Disinfectant treatment of liquids with high specific electrical conductivity by high-voltage nanosecond pulses with a subnanosecond front

Abstract

The purpose of the work is to determine, using computer modelling, energy-efficient modes of disinfecting treatment of water-containing liquids with high specific electrical conductivity using high voltage nanosecond pulses with a subnanosecond front including pulsed discharges in gas bubbles. Methods. We considered methods of obtaining high-voltage nanosecond pulses with sub-nanosecond fronts. To achieve this goal, we used computer simulation using Micro-Cap 12. We also used analytical and empirical formulas for calculating the electric field strength, inductive and resistive phases of energy switching from a capacitive source to resistive-inductive loads. We have applied the method of comparing calculated and experimental results. Results. Energy-efficient modes of disinfecting treatment of water-containing liquids with high specific electrical conductivity using nanosecond discharges with a subnanosecond front in gas bubbles are such modes when the active resistance of the treated liquid is 10–40. In this case, the lumped inductance of the discharge circuit during liquid treatment does not exceed 2 nH, the capacitance of the layer of the treated liquid is 3.6–14 pF with an amplitude of pulses from a high-voltage low-resistance source of at least 30 kV and a pulse frequency of 1500–2000 pulses per second. With an increase in the active resistance of the liquid within the specified limits, the amplitude of the voltage on the layer of the treated liquid increases under other unchanged conditions, including with an unchanged amplitude of the voltage from the source. The voltage amplitude on the layer of the treated liquid with such an increase can exceed the voltage amplitude from the source by 1.6 times, and exceed the voltage on the reactor as a whole (the series connection of the bulk streamer and the water layer). This happens due to the presence of a lumped inductance in the discharge circuit, in which energy is stored during discharge. Scientific novelty. We have shown the possibility of using nanosecond discharges with sub-nanosecond fronts in gas bubbles for energy-efficient disinfection of liquids, including those with high specific electrical conductivity. In this case, a plasma electrode – a volumetric streamer – acts as a high-voltage electrode in the disinfection of liquids. Practical value. The obtained of the computer modelling results confirm the possibility of industrial application of nanosecond discharges with a sub-nanosecond front for disinfection and purification of water-containing liquids with high specific electrical conductivity.

Метою роботи є визначення за допомогою комп’ютерного моделювання енергоефективних режимів дезінфікуючої обробки водовмісних рідин з високою питомою електропровідністю з використанням високовольтних наносекундних імпульсів із субнаносекундним фронтом, включаючи імпульсні розряди в газових бульбашках. Методи. Розглянуто методи отримання високовольтних наносекундних імпульсів із субнаносекундними фронтами. Для досягнення цієї мети було використано комп’ютерне моделювання за допомогою Micro-Cap 12. Також було використано аналітичні та емпіричні формули для розрахунку напруженості електричного поля, індуктивної та резистивної фаз перемикання енергії від ємнісного джерела до резистивно-індуктивних навантажень. Застосовано метод порівняння розрахункових та експериментальних результатів. Результати. Енергоефективними режимами дезінфікуючої обробки водовмісних рідин з високою питомою електропровідністю за допомогою наносекундних розрядів із субнаносекундним фронтом у газових бульбашках є такі режими, коли активний опір оброблюваної рідини становить 10–40 Ом, зосереджена індуктивність розрядного кола під час обробки рідини не перевищує 2 нГн, ємність шару оброблюваної рідини становить 3,6–14 пФ з амплітудою імпульсів від високовольтного низькоомного джерела не менше 30 кВ та частотою імпульсів 1500–2000 імпульсів за секунду. Зі збільшенням активного опору рідини в заданих межах амплітуда напруги на шарі оброблюваної рідини зростає за інших незмінних умов, у тому числі за незмінної амплітуди напруги від джерела. Амплітуда напруги на шарі оброблюваної рідини при такому збільшенні може перевищувати амплітуду напруги від джерела в 1,6 рази, а також перевищувати напругу на реакторі в цілому (послідовне з’єднання об’ємного стримера та шару води) через наявність зосередженої індуктивності в колі розряду, в якій накопичується енергія під час розряду. Наукова новизна. Показано можливість використання наносекундних розрядів із субнаносекундними фронтами в газових бульбашках для енергоефективної дезінфекції рідин, у тому числі з високою питомою електропровідністю. У цьому випадку плазмовий електрод – об’ємний стример – виступає в ролі високовольтного електрода при дезінфекції рідин. Практична значимість. Отримані результати комп’ютерного моделювання підтверджують можливість промислового застосування наносекундних розрядів із субнаносекундним фронтом для дезінфекції та очищення водовмісних рідин з високою питомою електропровідністю.