CZ159696A3 - Method of generating espacious corona discharge in water and apparatus for making the same - Google Patents

Abstract

This method and the equipment for generating a voluminous corona discharge in water or in water with additives between electrodes (1, 2) which are connected to the impulse voltage, is based on the fact that the intensity of the electric field near at least one electrode (1,2) increases by the partial coverage of this electrode (1,2) by solid and/or gas dielectrics and on the surface of the electrode (1,2) electrode material contact points are created for the solid and/or gas dielectrics and/or water.<IMAGE>

Description

Vynález se týká způsobu a zařízení k vytváření objemového koronového výboje ve vodě, zejména pro odstraňování nežádoucích organických příměsí a mikroorganismůBACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for generating volumetric corona discharge in water, in particular for removing undesirable organic impurities and microorganisms.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Využívání vlastností impulzního koronového výboje ve vodě v různých fyzikálních a technologických aplikacích je v současné době v počátečním stadiu výzkumu, který je především zaměřen na odstraňování nežádoucích, zejména organických příměsí z vody. V analogii s koronovým výbojem v plynech se předpokládá, že plazma koronového výboje ve vodě je nerovnovážné, t.j. že jeho elektronová teplota je podstatně vyšší než teplota molekul, atomů a iontů. Vznikající energetické elektrony iniciují ve vodě plazmochemické reakce, zejména disociaci vody na hydroxylové radikály OH a vodík H, které mohou být využity pro odstraňování nežádoucích, zejména organických příměsí a mikroorganismů z vody. Publikované experimentyThe use of pulsed corona discharge in water in various physical and technological applications is currently at an early stage of research, which is primarily aimed at removing undesirable, especially organic, impurities from the water. By analogy with corona discharge in gases, it is assumed that the corona discharge plasma in water is non-equilibrium, i.e. its electron temperature is substantially higher than that of molecules, atoms, and ions. The resulting energy electrons initiate plasmachemical reactions in water, in particular the dissociation of water into OH and hydrogen H hydroxyl radicals, which can be used to remove undesirable, especially organic, and microorganisms from the water. Published experiments

Hazardous Waste and Hazardous Materials (1993)Hazardous Waste and Hazardous Materials

Vol.10, No.2, str.209-219Vol.10, No.2, pp. 209-219

Proč. 12th Int.Symp. on Plasma Chemistry, Minneapolis,Why. 12th Int.Symp. on Plasma Chemistry, Minneapolis

August 1995, Minnesota, USA, Vol.II, str.1283August 1995, Minnesota, USA, Vol.II, p.1283

Journal of Hazardous Materials, Vol. 41 (1995), str.3-30 byly prováděny na neprůtočných reaktorech, kde kladnou elektrodu tvořil kovový hrot a zápornou rovinná deska. V těchto experimentech bylo prokázáno, že vlivem účinků koronového výboje se snižuji koncentrace nežádoucích organických příměsí ve vodě.Journal of Hazardous Materials, Vol. 41 (1995), pp. 30-30 were performed on non-flow reactors, where the positive electrode consisted of a metal tip and a negative planar plate. In these experiments, it has been shown that corona discharge effects reduce the concentration of undesirable organic impurities in the water.

Koronový výboj v uspořádání elektrod hrot-rovina má pro praktické aplikace některé nevýhody:The corona discharge in the tip-plane electrode arrangement has some disadvantages for practical applications:

a) Výboj zaujímá relativně malý objem nepravidelných tvarů a(a) The discharge takes up a relatively small volume of irregular shapes; and

-2podstatná část objemu vody není výbojem ovlivněna,- a substantial part of the water volume is not affected by the discharge,

b) Podmínkou vzniku koronového výboje ve vodě je dosažení prahové hodnoty intenzity elektrického pole v některém místě objemu. V uspořádání hrot-rovina je maximální elektrické pole na hrotové elektrodě a při daném napětí na elektrodách je určeno vzdáleností hrotu od roviny a průměrem hrotu. Pro takové uspořádání elektrod existuje koronový výboj jen v poměrně úzkém rozsahu použitých napětí. Při nižších napětích se výboj nevytvoří, protože se nedosáhne prahové intenzity elektrického pole a při vyšších napětích přechází koronový výboj na nežádoucí výboj jiskrový.b) The condition of corona discharge in water is to reach the threshold value of the electric field intensity at some point of the volume. In the spike-plane configuration, the maximum electric field at the spike electrode is determined at a given voltage at the electrodes by the spacing of the spike from the plane and the tip diameter. For such an electrode arrangement, corona discharge exists only within a relatively narrow range of applied voltages. At lower voltages the discharge is not generated because the threshold intensity of the electric field is not reached and at higher voltages the corona discharge becomes an undesired spark discharge.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob vytváření koronového výboje ve vodě, nebo ve vodě s příměsemi, mezi elektrodami, na které je přiloženo impulzní napětí, který podle vynálezu spočívá v tom, že se intenzita elektrického pole v blízkosti alespoň jedné z elektrod zvýší částečným pokrytím této elektrody pevným a/nebo plynným dielektrikem a na- povrchu této elektrody se vytvoří místa styku materiálu elektrody, zejména kovu a dielektrik s rozdílnými dielektrickými konstantami e. Jedním z těchto dielektrik může být i voda, ve které se koronový výboj generuje. V těchto místech styku elektrody s dielektriky s různými dielektrickými konstantami (tzv. trojné body) se po připojení napětí vytvoří elektrické pole, které je zhruba v poměru dielektrických konstant použitých materiálů vyšší než v případě elektrody bez trojných bodů. V případě vody (e=80) a plynného nebo pevného dielektrika (e=l-8) je možno dosáhnout 10-ti až 80-ti násobného zvýšení elektrického pole v porovnání s případem elektrody bez trojných bodů.The aforementioned drawbacks are eliminated by a method of corona discharge formation in the water or in admixture water between the electrodes to which an impulse voltage is applied, which according to the invention consists in increasing the electric field intensity near at least one of the electrodes by partially covering the electrode and / or a gaseous dielectric and contact surfaces of the electrode material, in particular metal and dielectrics with different dielectric constants e, are formed on the surface of the electrode. One of these dielectrics may be the water in which the corona discharge is generated. At these points of contact of the electrode with dielectrics with different dielectric constants (so-called triple points), when the voltage is applied, an electric field is created which is roughly higher in the ratio of dielectric constants of the materials used than in the case of an electrode without triple points. In the case of water (e = 80) and gaseous or solid dielectric (e = 1-8), a 10- to 80-fold increase in the electric field can be achieved compared to a triple-point electrode case.

Zařízení k provádění výše popsaného způsobu se podle vynálezu vyznačuje tím, že na povrchu alespoň jedné z elektrod, mezi nimiž se vytváří impulzní koronový výboj, jsou částečným pokrytím této elektrody pevným a/nebo plynným dielektrikem vytvořeny tzv. trojné body, což jsou místa styku materiáluThe apparatus according to the invention is characterized in that so-called triple points are formed on the surface of at least one of the electrodes between which a pulsed corona discharge is produced, by partially covering the electrode with a solid and / or gaseous dielectric,

-3elektrody s dielektriky s odlišnými dielektrickými konstantami.-3electrodes with dielectrics with different dielectric constants.

Podle vynálezu se trojné body na elektrodě vytvoří tím, žeAccording to the invention, triple points on the electrode are formed by:

a) elektroda je pokryta vrstvou porézní keramiky,a) the electrode is covered with a porous ceramic layer,

b) elektroda je pokryta přerušovanou vrstvou skla,b) the electrode is covered with an intermittent layer of glass,

c) elektroda je vyrobena z plynopropustného materiálu a připojena k přívodu plynu,c) the electrode is made of gas-permeable material and connected to the gas supply,

d) elektroda vyrobená z plynopropustného materiálu je pokryta porézní keramikou a připojena k přívodu plynu.d) an electrode made of gas permeable material is covered with porous ceramic and connected to the gas supply.

Vhodnou konstrukcí elektrody je možno dosáhnout vysoké hustoty trojných bodů na povrchu hustoty výbojových kanálů a tak velkém a dobře definovaném objemu vody. Vlivem soustředění elektrického pole do okolí trojných bodů se podstatně rozšiřuje rozsah použitelných napětí, při nichž nedochází ke vzniku nežádoucího jiskrového výboje. Zároveň se snižují energetické ztráty vlivem nenulové elektrické vodivosti vody.By a suitable electrode construction it is possible to achieve a high density of triple points on the surface of the density of discharge channels and thus a large and well defined volume of water. Due to the concentration of the electric field around the triple points, the range of usable voltages at which undesired spark discharge does not occur is greatly expanded. At the same time, energy losses due to non-zero electrical conductivity of water are reduced.

elektrody a následně vysoké generovat koronový výboj veelectrodes and consequently high generate corona discharge in

Přehled obrázků na výkreseOverview of the drawings

Vynález bude blíže objasněn pomocí výkresu, na kterém je schematicky znázorněno zařízení podle vynálezu.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be explained in more detail with reference to the drawing, in which a schematic representation of the device according to the invention is shown.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Příklad provedení vynálezu je znázorněn na obrázku. Impulzní koronový výboj je vytvářen v prostoru 3 mezi koaxiálními elektrodami 1 a 2. Prostor 3 je zaplněn vodou, protékající mezi vtokem 6 a výtokem 7. Elektrody 1 a 2 jsou vzájemně izolovány izolátory 4 a 5 a jsou napájeny z impulzního vysokonapětsového zdroje 8. Elektroda 1 o průměru 2a je vyrobena z materiálu, který ve vodě nekoroduje (např. z nerez oceli) a je pokryta porézní keramickou vrstvou 1' o síle d s pórovitosti několika procent. Vnější elektroda 2 má průměr 2R. Na povrchu vnitřní elektrody 1 bez keramické vrstvy by bylo elektrické pole E=U/(a.lgR/a). V případě pokrytí elektrody 1 keramickou vrstvou 1’ o síle d<<a bude elektrické pole na povrchu vnitřní elektrody rovnoAn exemplary embodiment of the invention is shown in the figure. A pulsed corona discharge is formed in the space 3 between the coaxial electrodes 1 and 2. The space 3 is filled with water flowing between the inlet 6 and the outlet 7. The electrodes 1 and 2 are insulated from each other by insulators 4 and 5. 1 of diameter 2a is made of a material which does not corrode in water (e.g. stainless steel) and is covered with a porous ceramic layer 1 'with a thickness d of several percent. The outer electrode 2 has a diameter of 2R. On the surface of the inner electrode 1 without the ceramic layer, there would be an electric field E = U / (a.IgR / a). If the electrode 1 is covered with a ceramic layer 1 ´ with a thickness d << and the electric field on the surface of the inner electrode

-4Ε_χ= (e₂/e_:L) .U/(a.lgR/a) kde e_z je dielektrická konstanta vody (e₂=80) a je dielektrická konstanta keramické vrstvy {¢^= 2-8). Pokrytím elektrody keramickou vrstvou se na povrchu vnitřní elektrody zvyšuje elektrické pole v poměru dielektrických konstant € /e obou dielektrik a tím se dosahuje prahové intenzity elektrického pole pro vznik koronového výboje při podstatně nižších napětích na elektrodách než při elektrodách bez pokrytí. V pórech na elektrodě mohou snadno vznikat jednotlivé výbojové kanály, které se šíří směrem k vnější elektrodě. Po dosažení hranice s vodou vytvářejí jednotlivé výbojové kanály na povrchu keramické vrstvy ekvipotenciálu s potenciálem blízkým k plnému napětí na vnitřní elektrodě a další vývoj výboje pokračuje stejně, jakoby keramická vrstva na elektrodě nebyla. Povrch elektrody je však zdrojem nabitých částic a záření, což umožňuje další šíření výboje ve vodě. Vlivem pokrytí většiny povrchu elektrody izolační vrstvou se podstatně snižuje nežádoucí proud vlivem nenulové vodivosti vody.-4Ε _χ = (e ₂ / e _{: L} ). U / (a.lgR / a) where e _z is the dielectric constant of water (e ₂ = 80) and is the dielectric constant of the ceramic layer (¢ ^ = 2-8). Covering the electrode with a ceramic layer increases the electric field on the surface of the inner electrode in the ratio of the dielectric constants e / e of the two dielectrics, thereby achieving a corona discharge electric field threshold intensity at significantly lower electrode voltages than uncoated electrodes. Individual discharge channels can easily form in the pores on the electrode and spread towards the outer electrode. Upon reaching the water boundary, the individual discharge channels form an equipotential potential on the surface of the ceramic layer with a potential close to full voltage on the inner electrode, and further development of the discharge proceeds as if the ceramic layer on the electrode was not. However, the surface of the electrode is a source of charged particles and radiation, which allows for further propagation of the discharge in water. Due to the coating of most of the electrode surface with an insulating layer, the undesirable current due to the non-zero conductivity of the water is substantially reduced.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Způsob a zařízení k vytváření objemového koronového výboje ve vodě lze využít k odstraňování nežádoucích organických příměsí z vody, v ekologii, ve strojírenství, v chemickém průmyslu, k úpravě pitné vody a ke sterilizaci vody.The method and apparatus for generating a volumetric corona discharge in water can be used to remove unwanted organic impurities from water, in ecology, engineering, the chemical industry, to treat drinking water and to sterilize water.

Claims (6)

PATBNTOVÉ NÁROKYPATBNTOVÉ NÁVRODKY 1. Způsob vytváření objemového koronového výboje ve vodě nebo ve vodě s příměsemi mezi elektrodami, na které je přiloženo impulzní napětí, vyznačený tím, že se intenzita elektrického pole v blízkosti alespoň jedné z elektrod zvýší částečným pokrytím této elektrody pevným a/nebo plynným dielektrikem a na povrchu elektrody se vytvoří místa styku materiálu elektrody, pevného a/nebo plynného dielektrika a/nebo vody.A method of generating a volumetric corona discharge in or with impurities between electrodes to which a pulsed voltage is applied, characterized in that the electric field strength in the vicinity of at least one of the electrodes is increased by partially covering the electrode with a solid and / or gaseous dielectric; points of contact of the electrode material, solid and / or gaseous dielectric and / or water are formed on the electrode surface. 2. Zařízení k provádění způsobu podle nároku 1 opatřené elektrodami na které se přikládá impulzní napětí, vyznačené tím, že na povrchu alespoň jedné z elektrod (1,2) jsou vytvořena místa styku materiálu elektrody s dielektriky s odlišnými dielektrickými konstantami částečným pokrytím této elektrody pevným a/nebo plynným dielektrikem.Apparatus for carrying out the method according to claim 1, provided with electrodes on which a pulsed voltage is applied, characterized in that at the surface of at least one of the electrodes (1, 2), points of contact of the electrode material with dielectrics with different dielectric constants are formed. and / or a gaseous dielectric. 3. Zařízení podle nároku 2 vyznačené tím, že částečné pokrytí alespoň jedné elektrody (1,2) je vytvořeno porézní keramickou vrstvou ď) .Device according to claim 2, characterized in that the partial coverage of the at least one electrode (1, 2) is formed by a porous ceramic layer 1 '. 4. Zařízení podle nároku 2 vyznačené tím, že částečné pokrytí alespoň jedné elektrody (1,2) je vytvořeno přerušovanou vrstvou skla.Device according to claim 2, characterized in that the partial coverage of the at least one electrode (1, 2) is formed by an intermittent layer of glass. 5. Zařízení podle nároku 2 vyznačené tím, že alespoň jedna elektroda (1,2) je vytvořena z plynopropustného materiálu a je připojena k přívodu plynu.Device according to claim 2, characterized in that the at least one electrode (1, 2) is made of a gas-permeable material and is connected to the gas supply. 6. Zařízení podle nároku 2 vyznačené tím, že alespoň jedna elektroda (1,2) je vytvořena z plynopropustného materiálu pokrytého porézní keramikou a je připojena k přívodu plynu.Apparatus according to claim 2, characterized in that the at least one electrode (1, 2) is made of a gas-permeable material coated with a porous ceramic and connected to the gas supply.