Способ свч-плазменной активации воды для синтеза пероксида водорода и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2761437:
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ «ВАНДЕР ТЕХНОЛОДЖИС» (RU)
Изобретение относится к электрофизическим способам получения химически чистого пероксида водорода в форме водного раствора и может быть использовано в здравоохранении, медицине, пищевой промышленности, растениеводстве. Способ СВЧ-плазменной активации воды для синтеза пероксида водорода основан на непрерывной генерации плазмы безэлектродным факельным разрядом, который создают СВЧ-плазмотроном, генерирующим в парогазовой среде герметичной камеры направленную струю низкотемпературной плазмы инертного газа, воздействующей на обрабатываемую воду и водяной пар, возникающий в результате испарения поверхностного слоя воды под воздействием газоплазменной струи. При этом создают дополнительный поток водяного пара, который подают в СВЧ-плазмотрон коаксиально направленному потоку плазмы инертного газа. Осуществляют конденсацию пара в процессе плазменной активации воды, а конденсат направляют в герметичную камеру с обрабатываемым водой. Предложено устройство СВЧ-плазменной активации воды для синтеза пероксида водорода. Изобретения позволяют обеспечить получение чистого раствора пероксида водорода без примесей, таких как окислы азота, а также надежную работу СВЧ-плазмотрона. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.
Изобретение относится к электрофизическим способам получения химически чистого пероксида водорода (далее - ПВ, химическая формула Н2О2) в форме водного раствора в результате прямого воздействия на воду плазмой безэлектродного СВЧ разряда в среде инертного газа и паров воды при атмосферном давлении и может быть использовано в здравоохранении, медицине, пищевой промышленности, растениеводстве и других областях техники, где используются активные формы кислорода (далее - АФК), безопасно сохраняемые в водном растворе.
Известен способ получения активной воды или раствора, использующий физическое воздействие на воду, отличающийся тем, что в роли физического фактора используют ультрафиолетовое (УФ) излучение, создаваемое газоразрядными источниками в кварцевых оболочках с плотностью потока мощности, падающей на поверхность воды ≥0,4 Вт/см2 (Патент RU 2151742 C1). УФ излучение образует в воде радикалы ОН•, предшественники образования Н2О2. УФ излучение создавали, например, дуговой ртутной лампой (ДРЛ). Граница пропускания УФ спектра излучения этой лампы с кварцевой оболочкой соответствует длине волны 170 нм, что обеспечивает выход излучения линии ртути 185 нм с энергией ≤ 6,7 эВ. Существуют источники излучения вакуумной части УФ спектра, (далее - ВУФ) с энергиями квантов 10-15 эВ, которое не выходит через кварцевую оболочку ламп. Такие ВУФ источники могут быть реализованы в открытом пространстве вблизи поверхности активируемой воды.
Известен способ плазменной активации воды или водных растворов, разработанный в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН [1], [2], который осуществляют следующим образом: в объеме водного раствора электролита (например, физиологический раствор) формируют электродный плазменный разряд с высокочастотной накачкой. Электродами плазменного разряда являются погруженный в жидкость "горячий" металлический электрод и жидкий квазиэлектрод на границе плазма-электролит. Формирование жидкого квазиэлектрода вокруг поверхности металлического электрода ведет к образованию однородного по толщине (~ 1.5∙10-4 м) плазменного слоя из паров воды с постоянной плотностью тока. Возбуждение плазмы производят высокочастотным током с частотой следования импульсов 110 кГц при амплитудном значении напряжения на металлическом электроде до 300 В. Для замыкания электрической цепи используется второй металлический электрод большей площади, также погруженный в жидкость. Замыкание тока между электродами внутри жидкости осуществляется в том случае, если вода содержит растворенные соли, т.е. является электролитом. Взаимодействие свободных горячих электронов (е) плазмы водяного пара с молекулами воды приводит к их диссоциации с образованием ионов и радикалов (Н- и Н•) и гидроксильных радикалов ОН•, которые в результате плазмохимических реакций приводят к образованию водорода и пероксида водорода Н2О2.
Указанный способ плазменной активации воды или водных растворов позволяет получать активированную воду, содержащую ПВ - эффективный регулятор роста растений, но так как активация является контактной - оба электрода погружены в активируемую жидкость, неизбежно растворение в воде материала электродов, что не позволяет широко использовать получаемую воду, активированную плазмой, например, в медицине.
Также известен способ синтеза Н2О2 при прямом воздействии аргоновой плазмой на поверхность воды, раскрытый в статье «Прямой синтез пероксида водорода при взаимодействии плазмы с водой» [3], в котором плазма атмосферного давления зажигается от источника постоянного тока напряжением 500 В в зазоре шириной 3 мм между двумя вертикальными электродами, одним из которых служит вольфрамовая трубка, через которую в зазор подается аргон, а вторым - металлическая труба с открытым сверху торцом, по которой вверх подается вода, стекающая с края трубы. Вода содержит примесь соли и является проводящим электролитом, благодаря которому между вольфрамовой трубкой и водой через плазму и границу раздела плазмы и водным электролитом происходит перенос заряда. Синтез Н2О2 является следствием явления переноса зарядов в воду, включая распыление, эмиссию гидратированных ионов, вызванную электрическим полем, и испарение. Производительность по Н2О2 достигает ~ 1200 мкмоль/час, когда жидкий катод представляет собой очищенную воду или водный раствор NaCl с начальной проводимостью 10500 мкСм.
Данный способ плазменной активации воды или водных растворов позволяет получать активированную воду, содержащую ПВ, но так как активация является контактной, поскольку оба электрода погружены в активируемую жидкость, неизбежно растворение металла электродов с образованием окислов в получаемом растворе под влиянием ПВ, которые становятся катализаторами разложения самого ПВ, что, однако, не мешает использовать активированный раствор в течение продолжительности жизни ПВ в сельском хозяйстве для обработки семян и полива растений.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и решаемой задаче является способ плазменной активации воды или водных растворов, в котором осуществляют прямое воздействие на поверхность воды струей низкотемпературной плазмы аргона, получаемой безэлектродным факельным СВЧ плазмотроном при атмосферном давлении (Патент RU № 2702594, опубл. 08.10.2019 г.). При этом активация воды идет одновременно двумя путями - прямым воздействием плазмы на поверхность воды и излучением плазмы, содержащим ВУФ. По сравнению с другими электрофизическими методами получения растворов ПВ с сопутствующими химическими продуктами, c учетом того, что вода исходно должна быть электролитом, имеющим электропроводность, преимущество данного метода активации состоит в том, что для получения чистых ПВ может быть использована дистиллированная вода, которая не имеет электропроводности, так как является диэлектриком.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство плазменной активации воды или водных растворов (Патент RU № 2702594, опубл. 08.10. 2019 г.). Устройство представляет собой СВЧ плазмотрон, состоящий из магнетрона, источника его питания, волноводной системы, системы подачи газов: аргона, используемого в качестве плазмообразующего газа, азота, используемого в качестве газа, стабилизирующего горение факела, и, наконец, самой коаксиальной «горелки» плазмотрона, формирующей в открытой атмосфере направленную струю плазмы аргона. Струя плазмы касается поверхности обрабатываемой воды (водного раствора) и может частично в нее погружаться. Мощность факельного СВЧ плазмотрона может составлять 1 кВт и более. Плотная сердцевина плазменной струи имеет диаметр 0.2-0.3 см, длину струи ~3 см для частоты СВЧ 2,45 ГГц. Температура газа в плазме достигает (4÷5)×103 °С, а электронная температура ≤1,5 эВ. Высокая скорость истечения аргона из узкого, диаметром 1,5 мм сопла на конце внутреннего проводника коаксиальной «горелки» не дает факельному разряду, фронт которого движется по струе аргона навстречу потоку, достигнуть сопла, благодаря чему сопло не нагревается плазмой, что позволяет данный тип факельного разряда считать безэлектродным. Отсутствие линий материала сопла в оптическом эмиссионном спектре плазмы характеризует отсутствие загрязнения плазмы материалом сопла.
Для изоляции от воздуха рабочей части плазмотрона, (далее - горелка), она помещается через уплотнение в герметичную камеру из нержавеющей стали, в которой работа плазмотрона на истекающей струе аргона стабилизируется молекулярными газами, например азотом, который дополнительно вводится в плазмотрон.
Данные способ и устройство позволяют получать достаточно чистые активированные растворы ПВ, не содержащие примесей, таких, например, как окислы металлов, которые могут быть катализаторами распада ПВ. Чистые растворы ПВ могут долго сохраняться и без добавления стабилизирующих добавок - ингибиторов ПВ.
Однако упомянутые способ и устройство (Патент RU № 2702594), несмотря на присущие им достоинства, имеют следующие недостатки. Так, при включении СВЧ поля без предварительного создания вокруг струи аргона атмосферы молекулярного газа, протекающего внутри кварцевой трубки, может возникнуть дуговой разряд между соплом и стенкой коаксиального экрана плазмотрона, а не ожидаемая ионизация струи аргона с формированием факела. И несмотря на наличие под плазмотроном воды или иной среды, плазмотрон может сгореть. Молекулярный газ необходим в качестве газового изолятора вокруг сопла плазмотрона, выполняя роль стабилизирующего фактора горения для защиты плазмотрона от пробоя, переходящего в дуговой разряд. Молекулярные газы вследствие диссоциации вокруг факела распадаются на атомы и уносимые потоком не успевают ионизироваться, чтобы спровоцировать дуговой разряд. При этом пар образуется на поверхности воды в установившемся факельном разряде при стабилизации азотом в процессе плазменной активации.
Между тем образование пара на поверхности воды в прототипе носит нестабильный характер, что не гарантирует надежной работы плазменного факела без применения азота в качестве стабилизирующего фактора.
Таким образом для надежной работы устройства и стабильного «горения» разряда необходим азот, который в высокотемпературной струе аргона при взаимодействии с водой и паром образует окислы азота, растворяемые в воде в виде нитритов и нитратов (NOx) одновременно с образованием ПВ. Полученная активированная вода, содержащая ПВ и окислы азота, находит применение в растениеводстве в качестве комплексного регулятора роста, благодаря его стимулирующему воздействию на рост растений и всхожесть семян, синергизму ПВ и окислов NOx. Между тем, не менее важно получать растворы чистого ПВ без каких-либо сопутствующих соединений, с целью их применения не только в сельском хозяйстве, но и в других областях - биологии и медицине. В частности, чистые растворы ПВ используются в гипероксигенационной терапии рака в виде инъекций [4].
Другой недостаток прототипа в осуществлении плазменной активации воды или водных растворов в воздушной атмосфере состоит в потере активированного пара, образующегося в зоне взаимодействия горячей плазмы с водой, поскольку пар удаляется вместе с отходящими газами в вентиляцию, что снижает эффективность данного способа получения активированной воды.
Основной задачей заявляемого способа и устройства СВЧ - плазменной активации воды или водных растворов для синтеза пероксида водорода является получение чистого раствора ПВ в водно-паровой атмосфере с помощью плазмы инертного газа (аргона), исключающее появление в растворе окислов азота или других примесей, а также устранение потерь из реактора активированного водяного пара.
Технический результат заявляемой группы изобретений - повышение степени чистоты водного раствора ПВ путем исключения примеси нитратов, и повышение надежности работы устройства за счет стабилизации его работы потоком пара вместо азота, и, тем самым - исключения его выхода из строя.
Дополнительно достигается повышение эффективности и производительности устройства, за счет полного устранения потерь из реактора активированного водяного пара, а также расширение области применения полученного ПВ, поскольку отсутствие в нем окислов азота и иных примесей позволит применять раствор ПВ не только в сельском хозяйстве, но и в других областях - биологии и медицине.
Технический результат достигается тем, что в известном способе СВЧ - плазменной активации воды для синтеза пероксида водорода, основанном на непрерывной генерации плазмы безэлектродным факельным разрядом, который создают СВЧ плазмотроном, генерирующим в парогазовой среде направленную струю низкотемпературной плазмы инертного газа, воздействующей на обрабатываемую воду и водяной пар, возникающий в результате испарения поверхностного слоя воды в герметичной камере под воздействием газо-плазменной струи, создают дополнительный поток водяного пара, который подают в СВЧ плазмотрон коаксиально направленному потоку плазмы инертного газа, в процессе плазменной активации воды осуществляют конденсацию пара, а полученный конденсат направляют в герметичную камеру с обрабатываемой водой.
В качестве инертного газа предпочтительно использовать гелий или аргон.
Направленную струю низкотемпературной плазмы подводят к поверхности воды или водного раствора или частично погружают в него.
Поток водяного пара пропускают сквозь плазмотрон по коаксиальному каналу плазмотрона, сформированному кварцевой или керамической трубкой-изолятором.
Конденсацию пара предпочтительно осуществлять в конденсаторе, установленном вертикально над герметичной камерой, при этом образовавшийся конденсат возвращают в камеру с активируемым плазмой водным раствором.
Оптимально осуществлять регулирование скорости подачи инертного газа, пара, уровня СВЧ мощности разряда и скорости отбора воды с пероксидом водорода с помощью системы автоматического управления.
Предпочтительно удалять отработанный инертный газ через конденсатор.
Технический результат достигается также тем, что в известное устройство СВЧ -плазменной активации воды для синтеза пероксида водорода, содержащее СВЧ плазмотрон, включающий магнетрон, прямоугольный волновод и коаксиальный волновод, содержащий центральный проводник, причем рабочая часть СВЧ плазмотрона размещена в герметичной камере с обрабатываемой водой, и баллон сжатого газа, соединенный с центральным проводником, дополнительно введены парогенератор, соединенный с коаксиальным волноводом плазмотрона, и конденсатор, соединенный с герметичной камерой.
Предпочтительно конденсатор установить вертикально над герметичной камерой, соединенной с конденсатором через патрубок.
Трубопровод, соединяющий парогенератор с плазмотроном, предпочтительно снабдить термоизоляцией.
Центральный проводник коаксиального волновода может быть выполнен в виде медной трубки, содержащей сопло для формирования направленной струи плазмообразующего газа.
Оптимально коаксиальный волновод герметично изолировать от прямоугольного волновода радиопрозрачной кварцевой трубкой-изолятором.
Конденсатор может иметь кожухо-трубную конструкцию, снабженную в верхней части вентилем для выхода инертного газа в атмосферу.
Герметичная камера содержит регулируемый сливной клапан.
Устройство может дополнительно содержать циркулятор с поглощающей нагрузкой.
Предпочтительно ввести в устройство систему автоматического управления, выполненную с возможностью регулирования режимов скорости подачи пара, уровня СВЧ мощности разряда и скорости отбора обработанной воды для обеспечения постоянного уровня воды в реакторе.
Герметичная камера может быть снабжена датчиком уровня воды.
Оптимально выполнить герметичную камеру с оптически прозрачными окнами для мониторинга характеристик плазменного факела по оптическим эмиссионным и абсорбционным спектрам, фиксируемым с помощью спектрометров.
Герметичная камера и конденсатор содержат контуры водяного охлаждения.
Герметичная камера может дополнительно содержать емкость для обрабатываемой воды.
Указанная совокупность отличительных существенных признаков заявляемого способа и устройства обеспечивает надежную и стабильную работу СВЧ плазмотрона за счет использования водяного пара, подаваемого в плазмотрон вместо азота в связи со следующим. Использование с той же целью молекулярных газов химических элементов, из которых состоит вода: кислорода или водорода является небезопасным из-за проблем, порождаемых их химической активностью. Так, плазма аргона в кислородной среде может спровоцировать химическое горение сопла плазмотрона, переход факельного режима разряда в дуговой разряд с повреждением всех важных частей плазмотрона: сопла, изолирующей кварцевой трубки и коаксиального волновода, что приведет к полному выходу плазмотрона из строя. Поджиг разряда в атмосфере водорода взрывоопасен из-за возможного присутствия кислорода или остатков воздуха в камере реактора на старте. Вследствие этого наиболее предпочтительной возможностью решения задачи стабилизации горения факельного разряда является использование водяного пара, который является продуктом горения, но при атмосферном давлении в сочетании с плазмой аргона безопасен. В заявляемом изобретении в реакциях участвуют только вода, водяной пар и инертный газ, например, аргон. При этом введение парогенератора, позволяет дополнительно реализовать две функции, одна из которых - подготовка пара для стабилизации горения факела, а другая - непрерывное пополнение герметичной камеры водой для поддержания ее уровня за счет конденсации пара и возврата его из конденсатора в камеру. В прототипе процесс обработки воды не был поточным (непрерывным), в нем камера заполнялась заданным количеством воды, которое уменьшалось в процессе обработки из-за потери воды вместе с паром, уходящим вместе с аргоном.
При этом в связи с реализацией практически непрерывного процесса производства перекиси водорода в заявляемом устройстве возникает дополнительный технический результат - повышение эффективности в связи с устранением потерь пара из реактора. В техническом решении по прототипу пар с отработанным аргоном удаляется через вентиляцию, а в заявляемом устройстве с помощью конденсатора, установленного над герметичной камерой, пар в виде конденсата возвращается в камеру, а отработанный аргон удаляется.
Таким образом использование независимого источника пара, который создается не в самой камере, а вне ее, и пропускается через кварцевую трубку, выступающую в роли парового изолятора, защищающего плазмотрон от дугового пробоя между соплом и экраном коаксиального волновода, позволяет обеспечить надежную работу плазмотрона, за счет создания устойчивого режима горения факела.
При этом исключается необходимость использования молекулярных газов, и в том числе наиболее безопасного в отношении пробоя - азота. Исключение азота устраняет присутствие окислов азота, растворенных в воде, концентрация которых может в разы превышать концентрацию пероксида водорода. В качестве главных компонентов взаимодействия при этом остаются аргон, вода и водяной пар из парогенератора. Вследствие этого обеспечивается непрерывное производство пероксида водорода высокой степени чистоты.
Водяной пар с трудом поддается ионизации, поскольку даже относительно небольшая его концентрация достаточна для того, чтобы факельный разряд не перешел в режим разрушительного дугового разряда.
Использование вместо азота водяного пара для поддержания стабильного горения СВЧ факела позволяет добиться следующих преимуществ: надежной стабилизации горения СВЧ факела; исключения многообразных химических реакций в сочетании с различными химическими элементами (кроме водорода и кислорода); организации непрерывного цикла пополнения воды с поступлением пара и отбора активированной воды (раствора) без остановки процесса СВЧ обработки.
Заявляемый способ и устройство поясняются следующими чертежами.
На фиг. 1 схематично представлена конструкция заявляемого устройства
На фиг. 2 изображен вид сверху конструкции заявляемого устройства
Устройство для осуществления бесконтактной плазменной активации воды или водных растворов содержит СВЧ-плазмотрон 1, включающий магнетронный генератор 2, прямоугольный 3 и коаксиальный 4 волноводы. Внутренний объем коаксиального волновода 4 герметично изолирован от объема прямоугольного волновода 3 кварцевой трубкой-изолятором 5, установленной на витоновых уплотнительных кольцах 6. Центральный проводник 7 коаксиального волновода 4 представляет собой медную трубку для подачи плазмообразующего инертного газа, например, аргона или гелия, поступающего из баллона 8 со сжатым газом через редуктор 9. Центральный проводник 7 заканчивается соплом 10 с отверстием, диаметром, например, 1,5 мм для формирования направленной струи инертного газа, в которой в результате ионизации под действием СВЧ поля образуется струя плазмы 11. Рабочая часть СВЧ-плазмотрона 1 помещена через сальниковое уплотнение 12 из витона в герметичную камеру 13, выполненную из нержавеющей стали с двойными стенками 14, образующими контур водяного охлаждения камеры, наполненной обрабатываемой водой или водным раствором. Герметичная камера может быть снабжена дополнительной емкостью (на чертеже не показана), в которой можно разместить обрабатываемую воду. Давление в камере 13 поддерживается выше атмосферного р≥1 атм, при этом аргон и часть водяного пара из герметичной камеры 13 выходят через выпускной патрубок 15, к которому сверху присоединен конденсатор 16, имеющий кожухо-трубную конструкцию, и контур водяного охлаждения 17. Пар, конденсируется в полых трубках конденсатора 16, конденсат стекает в камеру 13, а плазмообразующий газ через вентиль 18 (фиг.1) выходит в атмосферу, либо может использоваться в дальнейшей работе устройств.
Для эффективной передачи СВЧ мощности от магнетрона 2 в плазменный факел используется настройка согласования СВЧ плазмотрона поршнем 19 (Фиг. 2).
Защита магнетрона 2 от отраженной волны при погаснувшем плазменном факеле из сопла 10 обеспечивается циркулятором 20 с поглощающей нагрузкой 21, который отводит энергию отраженной волны по волноводному ответвлению 22 к нагрузке 21, имеющей свой контур водяного охлаждения (на чертежах не показан). Герметичная камера 13 заполняется обрабатываемой водой (водным раствором) до заданного рабочего уровня, который поддерживается неизменным, например, с помощью системы автоматического управления (далее - САУ) в течение всего времени обработки воды плазменным факелом. САУ поддерживает оптимальные условия для обработки воды (или водного раствора) в области соприкосновения плазменного факела с поверхностью воды. САУ соединена с датчиком уровня жидкости 23, установленным в камере 13. Датчик уровня 23 может быть выполнен в различных вариантах исполнения. Например, представлять собой поплавок с герконом (гермоконтактом), с нормально замкнутым/разомкнутым контактом, срабатывающим вблизи магнита, закрепленного на стенке камеры 13. Для визуального наблюдения факела в камере 13 могут быть выполнены оптически прозрачные окна 24, через которые можно также вести мониторинг характеристик плазменного факела 11 по оптическим эмиссионным и абсорбционным спектрам, фиксируемым с помощью спектрометра 25.
Для стабилизации работы СВЧ плазмотрона паром, его подают в плазмотрон от генератора пара 26 через трубопровод 28 и вентиль 27, создавая вокруг сопла и горящего плазменного факела 11 коаксиальный поток водяного пара. Для исключения конденсации пара в трубопроводе 28 и вентиле 27 предусмотрен слой теплоизоляции (на чертежах не показан), благодаря чему они нагреваются до равновесной температуры потоком самого пара. При стабилизации разряда паром, объем воды в камере 13 будет увеличиваться за счет воды из конденсированного пара, что может привести к чрезмерному затоплению плазменного факела 11 и прекращению стабильной работы плазмотрона. Поэтому необходимо непрерывно поддерживать баланс между поступлением воды с паром и отбором обработанной воды через регулируемый сливной кран 29. Этот баланс может поддерживаться САУ, алгоритм управления которой основан на поддержании постоянного уровня воды в камере 13, контролируемого с помощью датчика уровня 23. САУ связана с системой газоснабжения, представленной баллоном сжатого газа 8 и редуктором 9, генератором пара 26, системой подачи воды (на чертежах не показана), источником высоковольтного питания магнетрона (на чертежах не показан), с датчиком уровня 23 воды и регулируемым сливным краном 29 для отбора воды из герметичной камеры 13.
При превышении уровня воды в камере 13 выше установленного, сигнал с датчика 23 поступает в САУ для управления скоростью отбора воды или ограничения подачи пара. При понижении уровня воды в камере, когда плазменный факел 11 выходит из контакта с водой, вследствие чего эффективность обработки воды резко снижается, датчик 23 подает сигнал в САУ, которая соответственно подает сигнал управления на снижение скорости отбора воды или усиления потока пара в соответствии с заданным алгоритмом. Функция управления отбором воды или регулирования подачи пара реализуется с помощью регулируемого клапана 27 и регулируемого сливного крана 29, управляемых САУ.
Конденсатор 16, имеет кожухо-трубную конструкцию и представляет собой теплообменник, используемый для конденсации пара на внутренней поверхности тонких трубок из нержавеющей стали, объединенных в кассету, заключенную внутри трубы - кожуха. Наружная поверхность трубок конденсатора 16 охлаждается водой внутри кожуха, поступающей из контура водяного охлаждения 17. Общая поверхность трубок рассчитана на полную конденсацию пара, поступающего в холодильник даже при максимальных режимах парообразования. До вентиля 18 конденсатора 16 пар не доходит, превращаясь по пути к нему в конденсат, который стекает в камеру 13 через патрубок 15. В устройстве действуют два источника пара - парогенератор 26, стабилизирующий «горение» факела и пар, возникающий на поверхности активируемой воды при ее контакте с нагретой до 4000 К плазмы факела. Отношением интенсивности генерации пара обоими источниками можно управлять, изменяя мощность внешнего парогенератора и варьируя степень контакта плазмы факела с водой. При этом изменение уровня СВЧ мощности разряда, влечет за собой изменение скорости подачи пара для стабилизации разряда и скорости отбора воды, согласно заданному алгоритму, по которому работает САУ, управляющая работой узлов и блоков устройства.
Мощность магнетрона факельного СВЧ плазмотрона может составлять 700-6000 Вт. В качестве источника плазмы в заявляемом способе бесконтактной плазменной активации воды или водных растворов используется факельный СВЧ плазмотрон 1 с емкостной связью, генерирующий в парогазовой среде при атмосферном давлении струю низкотемпературной плазмы, направленную сверху вниз. Плазменный столб факела образуется в струе вытекающего из сопла 10 инертного газа в результате его ионизации. СВЧ поле поверхностной электромагнитной волны, самоподдерживается границами плазменного столба. Поперечные размеры плазменного столба определяются газодинамическими характеристиками сопла. Длина проводящего столба плазмы определяется оптимальной длиной для несимметричной излучающей дипольной антенны, равной четверти длины СВЧ волны в пустоте.
Высокая скорость истечения газа из узкого сопла 10 не дает факельному разряду 11, фронт которого движется в обратном направлении навстречу потоку, достигнуть сопла, при этом сопло не греется, что позволяет данный тип факельного разряда считать безэлектродным. При появлении границы жидкости на пути плазменного факела газо-плазменная струя выдавливает на поверхности жидкости ямку в виде «мениска» и растекается в стороны и вверх симметрично от центра мениска по его поверхности в соответствии с законами газодинамики.
В уровне техники известно использование СВЧ плазмотрона факельного типа при атмосферном давлении в оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) в качестве источника сжатой ярко светящейся чистой плазмы [5], используемой для обработки, возбуждения и анализа газообразных сред [6]. Благодаря малому объему факел зажигается и устойчиво горит в окружении молекулярных паров и газов при атмосферном давлении даже при относительно низкой СВЧ мощности ≤ 900 Вт, которая может быть получена от доступных на рынке магнетронов, например, бытовых СВЧ печей. Самосжатая форма плазменного факела имеет высокую удельную плотность поглощаемой СВЧ мощности ≤ 104 Вт/см3, сравнимую с удельной плотностью в дуге постоянного тока.
При достаточно высокой скорости истечения струи аргона плазменный факел оторван от сопла, благодаря чему факельный СВЧ разряд относится к категории безэлектродных разрядов.
Заявляемое устройство, реализующее способ СВЧ - плазменной активации воды работает следующим образом.
Магнетронный генератор 2, служащий источником энергии факельного СВЧ плазмотрона 1, функционирует в режиме непрерывной генерации. При этом в прямоугольном волноводе 3 возбуждается волна низшего типа ТЕ10, которая затем преобразуется в волну ТЕМ коаксиального волновода 4. В медную трубку 7, являющуюся центральным проводником коаксиального волновода 4 и заканчивающуюся узким соплом 10, подают плазмообразующий газ (аргон) из баллона сжатого газа 8, струя которого вытекает из сопла 10 с относительно высокой скоростью (расход аргона составляет 3-5 литров в минуту стандартной атмосферы), и в результате ионизации под действием СВЧ поля превращается в плазменный факел 11.
Инертный газ, например аргон, поступающий через сопло 10 в герметичный объем камеры 13, вытекает из нее в атмосферу через выпускной патрубок 15, конденсатор 16 и вентиль 18. СВЧ мощность магнетрона 2 транслируется в плазменный факел 11 через коаксиальный волновод 4 благодаря емкостной связи между соплом 10 на конце центрального проводника 7 и плазмой факела 11. Плазма факела 11 оторвана от сопла 10 потоком вытекающей струи аргона, направленная скорость истечения которой на выходе из сопла оказывается больше скорости распространения фронта ионизации, движущегося в факеле навстречу соплу. Герметичная камера 13 заполняется водой до рабочего уровня, определяемого положением датчика 23 относительно плазменного факела 11, который может частично погружаться в жидкость. Время воздействия плазмы на обрабатываемую жидкость не ограничено. Для мониторинга характеристик плазменного разряда по оптическим эмиссионным спектрам в диапазоне длин волн 300-1000 нм используется спектрометр 25, например, типа AvaSpec-3648-USB2 (13) с разрешением 0,3 нм. Взаимодействие с водой низкотемпературной плазмы аргона с температурой, достигающей 4000 K, и содержащей высокую концентрацию метастабильно возбужденных атомов Ar* с энергией 11,5-11,7 эВ и временем жизни >1,3 секунды, способно активировать химические реакции в двойном поверхностном слое «вода-пар» с образованием смеси ионов и радикалов: Н-, Н•, ОН• с последующим их преобразованием в ПВ, как и в известном способе контактной плазменной активации воды или водных растворов, описанном выше.
Ниже приведены примеры реализации способа с помощью опытных образцов устройства по прототипу и заявляемого устройства.
Пример 1.
Проводились испытания опытного образца устройства по прототипу со стабилизацией работы плазмотрона потоком азота.
Использовали магнетрон от бытовой микроволновой печи типа ОМ 75 Р (31), (частота 2,45 ГГц, длина волны 12,24 см, мощность 900 Вт, прямоугольный волновод сечением 45×90 мм2). Давление в камере поддерживалось выше атмосферного р≥ 1 атм, при этом отработанный аргон выходил в вытяжную вентиляцию.
При мощности СВЧ генерации 0,9 кВт, расходе аргона- 4,0 л/мин, расходе азота -3 л/мин, проводилась обработка дистиллированной воды объемом 2,7 л, при расстоянии от сопла до поверхности воды 2,5 см в течение 3 часов. По данным йодной титриметрии был получен пероксид водорода с концентрацией 2×10-3 М, согласно измерениям TDS-3, проводимость 240×10-6 См/см и рН = 6,0 при температуре воды 20°С.
Пример 2.
Проводились испытания опытного образца заявляемого устройства с использованием стабилизации работы плазмотрона дополнительным источником пара.
В качестве генератора пара был использован бак емкостью 12 литров, наполненный водопроводной водой объемом 6 литров. Бак нагревался индукционной электроплитой с регулируемой мощностью от 0 до 1800 Вт. На патрубке для выхода пара устанавливался термометр. Фаза нагрева воды с 20° до 98° при мощности электроплиты 1800 Вт продолжалась около 30 минут, и была завершена на 40-й минуте выходом пара при 100°С. Для поддержания необходимого расхода пара мощность плиты нагрева переключалась на 1000 Вт, при которой объем воды, переходящей в пар, составлял 0,33 л/час (9 л/мин). Через 1 - 3 минуты при установлении режима стабильного парообразования, открывали кран, подающий пар в плазмотрон. Камера реактора предварительно наполнялась дистиллированной водой объемом 3,5 литра, расстояние от поверхности воды до сопла - 2,5 см. Термопара, установленная под потоком пара у сопла, для наблюдения роста температуры при подаче пара, через 5 минут, необходимых для разогрева плазмотрона, показывала 100°С. В этот момент плазмотрон был подготовлен к работе: включен накал магнетрона, в сопло подан аргон, расход которого составил -5,0 л/мин. Затем был включен источник высокого напряжения и возникал разряд при мощности СВЧ генерации 0,9 кВт. Испытания показали, что струя плазмы горела стабильно, благодаря стабилизации нисходящим потоком пара. Обработка дистиллированной воды плазмой проводилась в течение 3 часов. Для поддержания воды в камере на установленном уровне за время обработки периодически проводился отбор воды объемом по 60 мл. По данным йодной титриметрии концентрация пероксида водорода в объеме 3,5 л составила 3,1×10-3 М (моль/литр). Проводимость по измерениям TDS-3 в остывшем растворе при температуре 20°С составила 7×10-6 См/см, рН =7,9.
Было поведено сравнение данных, полученных при испытаниях согласно представленным примерам, которые показали, что концентрация пероксида водорода в сопоставимых условиях экспериментов в случае стабилизации плазмотрона паром оказалась выше.
При этом проводимость обрабатываемого водного раствора при испытаниях опытного образца согласно заявляемому изобретению снизилась в 34 раза, что означает существенное снижение в растворе окислов азота NOx, т.е. до 3% относительно содержания оксидов азота при стабилизации плазмотрона азотом.
Заявляемые способ и устройство могут найти широкое применение в различных областях техники, т.к. получаемый в результате их реализации очищенный от примесей пероксид водорода сможет применяться в здравоохранении, медицине, пищевой промышленности, растениеводстве и т.д. При этом заявляемая группа изобретений обеспечивает следующие преимущества по сравнению с решениями, известными в уровне техники: надежную работу СВЧ плазмотрона, исключение многообразных химических реакций в сочетании с другими химическими элементами, кроме водорода и кислорода, высокую эффективность в связи с организацией непрерывного цикла поступления воды с паром и отбора активированной воды (раствора) из установки без остановки процесса СВЧ обработки, сбор попутного водорода, высвобождающегося из воды при получении раствора активированной воды с пероксидом водорода.
Ссылочные обозначения.
1. СВЧ -плазмотрон
2. Магнетронный генератор
3. Прямоугольный волновод
4. Коаксиальный волновод
5. Кварцевая трубка-изолятор
6. Витоновые уплотнительные кольца
7. Центральный проводник коаксиального волновода
8. Баллон сжатого газа
9. Редуктор
10. Сопло
11. Факел
12. Уплотнение из витона
13. Герметичная камера
14. Контур водяного охлаждения камеры
15. Патрубок
16. Конденсатор
17. Контур водяного охлаждения конденсатора
18. Вентиль
19. Поршень
20. Циркулятор
21. Поглощающая нагрузка
22. Волноводное ответвление
23. Датчик уровня жидкости
24. Оптически прозрачное окно
25. Спектрометр
26. Генератор пара
27. Регулируемый клапан
28. Трубопровод
29. Регулируемый сливной клапан
Список используемой научно-технической литературы.
1. Н.В. Бабурин, С.В. Белов и др. Гетерогенная рекомбинация в плазме водяных паров как механизм воздействия на биологические ткани// Доклады Академии наук, Физика 2009, том 426, № 4, c. 468-470/ МАИК Наука, Москва.
2. С.В. Белов, Ю.К. Данилейко и др. Особенности генерации низкотемпературной плазмы в высокочастотных плазменных электрохирургических аппаратах//М. Медицинская техника, №2, 2011, с. 26-32/МНТО приборостроителей и метрологов, Москва.
3. Liu, J. et al. Direct synthesis of hydrogen peroxide from plasma-water interactions. // Scienific Reports. 2016, 6, 38454; doi: 10.1038/srep38454 / Nature Publishing Group, England, London.
4. G Vilema-Enríquez, A Arroyo, M Grijalva, R I Amador-Zafra, J Camacho Molecular and Cellular Effects of Hydrogen Peroxide on Human Lung Cancer Cells: s // Potential Therapeutic Implications, Oxidative Medicine and Cellular Longevity, Special issue: Reactive Oxygen Species in Cancer Biology and Anticancer Therapy// V. 2016, Article ID 1908164, https://doi.org/10.1155/2016/1908164 /Hindawi, United Kingdom, London.
5. Власов Д.В., Сергейчев К.Ф., Сычев И.А. Применение плазменной СВЧ-горелки в аналитической спектроскопии// Физика плазмы, 2002, т. 28, №5, с. 484-492/ МАИК Наука, Москва.
6. Лукина Н.А., Сергейчев К.Ф. Излучение инверсно-заселенных уровней атомарного кислорода в плазме аргонового СВЧ-факела, стимулируемое образованием озона// Физика плазмы, 2008, т. 34, №6. с. 567-572 / МАИК Наука, Москва.
1. Способ СВЧ-плазменной активации воды для синтеза пероксида водорода, основанный на непрерывной генерации плазмы безэлектродным факельным разрядом, который создают СВЧ-плазмотроном, генерирующим в парогазовой среде герметичной камеры направленную струю низкотемпературной плазмы инертного газа, воздействующей на обрабатываемую воду и водяной пар, возникающий в результате испарения поверхностного слоя воды под воздействием газоплазменной струи, отличающийся тем, что создают дополнительный поток водяного пара, который подают в СВЧ-плазмотрон коаксиально направленному потоку плазмы инертного газа, осуществляют конденсацию пара в процессе плазменной активации воды, а конденсат направляют в герметичную камеру с обрабатываемой водой.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют гелий.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что направленную струю низкотемпературной плазмы подводят к поверхности водного раствора или частично погружают в него.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток водяного пара пропускают сквозь плазмотрон по коаксиальному каналу плазмотрона, сформированному кварцевой или керамической трубкой-изолятором.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что конденсацию пара осуществляют в конденсаторе, установленном вертикально над герметичной камерой.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют регулирование скорости подачи инертного газа, пара, уровня СВЧ-мощности разряда и скорости отбора обработанной воды с пероксидом водорода.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что отработанный инертный газ удаляют через конденсатор.
9. Устройство СВЧ-плазменной активации воды для синтеза пероксида водорода способом по п.1, содержащее СВЧ-плазмотрон, включающий магнетрон, прямоугольный волновод и коаксиальный волновод, содержащий центральный проводник, причем рабочая часть СВЧ-плазмотрона размещена в герметичной камере, и баллон сжатого газа, соединенный с центральным проводником, отличающееся тем, что в него введены парогенератор, соединенный с коаксиальным волноводом плазмотрона, и конденсатор пара, соединенный с герметичной камерой.
10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что центральный проводник коаксиального волновода выполнен в виде медной трубки, содержащей сопло для формирования направленной струи плазмообразующего газа.
11. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что коаксиальный волновод герметично изолирован от прямоугольного волновода кварцевой трубкой-изолятором.
12. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что конденсатор имеет кожухотрубную конструкцию.
13. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что конденсатор содержит вентиль для выхода инертного газа в атмосферу.
14. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что герметичная камера содержит регулируемый сливной клапан.
15. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит циркулятор с поглощающей нагрузкой.
16. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что оно содержит систему автоматического управления, выполненную с возможностью регулирования режимов скорости подачи пара, уровня СВЧ-мощности разряда и скорости отбора обработанной воды для обеспечения постоянного уровня воды в герметичной камере.
17. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что герметичная камера содержит датчик уровня воды.
18. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что герметичная камера содержит оптически прозрачные окна для мониторинга характеристик плазменного факела по оптическим эмиссионным и абсорбционным спектрам, фиксируемым с помощью спектрометров.
19. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что герметичная камера и конденсатор содержат контуры водяного охлаждения.
