Микро- и наносекундные разряды в газовых пузырях для обеззараживания и очистки воды

Abstract

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.