Способ плазменной активации воды или водных растворов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам активации воды или водных растворов электрохимическими методами, а именно к способам активации воздействием плазмы, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, где традиционно применяется активированная вода: в сельском хозяйстве для обработки семян и для полива растений, в качестве антибактериального средства в медицине; и пищевой промышленности и др.

Известны различные способы и устройства для получения активированной воды с помощью электрохимических методов. Обычно воду активируют в диафрагменных электролизерах с раздельным выводом кислой и щелочной воды (Рогов В.М., Филипчук В.Л. Электрохимическая технология изменения свойств воды. Львов: Изд-во ЛГУ, 1989, с. 82; Бахир В.М. Электрохимическая активация. - М.: ВНИИИМТ, 1992, ч. 1, 401 с.; RU 2113411, C02F 1/46, 20.06.1998; RU 2170499, А01С 1/00, 20.07.2001). Такие способы и устройства позволяют получать активированную воду с требуемым составом и свойствами, но в силу контактной активации (электроды погружены в воду) имеют недостатки: в процессе активации происходит заметное изменение химического состава воды, связанное, в том числе, с растворением в жидкости материала электродов. Кроме того, используемое высоковольтное питание (напряжение до 30 кВ) предъявляет повышенные требования к электробезопасности установок.

Известен способ плазменной активации воды или водных растворов, разработанный в Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН (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, с. 468-470; С.В. Белов, Ю.К. Данилейко и др. Особенности генерации низкотемпературной плазмы в высокочастотных плазменных электрохирургических аппаратах. Медицинская техника, №2, 2011, с. 26-32), который осуществляют следующим образом: в объеме водного раствора электролита (например, физиологический раствор) формируют электродами 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. 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^•:

Н₂О+е→ОН^•+Н^-

Дальнейшие плазмохимические реакции приводят к образованию в активируемой воде, в частности, водорода и пероксида водорода (ПВ):

Н^-+Н^•→Н₂+е

ОН^•+ОН^•→Н₂О₂

Данный известный 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 мешает использовать получаемую воду, активированную плазмой, как и химически стабилизированные растворы ПВ, в сельском хозяйстве для обработки семян и для полива растений.

Задачей изобретения является разработка бесконтактного способа плазменной активации воды или водных растворов, который позволит исключить попадание в активируемую жидкость материала электродов, благодаря чему предлагаемый способ сможет использоваться не только для получения активированной воды, но главное - в научных исследованиях для изучения влияния чистых растворов ПВ, не содержащих стабилизирующих добавок, следов реагентов при получении ПВ химическими методами или примесей в виде материала электродов, на физиологию растений и других биологических видов.

Задачей изобретения является также создание устройства для осуществления предлагаемого способа бесконтактной активации воды или водных растворов воздействием плазмы безэлектродного факельного разряда, что обеспечит чистоту обрабатываемой жидкости и увеличение сроков сохранения активированной водой своих качеств.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом активации воды или водных растворов путем воздействия плазмы на объем обрабатываемых воды или водного раствора, в котором воздействие плазмы осуществляют в режиме бесконтактной активации, для чего на воду или водный раствор воздействуют непрерывным безэлектродным плазменным факелом, который создают факельным СВЧ плазмотроном, генерирующим в парогазовой среде при атмосферном давлении струю низкотемпературной плазмы.

Для создания струи низкотемпературной плазмы в факельном СВЧ плазмотроне используют химически инертный плазмообразующий газ, выбранный из группы: аргон, гелий.

В качестве химически инертного плазмообразующего газа предпочтительнее использовать аргон.

(Высокая концентрация аргона в земной атмосфере (~1%) облегчает его получение и удешевляет производство активированной воды по сравнению с использованием гелия).

Струя низкотемпературной плазмы факела может касаться поверхности обрабатываемых воды или водного раствора или частично в них погружаться.

Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым устройством для бесконтактной плазменной активации воды или водных растворов, которое содержит факельный СВЧ плазмотрон с емкостной связью, включающий магнетрон, прямоугольный и коаксиальный волноводы, коаксиальный волновод герметично изолирован от прямоугольного волновода радиопрозрачной кварцевой трубкой-изолятором, при этом центральный проводник коаксиального волновода представляет собой медную трубку, служащую для подачи плазмообразующего газа, и заканчивается соплом с отверстием диаметром 1,5 мм для формирования направленной струи плазмообразующего газа, а рабочая часть факельного СВЧ плазмотрона помещена через уплотнение в герметичную камеру, содержащую сосуд с обрабатываемыми водой или водным раствором, закрепленный на штоке-лифте.

Мощность магнетрона факельного СВЧ плазмотрона может составлять 700-6000 Вт.

В качестве источника плазмы в предлагаемом способе бесконтактной плазменной активации воды или водных растворов используется факельный СВЧ плазмотрон с емкостной связью, генерирующий в парогазовой среде при атмосферном давлении струю низкотемпературной плазмы, направленную сверху вниз. В качестве плазмообразующего газа используется химически инертный газ аргон. Плазменный столб образуется в струе вытекающего из сопла газа в результате его ионизации в самосогласованном СВЧ поле поверхностной электромагнитной волны, поддерживаемой 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 сопл не дает факельному разряду, фронт которого движется 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 газоплазменная 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.

Для изоляции от воздуха рабочей части плазмотрона, которую в дальнейшем будем для краткости называть горелкой, она помещается через уплотнение в герметичную камеру из нержавеющей стали, в которой работа плазмотрона на истекающей струе аргона стабилизируется обычно молекулярными газами (кислород, азот, водород), которые дополнительно могут вводиться в камеру плазмотрона. В отсутствие таковых, как и в предлагаемом способе, стабилизация происходит благодаря присутствию насыщенного водяного пара, наполняющего камеру в результате испарения поверхностного слоя воды под воздействием газоплазменной струи.

СВЧ плазмотрон факельного типа при атмосферном давлении давно используется в оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) как источник сжатой ярко светящейся чистой плазмы (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), используемой для обработки, возбуждения и анализа газообразных сред (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). Благодаря малому объему факел зажигается и устойчиво горит в окружении молекулярных паров и газов при атмосферном давлении даже при относительно низкой СВЧ мощности ≤700 Вт, которая может быть получена от доступных на рынке магнетронов 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.

На фиг. представлена схема предлагаемого устройства для бесконтактной плазменной активации воды или водных растворов.

Устройство содержит магнетрон (1) - источник энергии факельного СВЧ плазмотрона (в данной работе использовался магнетрон от бытовой микроволновой печи типа ОМ 75 Р (31), частота 2,45 ГГц, длина волны 12,24 см, мощность 900 Вт), прямоугольный волновод (2) (сечением 45×90 мм²) и коаксиальный волновод (3). Коаксиальный волновод (3) имеет центральный проводник, представляющий собой медную трубку (4) с наружным диаметром 6 мм, служащую для подачи аргона, которая заканчивается узким соплом с отверстием диаметром 1,5 мм. Струя плазмообразующего газа (аргона), вытекающая из сопла, в результате ионизации под действием СВЧ поля превращается в плазменный факел (5). Для эффективной передачи СВЧ мощности от магнетрона (1) в плазменный факел (5) используется настройка согласования плазмотрона поршнем (6). Защита магнетрона (1) от отраженной назад волны при погасании плазменного факела (5) обеспечивается циркулятором с поглощающей нагрузкой (7). Коаксиальный волновод (3) герметично изолирован от прямоугольного волновода (2) радиопрозрачной кварцевой трубкой-изолятором (8). Для изоляции от окружающего воздуха и для защиты работающего персонала от фона СВЧ излучения плазменного факела (5) горелка плазмотрона помещается через уплотнение в герметичную камеру из нержавеющей стали (9). Давление в камере поддерживается выше атмосферного р≥1 атм, при этом отработавшие газы и часть водяного пара выходят в вытяжную вентиляцию через выпуск (10). Обрабатываемая жидкость помещается в сосуд (11) (из керамики, термоупорного стекла или кварца), закрепленный на подвижном штоке-лифте (12), который при перемещении вверх приводит свободную границу жидкости в соприкосновение с плазменным факелом (5). Для мониторинга характеристик плазменного факела (5) по оптическим эмиссионным спектрам с использованием спектрометра (13) в камере (9) имеется оптически прозрачное окно (14).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Магнетрон (1), служащий источником энергии факельного СВЧ плазмотрона, используется в режиме непрерывной генерации. Антенной магнетрона (1) в прямоугольном волноводе (2) возбуждается волна низшего типа ТЕ₁₀, которая затем преобразуется в волну ТЕМ коаксиального волновода (3). В медную трубку (4), являющуюся центральным проводником коаксиального волновода (3) и заканчивающуюся узким соплом, подают плазмообразующий газ (аргон), струя которого вытекает из сопла 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 (5). СВЧ мощность магнетрона (1) транслируется в плазменный факел (5) через коаксиальный волновод (3) благодаря емкостной связи между соплом на конце внутреннего проводника (4) и плазмой факела. Плазма факела (5) оторвана от сопла потоком вытекающей струи аргона, направленная скорость истечения которой на выходе из сопла оказывается больше скорости распространения фронта ионизации, движущегося в факеле навстречу соплу, благодаря чему создаваемый факельный СВЧ разряд является безэлектродным разрядом. Для воздействия плазменного факела (5) на обрабатываемую жидкость сосуд (11) с ней поднимают на штоке (12) до соприкосновения границы жидкости с плазменным факелом, при этом плазменный факел (5) может частично погружаться в жидкость. Время воздействия плазмы на обрабатываемую жидкость варьируется в пределах 10-40 минут при заданной СВЧ мощности. Для мониторинга характеристик плазменного разряда по оптическим эмиссионным спектрам в диапазоне длин волн 300-1000 нм используется спектрометр 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 (Н₂О₂), как и в известном способе контактной плазменной активации воды или водных растворов, описанном выше.

Анализ воды, полученной предлагаемым бесконтактным способом плазменной активации, на содержание ПВ (для анализа использовали количественный йодометрический метод, как наиболее чувствительный: А.В. Лобанов, Н.А. Рубцова, Г.Г. Комиссаров. Доклады Академии наук. Химия. 2008, том 421, №6, с. 773-776; RU 2477470, G01N 33/02, 10.03.2013) показал, что концентрация ПВ составляет 1⋅10^-3-3⋅10^-3 М (3,4⋅10^-2-1,0⋅10^-1 г/л). При хранении полученной активированной воды в течение 10 суток в темном сосуде при температуре +20°С изменения концентрации ПВ не наблюдалось.

Известно, что ПВ является нетоксичным, экологически безопасным и уникальным по многим свойствам регулятором роста растений (Корзинников Ю.С. Экологически безопасные средства защиты растений. Вестник РАСХН. 1997, №2, с. 44-47; Апашева Л.М., Комиссаров Г.Г. Влияние пероксида водорода на развитее растений. Изв. РАН, сер. биол. 1996, №5, с. 621-623; RU 2142707, 20.12.1999; RU 2172099, 20.08.2001). Обработка растворами ПВ растений в период вегетации является наиболее щадящим методом стимулирования роста, сохраняющим жизнеспособность почвенной микрофлоры.

Активированная вода, полученная предлагаемым бесконтактным способом плазменной активации, в качестве стимулятора роста растений до настоящего времени не исследовалась.

Проведенные при создании заявляемого изобретения испытания показали, что активированная вода, полученная предлагаемым способом бесконтактной плазменной активации, значительно превосходит по эффективности воздействия водные растворы ПВ соответствующей концентрации (см. примеры 1-3), что предположительно можно объяснить тем, что применяемые в медицине и сельском хозяйстве растворы ПВ, как и в приведенных нами контрольных опытах, обязательно содержат стабилизаторы, снижающие активность ПВ.

Приводим примеры испытаний ростстимулирующих свойств воды, полученной предлагаемым способом бесконтактной плазменной активации. Тест-объектами были выбраны представители разных видов с/х растений: пшеница сорт Альбиум, огурец сорт Вязниковский, редис сорт Жара. Семена замачивали в чашках Петри: и опыте - в растворах получаемой активированной воды с разной концентрацией ПВ, в контроле - в растворах стабилизированного ПВ разной концентраций и в дистиллированной воде. Чашки Петри помещали в термостат с температурой +22°С. Анализ степени воздействия на растения вели на ранних стадиях их развития с помощью следующих морфологических тестов: количество живых наклюнувшихся семян, количество растений с определенной длиной корня, количество растений с образовавшимся первым листом.

Пример 1.

Семена пшеницы сорт Альбиум с пониженной всхожестью после длительного хранения замачивали в чашках Петри в тестируемых растворах: опыты - в активированной предлагаемым бесконтактным способом воде с разной концентрацией ПВ, в контроле - в растворах стабилизированного ПВ разной концентрации и в дистиллированной воде. На 3-и сутки эксперимента оценивали количество проросших живых семян. Результаты тестирования приведены в таблице 1 - активированная вода, полученная предлагаемым способом, значительно превосходит по эффективности воздействия водные растворы стабилизированного ПВ соответствующей концентрации.

Пример 2.

Семена огурца сорт «Вязниковский» замачивали в чашках Петри в тестируемых растворах: в активированной предлагаемым бесконтактным способом воде с разной концентрацией ПВ, в контроле - в растворах стабилизированного ПВ разной концентрации и в дистиллированной воде. На 2-е сутки эксперимента оценивали количество проросших (наклюнувшихся) семян; на 4-е сутки - количество семян с длиной корня, равной или более 5 мм; на 5-е сутки - количество растений огурца с первым семядольным листом. Результаты тестирования приведены в таблице 2 - активированная вода, полученная предлагаемым способом, значительно превосходит по эффективности воздействия водные растворы стабилизированного ПВ соответствующей концентрации.

Пример 3.

Семена редиса сорт Жара замачивали в чашках Петри в тестируемых растворах: опыты - в активированной предлагаемым бесконтактным способом воде с разной концентрацией ПВ, в контроле - в растворах стабилизированного ПВ разной концентрации и в дистиллированной воде. На 4-е сутки эксперимента оценивали количество растений с раскрытым семядольным листом. Результаты тестирования приведены в таблице 3 - активированная вода, полученная предлагаемым способом, значительно превосходит по эффективности воздействия водные растворы стабилизированного ПВ соответствующей концентрации.

Таким образом, предлагаемый способ плазменной активации воды или водных растворов является бесконтактным, что позволяет исключить попадание в активируемую жидкость материала электродов и обеспечивает высокую степень чистоты обработки, благодаря чему способ можно использовать не только для получения активированной воды, но главное - в научных исследованиях для изучения влияния чистых растворов ПВ, не содержащих стабилизирующих добавок, следов реагентов при получении ПВ химическими методами или примесей в виде материала электродов, на физиологию растений и других биологических видов. Предлагаемое устройство обеспечивает бесконтактность активации воды или водных растворов путем воздействия непрерывным безэлектродным плазменным факелом и отличается высокой безопасностью.