – 2007. – vol.47. – no. 1-2. – pp. 19-25. doi: 10.1002/ctpp.200710004.
  2. Boyko N.I., Makogon A.V. Experimental plant for water purification with the help of discharges in gas bubbles // Technical Electrodynamics. – 2017. – no.5. – pp. 89-95. doi: 10.15407/techned2017.05.089.
  3. Boyko N.I., Makogon A.V. Generator of high-voltage nanosecond pulses with repetition rate more than 2000 pulses per second for water purification by the discharges in gas bubbles // Technical Electrodynamics. – 2018. – no.4. – pp. 37-40. doi: 10.15407/techned2018.04.037.
  4. Boyko M.I., Makogon A.V., Marynin A.I. Energy efficiency of the disinfection treatment of liquid foodstuffs by high-voltage pulse effects // Electrical engineering & electromechanics. – 2018. – no.3. – pp. 53-60. doi: 10.20998/2074-272X.2018.3.07.
  5. Трофимова С.В., Иванова И.П., Бугрова М.Л. Анализ структурных изменений прокариотических и эукариотических клеток под действием излучения плазмы искрового разряда // Фундаментальные исследования. – 2013. – №4(часть 1). – С. 130-133.
  6. Иванова И.П., Трофимова С.В., Пискарев И.М., Бурхина О.Е., Сысоева В.А., Карпель Вель Лейтнер Н. Исследование механизмов биоцидного действия излучения плазмы искрового разряда // Современные технологии в медицине. – 2012. − №3. − С. 12-18.
  7. http://www.chem.msu.su/rus/handbook/redox/elem_dat/o.html.
  8. Nazarenko O.B., Shubin E.G. Investigation of Electric Discharge Treatment of Water for Ammonium Nitrogen Removal // Proceedings of the 2nd Environmental Physics Conference. – 18-22 Feb. 2006, Alexandria, Egypt. – pp. 85-90.
  9. Яворовский Н.А., Корнев Я.И., Прейс С.В., Пельцман С.С., Хаскельберг М.Б., Чен Б.Н. Импульсный барьерный разряд как метод обработки воды: активные частицы-окислители в водо-воздушном потоке // Известия Томского политехнического университета. − 2006. − Т.309. – №2. − С. 108-113.

 





Copyright (c) 2019 N. I. Boyko, A. V. Makogon


This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

ISSN 2074–272X (Print)
ІSSN 2309–3404 (Online)