Высоковольтный импульсный разряд как источник активных форм кислорода и азота Текст научной статьи по специальности «Физика»

А . ¡SXSSSSSS 24-26 октября 2023 г.

Яя A -ПРОХОРОвСКМЕ НЕДЕЛИ-

Высоковольтный импульсный разряд как источник активных форм кислорода и азота

Разволяева Д.А.1'2, Гудкова В.В.1'2, Моряков И.В.1, Анпилов А.М.1, Кончеков Е.М.1, Борзосеков В.Д.1'2

1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва 2- Институт физических исследований и технологий Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы, Москва

Е-mail: darzvlv@fpl. gpi. ru

DOI: 10.24412/cl-35673-2023-1-131-133

За последние десятилетия изучение взаимодействия неравновесной плазмы и жидкости превратилось в быстрорастущую область междисциплинарных исследований. Основное внимание уделяется физико-химическим механизмам, приводящим к сложным плазмохимическим реакциям на границе раздела двух сред «плазма-жидкость», что вызывает образование активных форм кислорода (АФК) и азота (АФА), изучение которых представляет особый интерес для решения широкого круга прикладных задач от материаловедения до здравоохранения [1].

В работе представлена импульсно-периодическая многоэлектродная искровая разрядная система с инжекцией газа в межэлектродное пространство. При воздействии на водные растворы данной моделью реализуется многофазная система разряда в газовых пузырьках по объёму жидкости. Установка представляет собой пять цилиндрических последовательно соединенных камер, в каждой из которых располагается кольцевая разрядная система. Материал электродов можно варьировать в зависимости от поставленной задачи. Одна камера вмещает в себя до 120 см3 (рис. 1а). Особенность данной установки (рис. 1б) заключается в специальных патрубках (4) для подачи газа, который через отверстие поступает в межэлектродное пространство (5). Разряд формируется в пузырьках инжектируемого газа. Таким образом, свойства плазмы и плазмохимические реакции будут зависеть от рабочего газа.

Параметры источника питания: I < 250 А, U < 20 кВ, энергия накопительного конденсатора W = 1,6 Дж. При частоте следования импульсов f = 50 Гц суммарная мощность установки составляет ~400 Вт (одного канала — 80 Вт) [2].

Рис. 1. а — реакторная камера в работе, б — одна из секций реактора (1 — диэлектрическая камера, 2 — электроды, 3 — электроизоляционный материал, 4 — патрубок для инжекции газа в отверстие, 5 и 6 — клеммы для подачи ВВ напряжения).

Ранее данный источник использовался для решения ряда прикладных задач [3]. Однако подробных измерений концентраций АФК и АФА еще не приводилось. Поэтому возник интерес к изучению влияния воздействия разряда на образование пероксида водорода, нитрит- и нитрат-ионов, играющих наиболее важную роль в биологических приложениях плазменно-активированной жидкости.

Объектом исследования является деионизированная вода Milli-Q® с удельной электропроводимостью <0,1 мкСм/см. Время воздействия составляло от 2 до 10 минут. Материал электродов — нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т. Воздух был выбран в качестве инжектируемого газа, поскольку входящий в его состав кислород является химически активным. Инжектируемый газ (аргон, воздух) подается в межэлектродное пространство со скоростью 2 л/мин. В пузырьках рабочего газа, содержащих пары воды, формируются высокотемпературные искровые каналы со следующими параметрами: газовая температура равна 4000-5000 К; температура электронов составляет 1,0-1,5 эВ. Концентрации пероксида водорода и нитрит-ионов измерялись с помощью спектрофотометрии с использованием жидких счётных растворов (для определения H2O2 — реактив FOX, NO2- — реактив Грисса), для определения концентрации нитрат-ионов использовался ионоселективный прибор Horiba LAQUAtwin NO3-11.

При инжекции воздуха концентрация нитрит-ионов в жидкости уменьшается с увеличением времени воздействия многоискровым разрядом, в то время как концентрация нитрат-ионов растет, что

А . ¡SXSJSSSS 24-26 октября 2023 г.

Яя A -ПРОХОРОвСКМЕ НЕДЕЛИ-

связано с окислением NO2- до NO3-. Активное протекание окисления также подтверждает водородный показатель среды (pH), который при увеличении воздействия понижался с 5,7 до 3,3. Концентрация пероксида водорода при инжекции как аргона, так и воздуха, непрерывно увеличивается, достигая значений в сотни мкМ. Экспериментально обнаружена эрозия стальных электродов, наиболее вероятно связанная с электродным распылением, приводящая к образованию водорастворимых соединений и видимого осадка. С помощью энергодисперсионного анализа на микроскопе JEOL JEM-2100 удалось подтвердить содержание частиц железа в жидкости. Кроме того, гравиметрические измерения показали, что распыление электродов составило ~1 мг/мин. Также были измерены концентрации ионов железа со степенью окисления +3 и учтены погрешности измерений концентраций пероксида водорода, в основе которых лежит реакция Фентона.

Авторы выражают благодарность сотрудникам Центра биофотоники ИОФ РАН, а также научному коллективу Отдела физики плазмы ИОФ РАН Анпилову А.М. и Бережецкой Н.К за помощь в проведении экспериментов.

1. Bruggeman P.J., Kushner M.J., Locke B.R., et al. Plasma Sources Science and Technology. 2016. 25(5), 053002.

2. Анпилов А.М., Бархударов Э.М., Гусейн-заде Н.Г. и др. Устройство для плазмохимической обработки жидкостей. Патент на полезную модель 201546 U1, 21.12.2020.

3. Анпилов А.М., Бархударов Э.М., Козлов Ю.Н. и др. Физика плазмы. 2019. 45(3). 268.