Физико-химические процессы в генераторе холодной плазмы

При вспышечном коронном электрическом разряде в воздухе при наличии паров воды образуются первичные активные частицы: озон, радикалы ОН* и Н*. Концентрация озона намного больше концентрации радикалов, так как выход озона больше, и он не полностью расходуется и накапливается в процессе работы.

H * + O₃ OH * + O₂ k = 5,4 10⁸ л/(моль.с) (1)

OH* + O₃ HO2 + O₂ k₂= 4 10⁷ л/(моль.с) (2)

HO2 + O₃ OH* + 2O₂ кз = 1,2 10⁶ л/(моль.с) (3)

OH*+ OH* H₂O₂ к₄ = 1,3-10¹⁰ л/(моль.с) (4)

Т.е. радикалы взаимодействуют в первую очередь с озоном, так как его

концентрация намного больше, чем концентрация радикалов. В результате

атомы (радикалы) Н* превращаются в радикалы ОН*, в газовой фазе остаются радикалыикоторые непогибают, а взаимодействуя с озоном,

превращаются один в другой:Радикалы «живут» в динамике, и

на поддержание их жизни расходуется озон. Отношение концентраций радикалов OH^* и HO^*2 определяется константами скорости реакций (2) и (3) и равно _[7]. Образуется озоно-гидроксильная смесь, время

жизни которой порядка 1 сек [9]. Озоно-гидроксильная смесь высасывается через трубку 8 в эжектор и смешивается с водой.

Наличие гидроксильных радикалов в газовой смеси принципиально изменяет химические процессы, происходящие в воде. Сам озон является селективным окислителем, имеется много веществ, с которыми он практически не взаимодействует. В отличие от озона, активные частицы, образующиеся в холодной плазме, являются универсальным окислителем, их реакционная способность в миллионы раз больше реакционной способности озона. Поэтому степень очистки воды холодной плазмой намного выше, чем при обработке озоном. Особенно эффективен новый метод очистки воды при малом содержании примесей (как в случае речной воды), так как расход электроэнергии на генерацию необходимого количества активных частиц будет мал. В обрабатываемой воде в камере генератора создается концентрация растворенного озона не менее 1 мг/л. Такой концентрации озона достаточно для полной дезинфекции воды. Воду непосредственно с выхода генератора можно использовать для дезинфекции посуды, рук, пищевых продуктов.

Соли жесткости, растворенные в воде, частично переходят в нерастворимую форму

В обычной воде этот процесс происходит на горячих поверхностях (стенках чайника или нагревательных элементах), поэтому они покрываются налетом карбоната кальция. После обработки воды предлагаемым способом карбонат образуется во взвешенном состоянии и значительно меньше оседает на горячих поверхностях, тем самым уменьшается карбонатная жёсткость воды.

Органические соединения при взаимодействии с радикалами разлагаются до углекислого газа и воды. Относительно малый выход гидроксильных радикалов компенсируется тем, что они инициируют цепные реакции, которые могут продолжаться долго после первичного контакта радикалов с водой [7]. Длина цепи, количество актов окисления на один первичный радикал, может составлять 1000 и более.

Динамика установления концентрации озона внутри камеры,

аналогичной камере генератора, детально исследовалась в работе [7].

Концентрация озона, растворённого в воде, вытекающей из камеры прибора

(трубы 6) при следующих параметрах: расход обрабатываемой ₃

водопроводной воды 0,5 м /ч, количество разрядных электродов - 49, суммарный ток электрического разряда на всех электродах 4 мА представлена на рис. 7.

Рисунок 7. Установление стационарной концентрации озона, растворённого в воде, на

выходе из генератора. t - время с момента включения электрического разряда, минуты; Y - концентрация озона, растворённого в воде, мг/л.

Из рис. 7 видно, что концентрация озона достигает стационарного состояния через 30 минут и составляет ~ 1,5 мг/л (3 10^-5 моль/л). Концентрация озона оказывается достаточно большой для удовлетворения условиячерез 15 минут. Поэтому характерной

особенностью работы генератора является время готовности, которое определяется временем установления стационарной концентрации озона в газовой полости, и составляет не менее 15 минут. В стационарном состоянии

концентрация озона, растворённого в воде внутри камеры генератора 5,

составляет ~(1 -т 1,5) мг/л.

Перед тем, как поступить к потребителю, вода должна пройти стадию разложения активных частиц. Для этого вода пропускается через угольный (коксовый) фильтр. Фильтр полностью поглощает все высоко активные частицы, находящиеся в воде, и частично разлагает озон до уровня ПДК (0,3 мг/л). Остаточный озон консервирует воду, разливаемую в бутыли, что позволяет долго хранить её без ухудшения качества. Концентрация активного кислорода, длительное время сохраняющаяся в воде, составляет ~ 0,05 мг/л. Пролонгированный антимикробный эффект обеспечивается присутствием в воде следов перекиси водорода и коллоидными частицами, несущими электрический заряд, полученный ими при обработке воды холодной плазмой.

Применение кокса вместо обычного древесного угля (например, марки БАУ) связано с тем, что из древесного угля при большом потоке воды вымывается много частиц неизвестного состава. В результате содержание взвеси и мутность воды после фильтра из древесного угля может оказаться больше, чем в исходной воде. Кокс, по сравнению с древесным углем, имеет намного более высокую механическую прочность.