Микро- и наносекундные разряды в газовых пузырях для обеззараживания и очистки воды
Дата
2019
ORCID
DOI
doi.org/10.20998/2074-272X.2019.3.08
Науковий ступінь
Рівень дисертації
Шифр та назва спеціальності
Рада захисту
Установа захисту
Науковий керівник
Члени комітету
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт"
Анотація
Цель. Сравнение электрических схем экспериментальных установок для получения микро- и наносекундных разрядов вгазовых 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 переключателемIGBT в низковольтной части цепи. Токоограничивающий резистор с со-противлениемRcl= 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 деленияKd= 7653 для измерения импульсов напряжения, шунт с сопротивлениемRs= 2,5 Ом– для измерения импульсов тока. В качестве записывающего устройства использовался цифровой осциллографRIGOL 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, составляетWμ ≈17 мДж, а при наносекундных разрядах– Wn ≈7,95 мДж. При наносекундных разрядах достигнута полная инактивация бактерийE.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 по-мощи микро- и наносекундных разрядов открывают перспективу промышленного применения установок с использованием таких разрядов для обеззараживания и очистки сточных вод, бассейнов и доочистки водопроводной воды.
Purpose. Comparison of electrical circuits of experimental plants for obtaining micro- and nanosecond discharges in gas bubbles in water and comparing the experimental results ob-tained for disinfecting water using such discharges. Methodology. To obtain high-voltage pulses on the load in the form of a gas bubbles and a layer of water with a frequency of more than 2000 pulses per second, a method of generating micro- and nanosecond pulses using high-voltage pulse generators based on a pulse transformer (PT) according to Tesla, with a transis-tor opening switch IGBT in the low-voltage part of the circui . A current-limiting resistor with a resistance Rcl= 24k is used to protect the transistor switch at microsecond discharges. At nanosecond discharges, a multigap spark gap is used to sharp-en the front of high-voltage pulses.We used a capacitive voltage divider with a division factor of Kd= 7653 to measure voltagе pulses, a shunt with a resistance of Rs= 2.5 for measuring cur-rent pulses. RIGOL DS1102E digital oscilloscope with a 100 MHz bandwidth was used as a recording device. Results. The effect of micro- and nanosecond discharges in gas bubbles on microor-ganisms was experimentally investigated. It was possible to reduce the biochemical oxygen consumption of water during microsecond discharges, reduce the turbidity of water, and im-prove its organoleptic qualities. The energy released in a single pulse with microsecond discharges Wµ ≈17 mJ, with nanosecond discharges Wn≈7.95 mJ. At nanosecond discharges, com-plete inactivation of E.coli bacteria was achieved. The disinfect-ing and purifying action of nanosecond pulses is better com-pared to microsecond pulses due toan increase in the amplitude of the pulsed voltage up to 30 kV, and a pulsed current of up to 35 A. Originality. The possibility of effective microbiological disinfection of water using nanosecond discharges in gas bub-bles at low specific energy consumption has been experimentally shown.Practical value. The obtained experimental results on water disinfection using micro- and nanosecond discharges offer the prospect of industrial application of installations using such discharges for disinfecting and purification wastewater, swimming pools, and post-treatment of tap water.
Purpose. Comparison of electrical circuits of experimental plants for obtaining micro- and nanosecond discharges in gas bubbles in water and comparing the experimental results ob-tained for disinfecting water using such discharges. Methodology. To obtain high-voltage pulses on the load in the form of a gas bubbles and a layer of water with a frequency of more than 2000 pulses per second, a method of generating micro- and nanosecond pulses using high-voltage pulse generators based on a pulse transformer (PT) according to Tesla, with a transis-tor opening switch IGBT in the low-voltage part of the circui . A current-limiting resistor with a resistance Rcl= 24k is used to protect the transistor switch at microsecond discharges. At nanosecond discharges, a multigap spark gap is used to sharp-en the front of high-voltage pulses.We used a capacitive voltage divider with a division factor of Kd= 7653 to measure voltagе pulses, a shunt with a resistance of Rs= 2.5 for measuring cur-rent pulses. RIGOL DS1102E digital oscilloscope with a 100 MHz bandwidth was used as a recording device. Results. The effect of micro- and nanosecond discharges in gas bubbles on microor-ganisms was experimentally investigated. It was possible to reduce the biochemical oxygen consumption of water during microsecond discharges, reduce the turbidity of water, and im-prove its organoleptic qualities. The energy released in a single pulse with microsecond discharges Wµ ≈17 mJ, with nanosecond discharges Wn≈7.95 mJ. At nanosecond discharges, com-plete inactivation of E.coli bacteria was achieved. The disinfect-ing and purifying action of nanosecond pulses is better com-pared to microsecond pulses due toan increase in the amplitude of the pulsed voltage up to 30 kV, and a pulsed current of up to 35 A. Originality. The possibility of effective microbiological disinfection of water using nanosecond discharges in gas bub-bles at low specific energy consumption has been experimentally shown.Practical value. The obtained experimental results on water disinfection using micro- and nanosecond discharges offer the prospect of industrial application of installations using such discharges for disinfecting and purification wastewater, swimming pools, and post-treatment of tap water.
Опис
Ключові слова
высоковольтный генератор, микро- и наносекундные импульсы, инактивация микроорганизмов, high-voltage generator, micro- and nanosecond pulses, inactivation of microorganisms
Бібліографічний опис
Бойко Н. И. Микро- и наносекундные разряды в газовых пузырях для обеззараживания и очистки воды / Н. И. Бойко, А. В. Макогон // Електротехніка і Електромеханіка = Electrical engineering & Electromechanics. – 2019. – № 3. – С. 50-54.