RU2704419C1

RU2704419C1 - Vortex sonoplasmochemical device

Info

Publication number: RU2704419C1
Application number: RU2018137473A
Authority: RU
Inventors: Анна Владимировна Камлер; Роман Викторович Никонов; Вадим Муратович Боязитов; Рубен Григорьевич Суруханов
Original assignee: Анна Владимировна Камлер
Priority date: 2018-10-24
Filing date: 2018-10-24
Publication date: 2019-10-28

Abstract

FIELD: water and air purification technology.

SUBSTANCE: invention relates to a vortex sonoplasmochemical device for treating liquid media, which can be used, for example, in water conditioning systems for disinfecting water, sea and waste water. Proposed device comprises housing, inlet branch pipe, resonator chambers with vacuum zone to swirl fluid flow therein and to generate elastic oscillations propagating in fluid flow direction, providing cavitation in fluid flow, tubular anode and cathode, inlet gas mix feed nozzles and outlet nozzle.

EFFECT: invention provides combined action on liquid media accompanying ultrasonic cavitation effects and specific plasma properties inherent in plasma.

1 cl, 1 dwg

Description

Устройство относится к физико-химическим инструментам плазмохимических технологий, а также к экологии и может быть использовано, например, в системах кондиционирования воды, в частности, для обеззараживания водопроводной, морской и сточных вод.The device relates to physical and chemical instruments of plasma-chemical technologies, as well as to ecology and can be used, for example, in water conditioning systems, in particular, for disinfection of tap, sea and wastewater.

Цель создания устройства - расширение возможностей плазмохимических технологий, включая соноплазменные технологии, используемые в основном для осуществления гетеро-фазных процессов, и в том числе для решения важной и актуальной задачи - обеззараживания водопроводной, морской и сточных вод.The purpose of the device is to expand the capabilities of plasma-chemical technologies, including sonoplasmic technologies, used mainly for heterophase processes, and also for solving an important and urgent task - disinfection of tap, sea and wastewater.

Предлагаемое устройство - соноплазмохимический реактор, обеспечивающее достижение поставленной цели, характеризуется тем, что включает комбинацию взаимно адаптированных вихревого гидроакустического излучателя и трубчатого плазмохимического реактора, что позволяет получить синергичную эффективность, за счет мощной кавитации в вихревом потоке, проходящем через трубчатый плазмохимический реактор.The proposed device is a sonoplasmochemical reactor that achieves the goal, is characterized by the fact that it includes a combination of mutually adapted vortex hydroacoustic emitter and tubular plasma-chemical reactor, which allows to obtain synergistic efficiency due to powerful cavitation in the vortex flow passing through the tubular plasma-chemical reactor.

Известно, что плазмохимические процессы высокопроизводительны, при почти полной необратимости протекающих реакций. Одной из важных областей применения плазмохимии, является технология обеззараживания воды, поскольку взаимодействие активных частиц плазмы с вредными химическими соединениями или микроорганизмами приводит к их разрушению.It is known that plasma-chemical processes are highly productive, with almost complete irreversibility of the ongoing reactions. One of the important areas of application of plasma chemistry is the technology of water disinfection, since the interaction of active plasma particles with harmful chemical compounds or microorganisms leads to their destruction.

В настоящее время известно множество методов очистки и обеззараживания воды: механическая фильтрация, биохимические методы, химические методы, озонирование, акустическая, ультрафиолетовая, электроимпульсная, рентгеновская обработка, воздействие ударными волнами. Одними из перспективных методов водоподготовки и очистки сильнозагрязненных сточных вод являются методы, основанные на плазмохимических процессах в жидко-газовых средах. (Абрамова А.В., Булычев Н.А., Градов О.М. и др. Воздействие плазмы на биологические объекты в жидкофазных средах. «Перспективные материалы и технологии». Витебск, 2011; Patent WO 2014182715A1, 2013; Булычев А., Казарян Н.А., Чернов М.А., и др. Воздействие плазменного разряда в жидкости на микробиологические объекты и создание технологии плазменной стерилизации воды. Альтернативная энергетика и экология. 2013. №5 (126), ч. 2. - С. 114-119; Patent US 7067204 В2, Chinese ZL 03807461.3, Korean 10-2004-7015057).Currently, there are many methods of cleaning and disinfecting water: mechanical filtration, biochemical methods, chemical methods, ozonation, acoustic, ultraviolet, electro-pulse, x-ray treatment, exposure to shock waves. One of the promising methods of water treatment and purification of highly contaminated wastewater are methods based on plasma-chemical processes in liquid-gas media. (Abramova A.V., Bulychev N.A., Gradov O.M. et al. Plasma exposure to biological objects in liquid-phase media. “Promising materials and technologies.” Vitebsk, 2011; Patent WO 2014182715A1, 2013; Bulychev A. , Kazaryan NA, Chernov MA, et al. Influence of a plasma discharge in a liquid on microbiological objects and the creation of plasma sterilization technology for water. Alternative Energy and Ecology. 2013. No. 5 (126), part 2. - С 114-119; Patent US 7067204 B2, Chinese ZL 03807461.3, Korean 10-2004-7015057).

Несмотря на некоторые успехи, достигнутые при испытаниях, холодная плазменная обработка воды не получила распространения на практике, поскольку источники холодной плазмы технически сложно и экономически невыгодно масштабировать.Despite some of the successes achieved in the tests, cold plasma water treatment is not widespread in practice, since sources of cold plasma are technically difficult and economically unprofitable to scale.

Существенно повышает эффективность плазменной обработки комбинация вышеупомянутого способа с ультразвуком, генерируемым, в частности, несложными в исполнении, относительно недорогими и хорошо зарекомендовавшими себя гидроакустическими преобразователями (Саруханов Р.Г., Пучков В.В., Шибуня В.С и др., АС 1251962, АС 1732531, АС 1472433, АС 1550713, АС 1480215, АС 1494317 АС 1034790, RU 2651197, RU 2467956).The combination of the aforementioned method with ultrasound, which is generated in particular by relatively simple, relatively inexpensive and well-proven sonar transducers (Sarukhanov R.G., Puchkov V.V., Shibunya V.S. et al., AS) significantly increases the efficiency of plasma processing 1251962, AC 1732531, AC 1472433, AC 1550713, AC 1480215, AC 1494317 AC 1034790, RU 2651197, RU 2467956).

Известно, что гидроакустические преобразователи, излучающие широкополосный спектр акустических колебаний, в ряде случаев предпочтительнее моно-частотных пьезоэлектрических и/или магнито-стрикционных излучателей ультразвука. В частности, импульсный вихревой гидроакустический излучатель весьма эффективен для интенсификации технологических процессов в жидкостях, за счет того, что жидкая среда, поступая в вихревые камеры, испытывает действие изменяющихся во времени центробежных сил, вследствие чего реализуется импульсный режим генерации и повышается амплитуда колебаний частиц в жидкости (Саруханов Р.Г., и др. SU 1579580 A1, 1983). Известно также, что комбинированное (сочетанное) действия различных физических факторов часто оказывается весьма эффективным при воздействии на ряд физико-химических процессов (Акопян В.Б., Ершов А.Ю. Ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии). - М: «ЮРАЙТ». 2016, 223 с).It is known that hydroacoustic transducers emitting a broadband spectrum of acoustic vibrations are in some cases preferable to mono-frequency piezoelectric and / or magneto-strictive ultrasound emitters. In particular, a pulsed vortex hydroacoustic emitter is very effective for intensifying technological processes in liquids, due to the fact that the liquid medium entering the vortex chambers experiences the action of time-varying centrifugal forces, as a result of which a pulsed oscillation mode is realized and the amplitude of particle oscillations in the liquid increases (Sarukhanov R.G., et al. SU 1579580 A1, 1983). It is also known that the combined (combined) action of various physical factors is often very effective when exposed to a number of physicochemical processes (Akopyan VB, Ershov A.Yu. Ultrasound in medicine, veterinary medicine and experimental biology). - M: URIGHT. 2016, 223 s).

Эффективность соноплазменных процессов убедительно доказана, однако, лишь в лабораторных условиях на малопроизводительных лабораторных установках (S. Nomura, Н. Toyota Sonop lasma generated by a combination of ultrasonic waves and microwave irradiation Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 4503; A. Zolezzi-Garreton, О Abramov, V. Abramov US 20100039036 A1, 2008; S. Mukasa, S. Nomura, H. Toyota, Measurement of Temperature in Sonoplasma Japanese Journal of Applied Physics 2004 43, 1, 5B; A. Zolezzi-Garreton P. n: 20150139853, 20160272518; P. Cintas, S. Tagliapietra, M. Caporaso et al., Enabling technologies built on a sonochemical platform: Challenges and opportunities, Ultrasonics Sonochemistry 2015, 25, Pp 8-16;. Абрамов O.B, Абрамов B.O., Андрианов Ю.В., и др., Соноплазменный разряд в жидкой фазе, Материаловедение, 2009, 2, 143, с. 57; Абрамов В.О., Андриянов Ю.В., Кистерев Э.В., и др. Плазменный разряд в кавитирующей жидкости, Инженерная физика, 2009, 8, с. 34.). Сообщалось даже о возможности термоядерных реакций с излучением холодных нейтронов в поле мощного ультразвука (Taleyarkhan R.P., West C.D., Cho J.S., et al. Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation. Science 2002, 295, 1868; M. Sato, H. Sugai, T. Ishijima, at al. Condition of Multibubble Sonofusion and Proposal of Experimental Setup, arXiv:physics/0508191), так и не получивших достоверного подтверждения (Shapira D., Saltmarsh М., Nuclear Fusion in Collapsing Bubbles-Is It There? An Attempt to Repeat the Observation of Nuclear Emissions from Sonoluminescence, Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 10, 104302).The effectiveness of sonoplasmic processes has been convincingly proven, however, only under laboratory conditions in low-productivity laboratory units (S. Nomura, N. Toyota Sonop lasma generated by a combination of ultrasonic waves and microwave irradiation Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 4503; A. Zolezzi-Garreton, About Abramov, V. Abramov US 20100039036 A1, 2008; S. Mukasa, S. Nomura, H. Toyota, Measurement of Temperature in Sonoplasma Japanese Journal of Applied Physics 2004 43, 1, 5B; A. Zolezzi-Garreton P. n: 20150139853, 20160272518; P. Cintas, S. Tagliapietra, M. Caporaso et al., Enabling technologies built on a sonochemical platform: Challenges and opportunities, Ultrasonics Sonochemistry 2015, 25, Pp 8-16; Abramov OB, Abramov BO, Andrianov Yu.V., et al., Sonoplasmic Discharge in the Liquid Phase, Mate ialovedenie, 2009, 2, 143, p. 57; Abramov V.O., Andriyanov Yu.V., Kisterev E.V., et al. Plasma discharge in cavitating fluid, Engineering Physics, 2009, 8, p. 34. ) The possibility of thermonuclear reactions with cold neutron radiation in the field of powerful ultrasound (Taleyarkhan RP, West CD, Cho JS, et al. Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation. Science 2002, 295, 1868; M. Sato, H. Sugai, T. Ishijima, at al. Condition of Multibubble Sonofusion and Proposal of Experimental Setup, arXiv: physics / 0508191), which have not received reliable confirmation (Shapira D., Saltmarsh M., Nuclear Fusion in Collapsing Bubbles-Is It There? An Attempt to Repeat the Observation of Nuclear Emissions from Sonoluminescence, Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 10, 104302).

Предлагаемое изобретение - соноплазмохимический реактор - характеризуется тем, что включает комбинацию взаимно адаптированных вихревого гидроакустического излучателя и трубчатого плазмохимического реактора, что позволяет получить синергичную эффективность, за счет мощной кавитации в вихревом потоке, проходящем через трубчатый плазмохимический реактор.The present invention is a sonoplasmochemical reactor - characterized in that it includes a combination of mutually adapted vortex hydroacoustic emitter and tubular plasma-chemical reactor, which allows to obtain synergistic efficiency due to powerful cavitation in the vortex stream passing through the tubular plasma-chemical reactor.

Устройство легко масштабируемо, например, организацией параллельных потоков.The device is easily scalable, for example, by organizing parallel flows.

Устройство включает: входной патрубок (1), в корпусе вихревого устройства (2), резонаторные камеры (3) с вакуумной зоной (4), трубчатые анод и катод (5), выходное сопло (6), входные штуцера для подачи газовой смеси (7), отверстия в трубчатых катоде и аноде (8).The device includes: an inlet pipe (1), in the body of the vortex device (2), resonator chambers (3) with a vacuum zone (4), a tubular anode and cathode (5), an output nozzle (6), an inlet for supplying a gas mixture ( 7), holes in the tubular cathode and anode (8).

Устройство функционирует следующим образом:The device operates as follows:

Жидкая среда поступает по каналу 1 в корпусе соноплазмохимического вихревого устройства 2 в вихревые резонаторные камеры (3) с вакуумной зоной (4), в которых поток закручивается. Вихревое движение в эллипсоидальных вихревых камерах характеризуется ускорениями потока у стен вихревых камер с меньшей кривизной, то течение рабочей среды оказывается сильно турбулизированным и нестационарным. При этом камеры 3 периодически заполняются рабочей средой и опорожняются, генерируя при этом упругие колебания, распространяющиеся по направлению потока. В результате, постоянно и резко меняющиеся по величине и направлению скорости и градиенты скоростей в потоках жидкости в резонансных камерах обуславливают импульсный режим генерации колебаний, зависящий, в том числе и от кривизны поверхностей вихревых камер определяющих структуру и анизотропию поля скоростей и давлений.The fluid enters through channel 1 in the casing of the sonoplasmochemical vortex device 2 into the vortex resonator chambers (3) with a vacuum zone (4) in which the flow swirls. The vortex motion in ellipsoidal vortex chambers is characterized by accelerations of the flow near the walls of vortex chambers with less curvature, then the flow of the working medium is very turbulent and unsteady. In this case, the chambers 3 are periodically filled with a working medium and emptied, while generating elastic vibrations propagating in the direction of flow. As a result, the velocities and velocity gradients in fluid flows in resonant chambers that constantly and rapidly change in magnitude and direction determine the pulse mode of oscillation generation, which depends, inter alia, on the curvature of the surfaces of the vortex chambers that determine the structure and anisotropy of the velocity and pressure fields.

В результате функционирования устройства, поток жидкости направляется по каналу (1) в корпусе соноплазмохимического вихревого устройства (2) в вихревые резонаторные камеры (3) с вакуумной зоной (4), расположенные на входе устройства, в жидкости возникает кавитация и в промежуток между электродами (5), попадает поток кавитирующей жидкости, совершающей, к тому же вихревое движение. Дополнительно, через отверстия (8), поступающий через входные штуцеры (7) для подачи газовой смеси газ, обеспечивает увеличение количества кавитирующих пузырьков. В электрическом поле, такие кавитационные пузырьки, несущие поверхностный заряд (Сиротюк М.Г., Акустическая кавитация, М. Наука, 2008), выстраиваются в цепочки, образуя множество микроканалов в промежутке между электродами, облегчая электрический пробой и поддерживая электрический разряд, сходный по своим свойствам с аномальным тлеющим разрядом (Химическая энциклопедия, 1992). Такой разряд с развитой поверхностью микроканалов приводит к увеличению диффузионных потоков химически активных частиц из плазмы в жидкость, ускоряя технологические процессы, в частности разрушая биомакромолекулы, включая вирусы, и подавляя жизнеспособность отдельных клеток, в том числе болезнетворных бактерий. Обработанная в вихревом соноплазмохимическом устройстве вода покидает устройство через сопло (6).As a result of the functioning of the device, the fluid flow is directed through the channel (1) in the sonoplasmochemical vortex device body (2) into the vortex resonator chambers (3) with a vacuum zone (4) located at the device inlet, cavitation occurs in the liquid between the electrodes ( 5), the flow of cavitating fluid, which also performs a swirling movement, enters. Additionally, through the holes (8) entering through the inlet fittings (7) for supplying the gas mixture, the gas provides an increase in the number of cavitating bubbles. In an electric field, such cavitation bubbles carrying a surface charge (Sirotyuk M.G., Acoustic cavitation, M. Nauka, 2008) line up in chains, forming many microchannels in the gap between the electrodes, facilitating electrical breakdown and maintaining an electric discharge similar in its properties with an abnormal glow discharge (Chemical Encyclopedia, 1992). Such a discharge with a developed surface of microchannels leads to an increase in the diffusion fluxes of chemically active particles from plasma to liquid, accelerating technological processes, in particular, destroying biomacromolecules, including viruses, and inhibiting the viability of individual cells, including pathogenic bacteria. Water treated in a vortex sonoplasmochemical device leaves the device through a nozzle (6).

Следует отметить, что трубчатая конструкция устройства, объединенная с гидроакустическим преобразователем, легко масштабируема вплоть до промышленных размеров, в частности, увеличением числа параллельных потоков.It should be noted that the tubular design of the device, combined with a sonic transducer, is easily scalable up to industrial sizes, in particular, by increasing the number of parallel flows.

Как следует из вышеприведенного, совокупность отличительных признаков заявленного устройства обеспечивает комбинированное воздействие на жидкие среды, движущиеся с высокими градиентами скоростей в потоке, и мощных импульсов давления, создаваемых кавитационными пузырьками, в купе с влиянием порождаемой между электродами плазмой.As follows from the above, the combination of distinctive features of the claimed device provides a combined effect on liquid media moving with high velocity gradients in the flow and powerful pressure pulses created by cavitation bubbles, coupled with the influence of the plasma generated between the electrodes.

В результате проведенного анализа уровня техники, источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного устройства, не обнаружен, следовательно, заявленное устройства соответствует условию "новизна".As a result of the analysis of the prior art, a source characterized by features identical to all the essential features of the claimed device is not detected, therefore, the claimed device meets the condition of "novelty."

Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное устройство не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку предложенное техническое решение обладает свойствами, обеспечивающими сочетанное действие сопровождающих ультразвуковую кавитацию эффектов и присущих плазме специфически свойств. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию «изобретательский уровень».An additional search for known solutions showed that the claimed device does not follow explicitly from the prior art for a specialist, since the proposed technical solution has properties that provide the combined effect of the effects accompanying ultrasonic cavitation and specific properties inherent in plasma. Therefore, the claimed technical solution meets the condition of "inventive step".

Для заявленного технического решения в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной формуле устройства, нет препятствий для его реализации с получением вышеуказанного результата. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию "промышленная применимость".For the claimed technical solution in the form as described in the stated formula of the device, there are no obstacles to its implementation with the above result. Therefore, the claimed technical solution meets the condition of "industrial applicability".

Предлагаемое устройство создает необходимое разнообразие, обеспечивая возможность оптимального выбора устройств для интенсификации ряда процессов, в том числе и обеззараживания водопроводной, морской и сточных вод.The proposed device creates the necessary variety, providing the opportunity for an optimal selection of devices for the intensification of a number of processes, including disinfection of tap, sea and sewage.

Claims

A vortex sonoplasmochemical device for processing liquid media, comprising a housing, an inlet pipe, resonator chambers with a vacuum zone located at the device inlet, made with the possibility of twisting the fluid flow in them, and also with the possibility of periodic filling with a working medium and emptying, and generating elastic vibrations propagating in the direction of the fluid flow, providing cavitation in the fluid flow, the tubular anode and cathode, in the interval between which the flow of cavitating fluid, overshayuschey whirling motion, inlet nozzle for feeding the gas mixture, the tubular anode and the cathode are formed with openings for incoming through the inlet nozzle of the gas mixture, which provides increased amount of cavitation bubbles and the outlet nozzle.