RU2761437C1

RU2761437C1 - Method for uhf plasma activation of water for synthesising hydrogen peroxide and apparatus for implementation thereof

Info

Publication number: RU2761437C1
Application number: RU2020143888A
Authority: RU
Inventors: Константин Фёдорович Сергейчев; Валерий Борисович Хаваев; Наталия Александровна Лукина
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью «Вандер Технолоджис»
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2021-12-08
Also published as: WO2022146186A1

Abstract

FIELD: plasma technology.

SUBSTANCE: invention relates to electrophysical methods for producing chemically pure hydrogen peroxide in the form of an aqueous solution and can be used in healthcare, medicine, food industry, crop production. The method for UHF plasma activation of water for synthesising hydrogen peroxide is based on continuous generation of plasma by an electrodeless torch discharge created by a UHF plasma torch generating, in the vapour-gas environment of a sealed chamber, a directed jet of low-temperature inert gas plasma acting on the treated water and water vapour resulting from evaporation of the surface layer of water under the impact of a gas plasma jet. An additional stream of water vapour is therein created, supplied into the UHF plasma torch coaxially to the directed inert gas plasma stream. Vapour condensation is executed in the process of plasma activation of water, and the condensate is directed to a sealed chamber with the treated water. Proposed is an apparatus for UHF plasma activation of water for synthesising hydrogen peroxide.

EFFECT: inventions provide a possibility of synthesising a pure solution of hydrogen peroxide without impurities such as nitrogen oxides, as well as reliable operation of the UHF plasma torch.

19 cl, 2 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к электрофизическим способам получения химически чистого пероксида водорода (далее - ПВ, химическая формула Н₂О₂) в форме водного раствора в результате прямого воздействия на воду плазмой безэлектродного СВЧ разряда в среде инертного газа и паров воды при атмосферном давлении и может быть использовано в здравоохранении, медицине, пищевой промышленности, растениеводстве и других областях техники, где используются активные формы кислорода (далее - АФК), безопасно сохраняемые в водном растворе.The invention relates to electrophysical methods for producing chemically pure hydrogen peroxide (hereinafter referred to as PV, chemical formula H ₂ O ₂ ) in the form of an aqueous solution as a result of direct exposure to water by plasma of an electrodeless microwave discharge in an inert gas and water vapor at atmospheric pressure and can be used in healthcare, medicine, food industry, plant growing and other fields of technology, where reactive oxygen species (hereinafter referred to as ROS) are used, which are safely stored in an aqueous solution.

Известен способ получения активной воды или раствора, использующий физическое воздействие на воду, отличающийся тем, что в роли физического фактора используют ультрафиолетовое (УФ) излучение, создаваемое газоразрядными источниками в кварцевых оболочках с плотностью потока мощности, падающей на поверхность воды ≥0,4 Вт/см² (Патент RU 2151742 C1). УФ излучение образует в воде радикалы ОН^•, предшественники образования Н₂О₂. УФ излучение создавали, например, дуговой ртутной лампой (ДРЛ). Граница пропускания УФ спектра излучения этой лампы с кварцевой оболочкой соответствует длине волны 170 нм, что обеспечивает выход излучения линии ртути 185 нм с энергией ≤ 6,7 эВ. Существуют источники излучения вакуумной части УФ спектра, (далее - ВУФ) с энергиями квантов 10-15 эВ, которое не выходит через кварцевую оболочку ламп. Такие ВУФ источники могут быть реализованы в открытом пространстве вблизи поверхности активируемой воды.There is a known method for producing active water or a solution using a physical effect on water, characterized in that ultraviolet (UV) radiation is used as a physical factor, created by gas-discharge sources in quartz shells with a power flux density falling on the water surface ≥0.4 W / cm² (Patent RU 2151742 C1). UV radiation forms OH radicals in water^•, the precursors of the formation of H₂O₂... UV radiation was generated, for example, with a mercury arc lamp (DRL). The cut-off of the UV spectrum of this quartz-clad lamp corresponds to a wavelength of 170 nm, which provides a radiation output of the 185 nm mercury line with an energy of ≤ 6.7 eV. There are radiation sources of the vacuum part of the UV spectrum (hereinafter referred to as VUV) with quantum energies of 10-15 eV, which does not come out through the quartz shell of the lamps. Such VUV sources can be realized in open space near the surface of activated water.

Известен способ плазменной активации воды или водных растворов, разработанный в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН [1], [2], который осуществляют следующим образом: в объеме водного раствора электролита (например, физиологический раствор) формируют электродный плазменный разряд с высокочастотной накачкой. Электродами плазменного разряда являются погруженный в жидкость "горячий" металлический электрод и жидкий квазиэлектрод на границе плазма-электролит. Формирование жидкого квазиэлектрода вокруг поверхности металлического электрода ведет к образованию однородного по толщине (~ 1.5∙10^-4м) плазменного слоя из паров воды с постоянной плотностью тока. Возбуждение плазмы производят высокочастотным током с частотой следования импульсов 110 кГц при амплитудном значении напряжения на металлическом электроде до 300 В. Для замыкания электрической цепи используется второй металлический электрод большей площади, также погруженный в жидкость. Замыкание тока между электродами внутри жидкости осуществляется в том случае, если вода содержит растворенные соли, т.е. является электролитом. Взаимодействие свободных горячих электронов (е) плазмы водяного пара с молекулами воды приводит к их диссоциации с образованием ионов и радикалов (Н^- и Н^•) и гидроксильных радикалов ОН^•, которые в результате плазмохимических реакций приводят к образованию водорода и пероксида водорода Н₂О₂.The known method of plasma activation of water or aqueous solutions, developed at the Institute of General Physics. A.M. Prokhorov Russian Academy of Sciences [1], [2], which is carried out as follows: in the volume of an aqueous electrolyte solution (for example, physiological solution) form an electrode plasma discharge with high-frequency pumping. The electrodes of the plasma discharge are a "hot" metal electrode immersed in a liquid and a liquid quasi-electrode at the plasma-electrolyte interface. The formation of a liquid quasi-electrode around the surface of a metal electrode leads to the formation of a ^{plasma layer of uniform thickness (~ 1.5 ∙ 10 -4} m) from water vapor with a constant current density. The plasma is excited by a high-frequency current with a pulse repetition rate of 110 kHz at an amplitude value of the voltage across the metal electrode up to 300 V. To close the electric circuit, a second metal electrode of a larger area is used, also immersed in liquid. The closure of the current between the electrodes inside the liquid is carried out if the water contains dissolved salts, i.e. is an electrolyte. The interaction of free hot electrons (e) of the plasma of water vapor with water molecules leads to their dissociation with the formation of ions and radicals (H ^- and H ^• ) and hydroxyl radicals OH ^• , which, as a result of plasma-chemical reactions, lead to the formation of hydrogen and hydrogen peroxide H ₂ O ₂ .

Указанный способ плазменной активации воды или водных растворов позволяет получать активированную воду, содержащую ПВ - эффективный регулятор роста растений, но так как активация является контактной - оба электрода погружены в активируемую жидкость, неизбежно растворение в воде материала электродов, что не позволяет широко использовать получаемую воду, активированную плазмой, например, в медицине.This method of plasma activation of water or aqueous solutions makes it possible to obtain activated water containing PV, an effective plant growth regulator, but since the activation is contact, both electrodes are immersed in the activated liquid, dissolution of the electrode material in water is inevitable, which does not allow widespread use of the resulting water. activated by plasma, for example, in medicine.

Также известен способ синтеза Н₂О₂ при прямом воздействии аргоновой плазмой на поверхность воды, раскрытый в статье «Прямой синтез пероксида водорода при взаимодействии плазмы с водой» [3], в котором плазма атмосферного давления зажигается от источника постоянного тока напряжением 500 В в зазоре шириной 3 мм между двумя вертикальными электродами, одним из которых служит вольфрамовая трубка, через которую в зазор подается аргон, а вторым - металлическая труба с открытым сверху торцом, по которой вверх подается вода, стекающая с края трубы. Вода содержит примесь соли и является проводящим электролитом, благодаря которому между вольфрамовой трубкой и водой через плазму и границу раздела плазмы и водным электролитом происходит перенос заряда. Синтез Н₂О₂ является следствием явления переноса зарядов в воду, включая распыление, эмиссию гидратированных ионов, вызванную электрическим полем, и испарение. Производительность по Н₂О₂ достигает ~ 1200 мкмоль/час, когда жидкий катод представляет собой очищенную воду или водный раствор NaCl с начальной проводимостью 10500 мкСм.Also known is a method for the synthesis of H₂O₂ under direct exposure to argon plasma on the water surface, disclosed in the article "Direct synthesis of hydrogen peroxide in the interaction of plasma with water" [3], in which atmospheric pressure plasma is ignited from a direct current source with a voltage of 500 V in a 3 mm wide gap between two vertical electrodes, one of which is a tungsten tube through which argon is fed into the gap, and the second is a metal pipe with an open top end, through which water is fed upward flowing down from the edge of the pipe. Water contains an admixture of salt and is a conductive electrolyte, due to which charge transfer occurs between the tungsten tube and water through the plasma and the plasma interface and the aqueous electrolyte. Synthesis of H₂O₂ is a consequence of the phenomenon of charge transfer into water, including sputtering, emission of hydrated ions caused by an electric field, and evaporation. Performance on N₂O₂ reaches ~ 1200 μmol / h, when the liquid cathode is purified water or an aqueous solution of NaCl with an initial conductivity of 10500 μS.

Данный способ плазменной активации воды или водных растворов позволяет получать активированную воду, содержащую ПВ, но так как активация является контактной, поскольку оба электрода погружены в активируемую жидкость, неизбежно растворение металла электродов с образованием окислов в получаемом растворе под влиянием ПВ, которые становятся катализаторами разложения самого ПВ, что, однако, не мешает использовать активированный раствор в течение продолжительности жизни ПВ в сельском хозяйстве для обработки семян и полива растений.This method of plasma activation of water or aqueous solutions makes it possible to obtain activated water containing HP, but since the activation is contact, since both electrodes are immersed in the activated liquid, dissolution of the metal of the electrodes is inevitable with the formation of oxides in the resulting solution under the influence of HP, which become catalysts for the decomposition of the PV, which, however, does not interfere with the use of the activated solution during the lifetime of PV in agriculture for treating seeds and watering plants.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и решаемой задаче является способ плазменной активации воды или водных растворов, в котором осуществляют прямое воздействие на поверхность воды струей низкотемпературной плазмы аргона, получаемой безэлектродным факельным СВЧ плазмотроном при атмосферном давлении (Патент RU № 2702594, опубл. 08.10.2019 г.). При этом активация воды идет одновременно двумя путями - прямым воздействием плазмы на поверхность воды и излучением плазмы, содержащим ВУФ. По сравнению с другими электрофизическими методами получения растворов ПВ с сопутствующими химическими продуктами, c учетом того, что вода исходно должна быть электролитом, имеющим электропроводность, преимущество данного метода активации состоит в том, что для получения чистых ПВ может быть использована дистиллированная вода, которая не имеет электропроводности, так как является диэлектриком. The closest to the claimed method in terms of the technical essence and the problem being solved is a method of plasma activation of water or aqueous solutions, in which a direct impact on the water surface is carried out with a jet of low-temperature argon plasma obtained by an electrodeless microwave torch plasmatron at atmospheric pressure (Patent RU No. 2702594, publ. 08.10 .2019). In this case, the activation of water occurs simultaneously in two ways - the direct action of the plasma on the surface of the water and the radiation of the plasma containing VUV. Compared to other electrophysical methods for the preparation of PV solutions with accompanying chemical products, taking into account the fact that water should initially be an electrolyte with electrical conductivity, the advantage of this activation method is that distilled water can be used to obtain pure PV, which does not have electrical conductivity, since it is a dielectric.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство плазменной активации воды или водных растворов (Патент RU № 2702594, опубл. 08.10. 2019 г.). Устройство представляет собой СВЧ плазмотрон, состоящий из магнетрона, источника его питания, волноводной системы, системы подачи газов: аргона, используемого в качестве плазмообразующего газа, азота, используемого в качестве газа, стабилизирующего горение факела, и, наконец, самой коаксиальной «горелки» плазмотрона, формирующей в открытой атмосфере направленную струю плазмы аргона. Струя плазмы касается поверхности обрабатываемой воды (водного раствора) и может частично в нее погружаться. Мощность факельного СВЧ плазмотрона может составлять 1 кВт и более. Плотная сердцевина плазменной струи имеет диаметр 0.2-0.3 см, длину струи ~3 см для частоты СВЧ 2,45 ГГц. Температура газа в плазме достигает (4÷5)×10³ °С, а электронная температура ≤1,5 эВ. Высокая скорость истечения аргона из узкого, диаметром 1,5 мм сопла на конце внутреннего проводника коаксиальной «горелки» не дает факельному разряду, фронт которого движется по струе аргона навстречу потоку, достигнуть сопла, благодаря чему сопло не нагревается плазмой, что позволяет данный тип факельного разряда считать безэлектродным. Отсутствие линий материала сопла в оптическом эмиссионном спектре плазмы характеризует отсутствие загрязнения плазмы материалом сопла.Closest to the claimed device is a device for plasma activation of water or aqueous solutions (Patent RU No. 2702594, publ. 08.10. 2019). The device is a microwave plasmatron consisting of a magnetron, its power source, a waveguide system, a gas supply system: argon used as a plasma-forming gas, nitrogen used as a gas stabilizing the torch combustion, and, finally, the coaxial "torch" of the plasmatron itself forming a directed jet of argon plasma in an open atmosphere. The plasma jet touches the surface of the treated water (aqueous solution) and can partially submerge it. The power of the microwave torch plasmatron can be 1 kW or more. The dense core of the plasma jet has a diameter of 0.2-0.3 cm, the length of the jet is ~ 3 cm for a microwave frequency of 2.45 GHz. The gas temperature in the plasma reaches (4 ÷ 5) × 10 ³ ° C, and the electron temperature is ≤1.5 eV. The high velocity of argon outflow from a narrow 1.5 mm nozzle at the end of the inner conductor of the coaxial "burner" does not allow the flare discharge, the front of which moves along the argon stream towards the flow, to reach the nozzle, due to which the nozzle is not heated by the plasma, which allows this type of flare discharge is considered electrodeless. The absence of lines of the nozzle material in the optical emission spectrum of the plasma characterizes the absence of plasma contamination by the nozzle material.

Для изоляции от воздуха рабочей части плазмотрона, (далее - горелка), она помещается через уплотнение в герметичную камеру из нержавеющей стали, в которой работа плазмотрона на истекающей струе аргона стабилизируется молекулярными газами, например азотом, который дополнительно вводится в плазмотрон.To isolate the working part of the plasmatron (hereinafter referred to as the torch) from the air, it is placed through a seal into a sealed chamber made of stainless steel, in which the operation of the plasmatron on the outflowing argon stream is stabilized by molecular gases, for example, nitrogen, which is additionally introduced into the plasmatron.

Данные способ и устройство позволяют получать достаточно чистые активированные растворы ПВ, не содержащие примесей, таких, например, как окислы металлов, которые могут быть катализаторами распада ПВ. Чистые растворы ПВ могут долго сохраняться и без добавления стабилизирующих добавок - ингибиторов ПВ. This method and device make it possible to obtain sufficiently pure activated solutions of PV that do not contain impurities, such as, for example, metal oxides, which can be catalysts for the decomposition of PV. Pure PV solutions can be stored for a long time even without the addition of stabilizing additives - PV inhibitors.

Однако упомянутые способ и устройство (Патент RU № 2702594), несмотря на присущие им достоинства, имеют следующие недостатки. Так, при включении СВЧ поля без предварительного создания вокруг струи аргона атмосферы молекулярного газа, протекающего внутри кварцевой трубки, может возникнуть дуговой разряд между соплом и стенкой коаксиального экрана плазмотрона, а не ожидаемая ионизация струи аргона с формированием факела. И несмотря на наличие под плазмотроном воды или иной среды, плазмотрон может сгореть. Молекулярный газ необходим в качестве газового изолятора вокруг сопла плазмотрона, выполняя роль стабилизирующего фактора горения для защиты плазмотрона от пробоя, переходящего в дуговой разряд. Молекулярные газы вследствие диссоциации вокруг факела распадаются на атомы и уносимые потоком не успевают ионизироваться, чтобы спровоцировать дуговой разряд. При этом пар образуется на поверхности воды в установившемся факельном разряде при стабилизации азотом в процессе плазменной активации. However, the mentioned method and device (Patent RU No. 2702594), despite their inherent advantages, have the following disadvantages. For example, when a microwave field is turned on without first creating an atmosphere of a molecular gas flowing inside a quartz tube around the argon jet, an arc discharge can occur between the nozzle and the wall of the coaxial screen of the plasmatron, rather than the expected ionization of the argon jet with the formation of a torch. And despite the presence of water or other medium under the plasmatron, the plasmatron may burn out. Molecular gas is necessary as a gas insulator around the nozzle of the plasmatron, acting as a stabilizing factor of combustion to protect the plasmatron from breakdown, which turns into an arc discharge. Molecular gases, due to dissociation around the torch, break down into atoms and, carried away by the flow, do not have time to ionize in order to provoke an arc discharge. In this case, steam is formed on the water surface in a steady-state torch discharge when stabilized with nitrogen during plasma activation.

Между тем образование пара на поверхности воды в прототипе носит нестабильный характер, что не гарантирует надежной работы плазменного факела без применения азота в качестве стабилизирующего фактора.Meanwhile, the formation of steam on the surface of the water in the prototype is unstable, which does not guarantee reliable operation of the plasma torch without the use of nitrogen as a stabilizing factor.

Таким образом для надежной работы устройства и стабильного «горения» разряда необходим азот, который в высокотемпературной струе аргона при взаимодействии с водой и паром образует окислы азота, растворяемые в воде в виде нитритов и нитратов (NO_x) одновременно с образованием ПВ. Полученная активированная вода, содержащая ПВ и окислы азота, находит применение в растениеводстве в качестве комплексного регулятора роста, благодаря его стимулирующему воздействию на рост растений и всхожесть семян, синергизму ПВ и окислов NO_x. Между тем, не менее важно получать растворы чистого ПВ без каких-либо сопутствующих соединений, с целью их применения не только в сельском хозяйстве, но и в других областях - биологии и медицине. В частности, чистые растворы ПВ используются в гипероксигенационной терапии рака в виде инъекций [4].Thus, for reliable operation of the device and stable "combustion" of the discharge, nitrogen is required, which, in a high-temperature argon jet, when interacting with water and steam, forms nitrogen oxides, which are dissolved in water in the form of nitrites and nitrates (NO _x ) simultaneously with the formation of PV. The resulting activated water containing HP and nitrogen oxides is used in plant growing as a complex growth regulator due to its stimulating effect on plant growth and seed germination, synergism of HP and NO _x oxides. Meanwhile, it is no less important to obtain solutions of pure PV without any accompanying compounds in order to use them not only in agriculture, but also in other fields - biology and medicine. In particular, pure PV solutions are used in hyperoxygenation therapy of cancer in the form of injections [4].

Другой недостаток прототипа в осуществлении плазменной активации воды или водных растворов в воздушной атмосфере состоит в потере активированного пара, образующегося в зоне взаимодействия горячей плазмы с водой, поскольку пар удаляется вместе с отходящими газами в вентиляцию, что снижает эффективность данного способа получения активированной воды.Another disadvantage of the prototype in the implementation of plasma activation of water or aqueous solutions in an air atmosphere is the loss of activated steam generated in the zone of interaction of hot plasma with water, since the steam is removed together with the exhaust gases into ventilation, which reduces the effectiveness of this method of producing activated water.

Основной задачей заявляемого способа и устройства СВЧ - плазменной активации воды или водных растворов для синтеза пероксида водорода является получение чистого раствора ПВ в водно-паровой атмосфере с помощью плазмы инертного газа (аргона), исключающее появление в растворе окислов азота или других примесей, а также устранение потерь из реактора активированного водяного пара.The main objective of the proposed method and microwave device - plasma activation of water or aqueous solutions for the synthesis of hydrogen peroxide is to obtain a pure PV solution in a water-vapor atmosphere using an inert gas (argon) plasma, excluding the appearance of nitrogen oxides or other impurities in the solution , as well as eliminating losses from the reactor of activated steam.

Технический результат заявляемой группы изобретений - повышение степени чистоты водного раствора ПВ путем исключения примеси нитратов, и повышение надежности работы устройства за счет стабилизации его работы потоком пара вместо азота, и, тем самым - исключения его выхода из строя. The technical result of the claimed group of inventions is to increase the purity of the aqueous solution of PV by eliminating the impurity of nitrates, and to increase the reliability of the device by stabilizing its operation with a stream of steam instead of nitrogen, and thereby eliminating its failure.

Дополнительно достигается повышение эффективности и производительности устройства, за счет полного устранения потерь из реактора активированного водяного пара, а также расширение области применения полученного ПВ, поскольку отсутствие в нем окислов азота и иных примесей позволит применять раствор ПВ не только в сельском хозяйстве, но и в других областях - биологии и медицине.Additionally, an increase in the efficiency and productivity of the device is achieved, due to the complete elimination of losses from the reactor of activated water vapor, as well as the expansion of the field of application of the obtained PV, since the absence of nitrogen oxides and other impurities in it will allow the use of a PV solution not only in agriculture, but also in other areas - biology and medicine.

Технический результат достигается тем, что в известном способе СВЧ - плазменной активации воды для синтеза пероксида водорода, основанном на непрерывной генерации плазмы безэлектродным факельным разрядом, который создают СВЧ плазмотроном, генерирующим в парогазовой среде направленную струю низкотемпературной плазмы инертного газа, воздействующей на обрабатываемую воду и водяной пар, возникающий в результате испарения поверхностного слоя воды в герметичной камере под воздействием газо-плазменной струи, создают дополнительный поток водяного пара, который подают в СВЧ плазмотрон коаксиально направленному потоку плазмы инертного газа, в процессе плазменной активации воды осуществляют конденсацию пара, а полученный конденсат направляют в герметичную камеру с обрабатываемой водой.The technical result is achieved by the fact that in the known method of microwave - plasma activation of water for the synthesis of hydrogen peroxide, based on continuous plasma generation by an electrodeless torch discharge, which is created by a microwave plasmatron generating a directed jet of low-temperature plasma of an inert gas in a vapor-gas environment, acting on the treated water and water steam resulting from the evaporation of the surface layer of water in a sealed chamber under the influence of a gas-plasma jet creates an additional flow of water vapor, which is fed to the microwave plasmatron coaxially directed to the flow of an inert gas plasma; into a sealed chamber with treated water.

В качестве инертного газа предпочтительно использовать гелий или аргон.It is preferable to use helium or argon as the inert gas.

Направленную струю низкотемпературной плазмы подводят к поверхности воды или водного раствора или частично погружают в него. A directed jet of low-temperature plasma is supplied to the surface of water or an aqueous solution or partially immersed in it.

Поток водяного пара пропускают сквозь плазмотрон по коаксиальному каналу плазмотрона, сформированному кварцевой или керамической трубкой-изолятором.A stream of water vapor is passed through the plasmatron through the coaxial channel of the plasmatron formed by a quartz or ceramic tube-insulator.

Конденсацию пара предпочтительно осуществлять в конденсаторе, установленном вертикально над герметичной камерой, при этом образовавшийся конденсат возвращают в камеру с активируемым плазмой водным раствором.Steam condensation is preferably carried out in a condenser installed vertically above the sealed chamber, the resulting condensate being returned to the chamber with a plasma-activated aqueous solution.

Оптимально осуществлять регулирование скорости подачи инертного газа, пара, уровня СВЧ мощности разряда и скорости отбора воды с пероксидом водорода с помощью системы автоматического управления. It is optimal to regulate the rate of supply of inert gas, steam, the level of microwave discharge power and the rate of withdrawal of water with hydrogen peroxide using an automatic control system .

Предпочтительно удалять отработанный инертный газ через конденсатор.It is preferable to remove the waste inert gas through a condenser.

Технический результат достигается также тем, что в известное устройство СВЧ -плазменной активации воды для синтеза пероксида водорода, содержащее СВЧ плазмотрон, включающий магнетрон, прямоугольный волновод и коаксиальный волновод, содержащий центральный проводник, причем рабочая часть СВЧ плазмотрона размещена в герметичной камере с обрабатываемой водой, и баллон сжатого газа, соединенный с центральным проводником, дополнительно введены парогенератор, соединенный с коаксиальным волноводом плазмотрона, и конденсатор, соединенный с герметичной камерой.The technical result is also achieved by the fact that the known device for microwave-plasma activation of water for the synthesis of hydrogen peroxide, containing a microwave plasmatron, including a magnetron, a rectangular waveguide and a coaxial waveguide containing a central conductor, and the working part of the microwave plasmatron is placed in a sealed chamber with treated water, and a compressed gas cylinder connected to the central conductor, a steam generator connected to the coaxial waveguide of the plasmatron, and a capacitor connected to the sealed chamber are additionally introduced.

Предпочтительно конденсатор установить вертикально над герметичной камерой, соединенной с конденсатором через патрубок. It is preferable to install the condenser vertically above a sealed chamber connected to the condenser through a branch pipe .

Трубопровод, соединяющий парогенератор с плазмотроном, предпочтительно снабдить термоизоляцией.The pipeline connecting the steam generator with the plasma torch is preferably provided with thermal insulation.

Центральный проводник коаксиального волновода может быть выполнен в виде медной трубки, содержащей сопло для формирования направленной струи плазмообразующего газа.The central conductor of the coaxial waveguide can be made in the form of a copper tube containing a nozzle for forming a directed jet of plasma-forming gas.

Оптимально коаксиальный волновод герметично изолировать от прямоугольного волновода радиопрозрачной кварцевой трубкой-изолятором.Optimally, the coaxial waveguide is hermetically sealed from the rectangular waveguide with a radio-transparent quartz tube-insulator.

Конденсатор может иметь кожухо-трубную конструкцию, снабженную в верхней части вентилем для выхода инертного газа в атмосферу.The condenser can have a shell-and-tube design, equipped in the upper part with a valve to release the inert gas into the atmosphere.

Герметичная камера содержит регулируемый сливной клапан. The sealed chamber contains an adjustable drain valve.

Устройство может дополнительно содержать циркулятор с поглощающей нагрузкой. The device may further comprise a load-absorbing circulator.

Предпочтительно ввести в устройство систему автоматического управления, выполненную с возможностью регулирования режимов скорости подачи пара, уровня СВЧ мощности разряда и скорости отбора обработанной воды для обеспечения постоянного уровня воды в реакторе.It is preferable to introduce into the device an automatic control system made with the possibility of regulating the modes of the steam supply rate, the level of the microwave discharge power and the rate of withdrawal of the treated water to ensure a constant water level in the reactor.

Герметичная камера может быть снабжена датчиком уровня воды.The sealed chamber can be equipped with a water level sensor.

Оптимально выполнить герметичную камеру с оптически прозрачными окнами для мониторинга характеристик плазменного факела по оптическим эмиссионным и абсорбционным спектрам, фиксируемым с помощью спектрометров. It is optimal to design a sealed chamber with optically transparent windows for monitoring the characteristics of a plasma torch using optical emission and absorption spectra recorded with spectrometers.

Герметичная камера и конденсатор содержат контуры водяного охлаждения.The sealed chamber and condenser contain water-cooled circuits.

Герметичная камера может дополнительно содержать емкость для обрабатываемой воды.The sealed chamber may further comprise a container for treated water.

Указанная совокупность отличительных существенных признаков заявляемого способа и устройства обеспечивает надежную и стабильную работу СВЧ плазмотрона за счет использования водяного пара, подаваемого в плазмотрон вместо азота в связи со следующим. Использование с той же целью молекулярных газов химических элементов, из которых состоит вода: кислорода или водорода является небезопасным из-за проблем, порождаемых их химической активностью. Так, плазма аргона в кислородной среде может спровоцировать химическое горение сопла плазмотрона, переход факельного режима разряда в дуговой разряд с повреждением всех важных частей плазмотрона: сопла, изолирующей кварцевой трубки и коаксиального волновода, что приведет к полному выходу плазмотрона из строя. Поджиг разряда в атмосфере водорода взрывоопасен из-за возможного присутствия кислорода или остатков воздуха в камере реактора на старте. Вследствие этого наиболее предпочтительной возможностью решения задачи стабилизации горения факельного разряда является использование водяного пара, который является продуктом горения, но при атмосферном давлении в сочетании с плазмой аргона безопасен. В заявляемом изобретении в реакциях участвуют только вода, водяной пар и инертный газ, например, аргон. При этом введение парогенератора, позволяет дополнительно реализовать две функции, одна из которых - подготовка пара для стабилизации горения факела, а другая - непрерывное пополнение герметичной камеры водой для поддержания ее уровня за счет конденсации пара и возврата его из конденсатора в камеру. В прототипе процесс обработки воды не был поточным (непрерывным), в нем камера заполнялась заданным количеством воды, которое уменьшалось в процессе обработки из-за потери воды вместе с паром, уходящим вместе с аргоном.The specified set of distinctive essential features of the proposed method and device ensures reliable and stable operation of the microwave plasmatron due to the use of water vapor supplied to the plasmatron instead of nitrogen in connection with the following. The use for the same purpose of molecular gases of the chemical elements that make up water: oxygen or hydrogen is unsafe because of the problems caused by their chemical activity. Thus, argon plasma in an oxygen atmosphere can provoke chemical combustion of the plasmatron nozzle, the transition of the torch discharge mode to an arc discharge with damage to all important parts of the plasmatron: nozzle, insulating quartz tube and coaxial waveguide, which will lead to complete failure of the plasmatron. Ignition of a discharge in a hydrogen atmosphere is explosive due to the possible presence of oxygen or air residues in the reactor chamber at the start. As a result, the most preferable possibility of solving the problem of stabilizing the combustion of a torch discharge is the use of water vapor, which is a combustion product, but at atmospheric pressure in combination with argon plasma is safe. In the claimed invention, only water, steam and an inert gas, such as argon, are involved in the reactions. In this case, the introduction of a steam generator makes it possible to additionally implement two functions, one of which is the preparation of steam to stabilize the combustion of the torch, and the other is the continuous replenishment of the sealed chamber with water to maintain its level due to the condensation of steam and its return from the condenser to the chamber. In the prototype, the water treatment process was not continuous (continuous), in which the chamber was filled with a given amount of water, which decreased during the treatment due to the loss of water along with steam leaving with argon.

При этом в связи с реализацией практически непрерывного процесса производства перекиси водорода в заявляемом устройстве возникает дополнительный технический результат - повышение эффективности в связи с устранением потерь пара из реактора. В техническом решении по прототипу пар с отработанным аргоном удаляется через вентиляцию, а в заявляемом устройстве с помощью конденсатора, установленного над герметичной камерой, пар в виде конденсата возвращается в камеру, а отработанный аргон удаляется. At the same time, in connection with the implementation of an almost continuous process for the production of hydrogen peroxide in the claimed device, an additional technical result arises - an increase in efficiency due to the elimination of steam losses from the reactor. In the technical solution according to the prototype, steam with spent argon is removed through ventilation, and in the claimed device using a condenser installed above the sealed chamber, the steam in the form of condensate returns to the chamber, and the spent argon is removed.

Таким образом использование независимого источника пара, который создается не в самой камере, а вне ее, и пропускается через кварцевую трубку, выступающую в роли парового изолятора, защищающего плазмотрон от дугового пробоя между соплом и экраном коаксиального волновода, позволяет обеспечить надежную работу плазмотрона, за счет создания устойчивого режима горения факела.Thus, the use of an independent source of steam, which is created not in the chamber itself, but outside it, and is passed through a quartz tube acting as a vapor insulator protecting the plasmatron from arc breakdown between the nozzle and the screen of the coaxial waveguide, allows reliable operation of the plasmatron due to creation of a stable mode of torch combustion.

При этом исключается необходимость использования молекулярных газов, и в том числе наиболее безопасного в отношении пробоя - азота. Исключение азота устраняет присутствие окислов азота, растворенных в воде, концентрация которых может в разы превышать концентрацию пероксида водорода. В качестве главных компонентов взаимодействия при этом остаются аргон, вода и водяной пар из парогенератора. Вследствие этого обеспечивается непрерывное производство пероксида водорода высокой степени чистоты.This eliminates the need to use molecular gases, including the safest in terms of breakdown - nitrogen. The exclusion of nitrogen eliminates the presence of nitrogen oxides dissolved in water, the concentration of which can be several times higher than the concentration of hydrogen peroxide. In this case, argon, water and water vapor from the steam generator remain as the main components of the interaction. This ensures the continuous production of high purity hydrogen peroxide.

Водяной пар с трудом поддается ионизации, поскольку даже относительно небольшая его концентрация достаточна для того, чтобы факельный разряд не перешел в режим разрушительного дугового разряда. Water vapor is difficult to ionize, since even a relatively low concentration of it is sufficient to prevent the torch discharge from turning into a destructive arc discharge.

Использование вместо азота водяного пара для поддержания стабильного горения СВЧ факела позволяет добиться следующих преимуществ: надежной стабилизации горения СВЧ факела; исключения многообразных химических реакций в сочетании с различными химическими элементами (кроме водорода и кислорода); организации непрерывного цикла пополнения воды с поступлением пара и отбора активированной воды (раствора) без остановки процесса СВЧ обработки.The use of water vapor instead of nitrogen to maintain stable combustion of the microwave torch makes it possible to achieve the following advantages: reliable stabilization of the microwave torch combustion; exclusion of various chemical reactions in combination with various chemical elements ( except for hydrogen and oxygen); organization of a continuous cycle of water replenishment with the flow of steam and selection of activated water (solution) without stopping the microwave treatment process.

Заявляемый способ и устройство поясняются следующими чертежами.The inventive method and device are illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 схематично представлена конструкция заявляемого устройстваFIG. 1 schematically shows the design of the claimed device

На фиг. 2 изображен вид сверху конструкции заявляемого устройства FIG. 2 shows a top view of the structure of the claimed device

Устройство для осуществления бесконтактной плазменной активации воды или водных растворов содержит СВЧ-плазмотрон 1, включающий магнетронный генератор 2, прямоугольный 3 и коаксиальный 4 волноводы. Внутренний объем коаксиального волновода 4 герметично изолирован от объема прямоугольного волновода 3 кварцевой трубкой-изолятором 5, установленной на витоновых уплотнительных кольцах 6. Центральный проводник 7 коаксиального волновода 4 представляет собой медную трубку для подачи плазмообразующего инертного газа, например, аргона или гелия, поступающего из баллона 8 со сжатым газом через редуктор 9. Центральный проводник 7 заканчивается соплом 10 с отверстием, диаметром, например, 1,5 мм для формирования направленной струи инертного газа, в которой в результате ионизации под действием СВЧ поля образуется струя плазмы 11. Рабочая часть СВЧ-плазмотрона 1 помещена через сальниковое уплотнение 12 из витона в герметичную камеру 13, выполненную из нержавеющей стали с двойными стенками 14, образующими контур водяного охлаждения камеры, наполненной обрабатываемой водой или водным раствором. Герметичная камера может быть снабжена дополнительной емкостью (на чертеже не показана), в которой можно разместить обрабатываемую воду. Давление в камере 13 поддерживается выше атмосферного р≥1 атм, при этом аргон и часть водяного пара из герметичной камеры 13 выходят через выпускной патрубок 15, к которому сверху присоединен конденсатор 16, имеющий кожухо-трубную конструкцию, и контур водяного охлаждения 17. Пар, конденсируется в полых трубках конденсатора 16, конденсат стекает в камеру 13, а плазмообразующий газ через вентиль 18 (фиг.1) выходит в атмосферу, либо может использоваться в дальнейшей работе устройств.The device for non-contact plasma activation of water or aqueous solutions contains a microwave plasmatron 1, which includes a magnetron generator 2, rectangular 3 and coaxial 4 waveguides . The inner volume of the coaxial waveguide 4 is hermetically sealed from the volume of the rectangular waveguide 3 by a quartz insulator tube 5 mounted on Viton O-rings 6. The central conductor 7 of the coaxial waveguide 4 is a copper tube for supplying a plasma-forming inert gas, for example, argon or helium, coming from a cylinder 8 with compressed gas through a reducer 9. The central conductor 7 ends with a nozzle 10 with a hole, for example, 1.5 mm in diameter for the formation of a directed jet of inert gas, in which a plasma jet is formed as a result of ionization under the action of the microwave field 11. The working part of the microwave the plasmatron 1 is placed through a gland seal 12 from Viton into a sealed chamber 13 made of stainless steel with double walls 14 forming a water cooling circuit of the chamber filled with treated water or an aqueous solution. The sealed chamber can be equipped with an additional container (not shown in the drawing), in which the treated water can be placed. The pressure in the chamber 13 is maintained above atmospheric p≥1 atm, while argon and part of the water vapor from the sealed chamber 13 exit through the outlet 15, to which a condenser 16 having a shell-and-tube structure and a water cooling circuit 17 are connected from above. Steam, condenses in the hollow tubes of the condenser 16, the condensate flows into the chamber 13, and the plasma-forming gas through the valve 18 (Fig. 1) is released into the atmosphere, or can be used in the further operation of the devices.

Для эффективной передачи СВЧ мощности от магнетрона 2 в плазменный факел используется настройка согласования СВЧ плазмотрона поршнем 19 (Фиг. 2).For efficient transmission of microwave power from the magnetron 2 to the plasma torch, the adjustment of the microwave plasmatron matching by the piston 19 is used (Fig. 2).

Защита магнетрона 2 от отраженной волны при погаснувшем плазменном факеле из сопла 10 обеспечивается циркулятором 20 с поглощающей нагрузкой 21, который отводит энергию отраженной волны по волноводному ответвлению 22 к нагрузке 21, имеющей свой контур водяного охлаждения (на чертежах не показан). Герметичная камера 13 заполняется обрабатываемой водой (водным раствором) до заданного рабочего уровня, который поддерживается неизменным, например, с помощью системы автоматического управления (далее - САУ) в течение всего времени обработки воды плазменным факелом. САУ поддерживает оптимальные условия для обработки воды (или водного раствора) в области соприкосновения плазменного факела с поверхностью воды. САУ соединена с датчиком уровня жидкости 23, установленным в камере 13. Датчик уровня 23 может быть выполнен в различных вариантах исполнения. Например, представлять собой поплавок с герконом (гермоконтактом), с нормально замкнутым/разомкнутым контактом, срабатывающим вблизи магнита, закрепленного на стенке камеры 13. Для визуального наблюдения факела в камере 13 могут быть выполнены оптически прозрачные окна 24, через которые можно также вести мониторинг характеристик плазменного факела 11 по оптическим эмиссионным и абсорбционным спектрам, фиксируемым с помощью спектрометра 25.The protection of the magnetron 2 from the reflected wave when the plasma plume is extinguished from the nozzle 10 is provided by a circulator 20 with an absorbing load 21, which removes the energy of the reflected wave along the waveguide branch 22 to the load 21, which has its own water cooling circuit (not shown in the drawings). The sealed chamber 13 is filled with treated water (aqueous solution) to a predetermined operating level, which is maintained unchanged, for example, using an automatic control system (hereinafter - ACS) during the entire time of water treatment with a plasma torch. ACS maintains optimal conditions for the treatment of water (or aqueous solution) in the area of contact of the plasma torch with the water surface. SPG connected With liquid level sensor 23 installed in chamber 13. Level sensor 23 can be made in various versions. For example, it can be a float with a reed switch (hermetic contact), with a normally closed / open contact, which is triggered near a magnet fixed on the wall of the chamber 13. For visual observation of the flame in the chamber 13, optically transparent windows 24 can be made, through which the characteristics can also be monitored plasma torch 11 by optical emission and absorption spectra recorded with a spectrometer 25.

Для стабилизации работы СВЧ плазмотрона паром, его подают в плазмотрон от генератора пара 26 через трубопровод 28 и вентиль 27, создавая вокруг сопла и горящего плазменного факела 11 коаксиальный поток водяного пара. Для исключения конденсации пара в трубопроводе 28 и вентиле 27 предусмотрен слой теплоизоляции (на чертежах не показан), благодаря чему они нагреваются до равновесной температуры потоком самого пара. При стабилизации разряда паром, объем воды в камере 13 будет увеличиваться за счет воды из конденсированного пара, что может привести к чрезмерному затоплению плазменного факела 11 и прекращению стабильной работы плазмотрона. Поэтому необходимо непрерывно поддерживать баланс между поступлением воды с паром и отбором обработанной воды через регулируемый сливной кран 29. Этот баланс может поддерживаться САУ, алгоритм управления которой основан на поддержании постоянного уровня воды в камере 13, контролируемого с помощью датчика уровня 23. САУ связана с системой газоснабжения, представленной баллоном сжатого газа 8 и редуктором 9, генератором пара 26, системой подачи воды (на чертежах не показана), источником высоковольтного питания магнетрона (на чертежах не показан), с датчиком уровня 23 воды и регулируемым сливным краном 29 для отбора воды из герметичной камеры 13.To stabilize the operation of the microwave plasma torch with steam, it is fed to the plasma torch from the steam generator 26 through the pipeline 28 and the valve 27, creating a coaxial flow of water vapor around the nozzle and the burning plasma torch 11. To prevent condensation of steam in the pipeline 28 and valve 27, a layer of thermal insulation is provided (not shown in the drawings), due to which they are heated to an equilibrium temperature by the flow of the steam itself. When the steam discharge is stabilized, the volume of water in the chamber 13 will increase due to the water from the condensed steam, which can lead to excessive flooding of the plasma torch 11 and the termination of the stable operation of the plasma torch. Therefore, it is necessary to continuously maintain a balance between the flow of water with steam and the withdrawal of treated water through an adjustable drain cock 29. This balance can be maintained by the ACS, the control algorithm of which is based on maintaining a constant water level in the chamber 13, controlled by a level sensor 23. The ACS is connected to the system gas supply, represented by a compressed gas cylinder 8 and a reducer 9, a steam generator 26, a water supply system (not shown in the drawings), a high-voltage power supply for a magnetron (not shown in the drawings), with a water level sensor 23 and an adjustable drain cock 29 for taking water from sealed chamber 13.

При превышении уровня воды в камере 13 выше установленного, сигнал с датчика 23 поступает в САУ для управления скоростью отбора воды или ограничения подачи пара. При понижении уровня воды в камере, когда плазменный факел 11 выходит из контакта с водой, вследствие чего эффективность обработки воды резко снижается, датчик 23 подает сигнал в САУ, которая соответственно подает сигнал управления на снижение скорости отбора воды или усиления потока пара в соответствии с заданным алгоритмом. Функция управления отбором воды или регулирования подачи пара реализуется с помощью регулируемого клапана 27 и регулируемого сливного крана 29, управляемых САУ.When the water level in the chamber 13 exceeds the set one, the signal from the sensor 23 goes to the ACS to control the rate of water withdrawal or to limit the steam supply. With a decrease in the water level in the chamber, when the plasma torch 11 comes out of contact with water, as a result of which the efficiency of water treatment is sharply reduced, the sensor 23 sends a signal to the ACS, which accordingly gives a control signal to reduce the rate of water withdrawal or increase the steam flow in accordance with the preset algorithm. The function of water extraction control or steam supply control is realized by means of an adjustable valve 27 and an adjustable drain cock 29, controlled by the ACS.

Конденсатор 16, имеет кожухо-трубную конструкцию и представляет собой теплообменник, используемый для конденсации пара на внутренней поверхности тонких трубок из нержавеющей стали, объединенных в кассету, заключенную внутри трубы - кожуха. Наружная поверхность трубок конденсатора 16 охлаждается водой внутри кожуха, поступающей из контура водяного охлаждения 17. Общая поверхность трубок рассчитана на полную конденсацию пара, поступающего в холодильник даже при максимальных режимах парообразования. До вентиля 18 конденсатора 16 пар не доходит, превращаясь по пути к нему в конденсат, который стекает в камеру 13 через патрубок 15. В устройстве действуют два источника пара - парогенератор 26, стабилизирующий «горение» факела и пар, возникающий на поверхности активируемой воды при ее контакте с нагретой до 4000 К плазмы факела. Отношением интенсивности генерации пара обоими источниками можно управлять, изменяя мощность внешнего парогенератора и варьируя степень контакта плазмы факела с водой. При этом изменение уровня СВЧ мощности разряда, влечет за собой изменение скорости подачи пара для стабилизации разряда и скорости отбора воды, согласно заданному алгоритму, по которому работает САУ, управляющая работой узлов и блоков устройства.Condenser 16, has a shell-and-tube design and is a heat exchanger used to condense steam on the inner surface of thin stainless steel tubes, combined into a cassette enclosed inside a tube-shell. The outer surface of the tubes of the condenser 16 is cooled by water inside the casing coming from the water cooling circuit 17. The total surface of the tubes is designed for complete condensation of steam entering the refrigerator even at maximum vaporization modes. To valve 18 steam does not reach the condenser 16, turning on the way to it into condensate, which flows into the chamber 13 through the branch pipe 15. There are two sources of steam in the device - the steam generator 26, which stabilizes the "combustion" of the torch and the steam arising on the surface of the activated water when it comes into contact with torch plasma heated to 4000 K. The ratio of the intensity of steam generation by both sources can be controlled by changing the power of the external steam generator and by varying the degree of contact of the torch plasma with water. In this case, a change in the level of the microwave power of the discharge entails a change in the steam supply rate to stabilize the discharge and the rate of water withdrawal, according to a given algorithm, according to which the ACS operates, which controls the operation of the units and units of the device.

Мощность магнетрона факельного СВЧ плазмотрона может составлять 700-6000 Вт. В качестве источника плазмы в заявляемом способе бесконтактной плазменной активации воды или водных растворов используется факельный СВЧ плазмотрон 1 с емкостной связью, генерирующий в парогазовой среде при атмосферном давлении струю низкотемпературной плазмы, направленную сверху вниз. Плазменный столб факела образуется в струе вытекающего из сопла 10 инертного газа в результате его ионизации. СВЧ поле поверхностной электромагнитной волны, самоподдерживается границами плазменного столба. Поперечные размеры плазменного столба определяются газодинамическими характеристиками сопла. Длина проводящего столба плазмы определяется оптимальной длиной для несимметричной излучающей дипольной антенны, равной четверти длины СВЧ волны в пустоте.The power of the magnetron of the torch microwave plasmatron can be 700-6000 W. As a plasma source in the inventive method for non-contact plasma activation of water or aqueous solutions, a torch microwave plasmatron 1 with capacitive coupling is used, which generates a low-temperature plasma jet directed from top to bottom in a vapor-gas medium at atmospheric pressure. Plasma column of the torch is formed in the stream of inert gas flowing out of the nozzle 10 as a result of its ionization. The microwave field of a surface electromagnetic wave is self-supported by the boundaries of the plasma column. The transverse dimensions of the plasma column are determined by the gas-dynamic characteristics of the nozzle. The length of the conducting plasma column is determined by the optimal length for an asymmetric radiating dipole antenna, equal to a quarter of the microwave wavelength in a vacuum.

Высокая скорость истечения газа из узкого сопла 10 не дает факельному разряду 11, фронт которого движется в обратном направлении навстречу потоку, достигнуть сопла, при этом сопло не греется, что позволяет данный тип факельного разряда считать безэлектродным. При появлении границы жидкости на пути плазменного факела газо-плазменная струя выдавливает на поверхности жидкости ямку в виде «мениска» и растекается в стороны и вверх симметрично от центра мениска по его поверхности в соответствии с законами газодинамики.The high speed of gas outflow from the narrow nozzle 10 does not allow the flare discharge 11, the front of which moves in the opposite direction towards the flow, to reach the nozzle, while the nozzle does not heat up, which allows this type of flare discharge to be considered electrodeless. When a liquid boundary appears in the path of a plasma torch, the gas-plasma jet squeezes out a "meniscus" -like hole on the liquid surface and spreads outward and outward symmetrically from the meniscus center along its surface in accordance with the laws of gas dynamics.

В уровне техники известно использование СВЧ плазмотрона факельного типа при атмосферном давлении в оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) в качестве источника сжатой ярко светящейся чистой плазмы [5], используемой для обработки, возбуждения и анализа газообразных сред [6]. Благодаря малому объему факел зажигается и устойчиво горит в окружении молекулярных паров и газов при атмосферном давлении даже при относительно низкой СВЧ мощности ≤ 900 Вт, которая может быть получена от доступных на рынке магнетронов, например, бытовых СВЧ печей. Самосжатая форма плазменного факела имеет высокую удельную плотность поглощаемой СВЧ мощности ≤ 10⁴ Вт/см³, сравнимую с удельной плотностью в дуге постоянного тока.In the prior art, it is known to use a microwave torch-type plasmatron at atmospheric pressure in optical emission spectroscopy (OES) as a source of compressed brightly glowing pure plasma [5] used for processing, excitation and analysis of gaseous media [6]. Due to its small volume, the torch ignites and stably burns surrounded by molecular vapors and gases at atmospheric pressure even at relatively low microwave power ≤ 900 W, which can be obtained from commercially available magnetrons, for example, household microwave ovens. Self-contraction shape of the plasma flame has a high specific density of the microwave power absorbed ≤ April ¹⁰ W / cm ^3, comparable to the specific gravity of the DC arc.

При достаточно высокой скорости истечения струи аргона плазменный факел оторван от сопла, благодаря чему факельный СВЧ разряд относится к категории безэлектродных разрядов.At a sufficiently high flow rate of the argon jet, the plasma torch is torn off from the nozzle, due to which the microwave torch discharge belongs to the category of electrodeless discharges.

Заявляемое устройство, реализующее способ СВЧ - плазменной активации воды работает следующим образом. The claimed device that implements the method of microwave - plasma activation of water works as follows.

Магнетронный генератор 2, служащий источником энергии факельного СВЧ плазмотрона 1, функционирует в режиме непрерывной генерации. При этом в прямоугольном волноводе 3 возбуждается волна низшего типа ТЕ₁₀, которая затем преобразуется в волну ТЕМ коаксиального волновода 4. В медную трубку 7, являющуюся центральным проводником коаксиального волновода 4 и заканчивающуюся узким соплом 10, подают плазмообразующий газ (аргон) из баллона сжатого газа 8, струя которого вытекает из сопла 10 с относительно высокой скоростью (расход аргона составляет 3-5 литров в минуту стандартной атмосферы), и в результате ионизации под действием СВЧ поля превращается в плазменный факел 11.The magnetron generator 2, which serves as the energy source for the microwave torch plasmatron 1, operates in the continuous generation mode. In this case, a wave of the lowest type TE _{10 is} excited in the rectangular waveguide 3, which is then converted into a TEM wave of the coaxial waveguide 4. In the copper tube 7, which is the central conductor of the coaxial waveguide 4 and ending with a narrow nozzle 10, plasma-forming gas (argon) is supplied from a compressed gas cylinder 8, the jet of which flows out of the nozzle 10 at a relatively high speed (the argon flow rate is 3-5 liters per minute of the standard atmosphere), and as a result of ionization under the action of the microwave field it turns into a plasma torch 11.

Инертный газ, например аргон, поступающий через сопло 10 в герметичный объем камеры 13, вытекает из нее в атмосферу через выпускной патрубок 15, конденсатор 16 и вентиль 18. СВЧ мощность магнетрона 2 транслируется в плазменный факел 11 через коаксиальный волновод 4 благодаря емкостной связи между соплом 10 на конце центрального проводника 7 и плазмой факела 11. Плазма факела 11 оторвана от сопла 10 потоком вытекающей струи аргона, направленная скорость истечения которой на выходе из сопла оказывается больше скорости распространения фронта ионизации, движущегося в факеле навстречу соплу. Герметичная камера 13 заполняется водой до рабочего уровня, определяемого положением датчика 23 относительно плазменного факела 11, который может частично погружаться в жидкость. Время воздействия плазмы на обрабатываемую жидкость не ограничено. Для мониторинга характеристик плазменного разряда по оптическим эмиссионным спектрам в диапазоне длин волн 300-1000 нм используется спектрометр 25, например, типа AvaSpec-3648-USB2 (13) с разрешением 0,3 нм. Взаимодействие с водой низкотемпературной плазмы аргона с температурой, достигающей 4000 K, и содержащей высокую концентрацию метастабильно возбужденных атомов Ar* с энергией 11,5-11,7 эВ и временем жизни >1,3 секунды, способно активировать химические реакции в двойном поверхностном слое «вода-пар» с образованием смеси ионов и радикалов: Н-, Н•, ОН• с последующим их преобразованием в ПВ, как и в известном способе контактной плазменной активации воды или водных растворов, описанном выше.An inert gas, for example argon, entering through the nozzle 10 into the sealed volume of the chamber 13, flows out of it into the atmosphere through the outlet 15, the condenser 16 and the valve 18. The microwave power of the magnetron 2 is transmitted to the plasma torch 11 through the coaxial waveguide 4 due to the capacitive coupling between the nozzle 10 at the end of the central conductor 7 and plasma of the torch 11. Plasma of the torch 11 is torn off from the nozzle 10 by the flow of a flowing argon jet, the directional velocity of which at the exit from the nozzle is greater than the propagation velocity of the ionization front moving in the torch towards the nozzle. The sealed chamber 13 is filled with water to an operating level determined by the position of the sensor 23 relative to the plasma torch 11, which can be partially immersed in the liquid. The time of plasma exposure to the processed liquid is not limited. To monitor the characteristics of a plasma discharge by optical emission spectra in the wavelength range of 300-1000 nm, a spectrometer 25 is used, for example, of the AvaSpec-3648-USB2 type (13) with a resolution of 0.3 nm. Interaction with water of a low-temperature argon plasma with a temperature reaching 4000 K and containing a high concentration of metastable excited Ar * atoms with an energy of 11.5-11.7 eV and a lifetime of> 1.3 seconds is capable of activating chemical reactions in a double surface layer " water-steam "with the formation of a mixture of ions and radicals: H-, H •, OH •, followed by their transformation into PV, as in the known method of contact plasma activation of water or aqueous solutions described above.

Ниже приведены примеры реализации способа с помощью опытных образцов устройства по прототипу и заявляемого устройства.Below are examples of the implementation of the method using prototype devices according to the prototype and the claimed device.

Пример 1.Example 1.

Проводились испытания опытного образца устройства по прототипу со стабилизацией работы плазмотрона потоком азота. A prototype device was tested according to the prototype with the stabilization of the plasmatron operation by a nitrogen flow.

Использовали магнетрон от бытовой микроволновой печи типа ОМ 75 Р (31), (частота 2,45 ГГц, длина волны 12,24 см, мощность 900 Вт, прямоугольный волновод сечением 45×90 мм²). Давление в камере поддерживалось выше атмосферного р≥ 1 атм, при этом отработанный аргон выходил в вытяжную вентиляцию.We used a magnetron from a household microwave oven of the OM 75 P type (31) (frequency 2.45 GHz, wavelength 12.24 cm, power 900 W, rectangular waveguide with a cross section of 45 × 90 mm ² ). The pressure in the chamber was maintained above atmospheric p ≥ 1 atm, while the spent argon was released into the exhaust ventilation.

При мощности СВЧ генерации 0,9 кВт, расходе аргона- 4,0 л/мин, расходе азота -3 л/мин, проводилась обработка дистиллированной воды объемом 2,7 л, при расстоянии от сопла до поверхности воды 2,5 см в течение 3 часов. По данным йодной титриметрии был получен пероксид водорода с концентрацией 2×10^-3 М, согласно измерениям TDS-3, проводимость 240×10^-6 См/см и рН = 6,0 при температуре воды 20°С.With a microwave generation power of 0.9 kW, an argon flow rate of 4.0 l / min, and a nitrogen flow rate of -3 l / min, distilled water with a volume of 2.7 l was processed, at a distance from the nozzle to the water surface of 2.5 cm for 3 hours. According to iodine titrimetry data, hydrogen peroxide was obtained with a concentration of 2 × 10 ^-3 M, according to TDS-3 measurements, conductivity 240 × 10 ^-6 S / cm and pH = 6.0 at a water temperature of 20 ° C.

Пример 2.Example 2.

Проводились испытания опытного образца заявляемого устройства с использованием стабилизации работы плазмотрона дополнительным источником пара.A prototype of the proposed device was tested using the stabilization of the plasmatron operation with an additional source of steam.

В качестве генератора пара был использован бак емкостью 12 литров, наполненный водопроводной водой объемом 6 литров. Бак нагревался индукционной электроплитой с регулируемой мощностью от 0 до 1800 Вт. На патрубке для выхода пара устанавливался термометр. Фаза нагрева воды с 20° до 98° при мощности электроплиты 1800 Вт продолжалась около 30 минут, и была завершена на 40-й минуте выходом пара при 100°С. Для поддержания необходимого расхода пара мощность плиты нагрева переключалась на 1000 Вт, при которой объем воды, переходящей в пар, составлял 0,33 л/час (9 л/мин). Через 1 - 3 минуты при установлении режима стабильного парообразования, открывали кран, подающий пар в плазмотрон. Камера реактора предварительно наполнялась дистиллированной водой объемом 3,5 литра, расстояние от поверхности воды до сопла - 2,5 см. Термопара, установленная под потоком пара у сопла, для наблюдения роста температуры при подаче пара, через 5 минут, необходимых для разогрева плазмотрона, показывала 100°С. В этот момент плазмотрон был подготовлен к работе: включен накал магнетрона, в сопло подан аргон, расход которого составил -5,0 л/мин. Затем был включен источник высокого напряжения и возникал разряд при мощности СВЧ генерации 0,9 кВт. Испытания показали, что струя плазмы горела стабильно, благодаря стабилизации нисходящим потоком пара. Обработка дистиллированной воды плазмой проводилась в течение 3 часов. Для поддержания воды в камере на установленном уровне за время обработки периодически проводился отбор воды объемом по 60 мл. По данным йодной титриметрии концентрация пероксида водорода в объеме 3,5 л составила 3,1×10^-3 М (моль/литр). Проводимость по измерениям TDS-3 в остывшем растворе при температуре 20°С составила 7×10^-6 См/см, рН =7,9.A 12 liter tank filled with 6 liter tap water was used as a steam generator. The tank was heated by an induction electric stove with an adjustable power from 0 to 1800 W. A thermometer was installed on the steam outlet. The phase of heating water from 20 ° to 98 ° at an electric stove power of 1800 W lasted about 30 minutes, and was completed at the 40th minute by steam output at 100 ° C. To maintain the required steam consumption, the power of the heating plate was switched to 1000 W, at which the volume of water turning into steam was 0.33 l / h (9 l / min). After 1 - 3 minutes, when the regime of stable vaporization was established, the valve was opened, supplying steam to the plasmatron. The reactor chamber was pre-filled with distilled water with a volume of 3.5 liters, the distance from the water surface to the nozzle was 2.5 cm. showed 100 ° C. At this moment, the plasmatron was prepared for operation: the magnetron was turned on, argon was fed into the nozzle, the flow rate of which was -5.0 l / min. Then a high voltage source was switched on and a discharge occurred at a microwave generation power of 0.9 kW. Tests showed that the plasma jet burned steadily due to stabilization by the downward steam flow. Plasma treatment of distilled water was carried out for 3 hours. To maintain the water in the chamber at a set level, 60 ml of water was taken periodically during the treatment. According to iodine titrimetry, the concentration of hydrogen peroxide in a volume of 3.5 liters was 3.1 × 10 ^-3 M (mol / liter). According to TDS-3 measurements in a cooled solution at a temperature of 20 ° C, the conductivity was 7 × 10 ^-6 S / cm, pH = 7.9.

Было поведено сравнение данных, полученных при испытаниях согласно представленным примерам, которые показали, что концентрация пероксида водорода в сопоставимых условиях экспериментов в случае стабилизации плазмотрона паром оказалась выше.A comparison was made of the data obtained during tests according to the presented examples, which showed that the concentration of hydrogen peroxide under comparable experimental conditions in the case of stabilization of the plasmatron with steam was higher.

При этом проводимость обрабатываемого водного раствора при испытаниях опытного образца согласно заявляемому изобретению снизилась в 34 раза, что означает существенное снижение в растворе окислов азота NO_x, т.е. до 3% относительно содержания оксидов азота при стабилизации плазмотрона азотом.In this case, the conductivity of the treated aqueous solution during testing of the prototype according to the claimed invention decreased 34 times, which means a significant decrease in the solution of nitrogen oxides NO _x , i.e. up to 3% relative to the content of nitrogen oxides when the plasma torch is stabilized with nitrogen.

Заявляемые способ и устройство могут найти широкое применение в различных областях техники, т.к. получаемый в результате их реализации очищенный от примесей пероксид водорода сможет применяться в здравоохранении, медицине, пищевой промышленности, растениеводстве и т.д. При этом заявляемая группа изобретений обеспечивает следующие преимущества по сравнению с решениями, известными в уровне техники: надежную работу СВЧ плазмотрона, исключение многообразных химических реакций в сочетании с другими химическими элементами, кроме водорода и кислорода, высокую эффективность в связи с организацией непрерывного цикла поступления воды с паром и отбора активированной воды (раствора) из установки без остановки процесса СВЧ обработки, сбор попутного водорода, высвобождающегося из воды при получении раствора активированной воды с пероксидом водорода.The claimed method and device can be widely used in various fields of technology, because the hydrogen peroxide obtained as a result of their implementation, purified from impurities, can be used in healthcare, medicine, food industry, plant growing, etc. At the same time, the claimed group of inventions provides the following advantages over the solutions known in the prior art: reliable operation of the microwave plasmatron, exclusion of various chemical reactions in combination with other chemical elements, except for hydrogen and oxygen, high efficiency due to the organization of a continuous cycle of water supply from steam and the selection of activated water (solution) from the installation without stopping the microwave treatment process, the collection of associated hydrogen released from water when receiving a solution of activated water with hydrogen peroxide.

Ссылочные обозначения.Reference designations.

1. СВЧ -плазмотрон1.MW-plasmatron

2. Магнетронный генератор2. Magnetron generator

3. Прямоугольный волновод3. Rectangular waveguide

4. Коаксиальный волновод4. Coaxial waveguide

5. Кварцевая трубка-изолятор5. Quartz tube-insulator

6. Витоновые уплотнительные кольца6. Viton O-rings

7. Центральный проводник коаксиального волновода7. Center conductor of coaxial waveguide

8. Баллон сжатого газа8. Compressed gas cylinder

9. Редуктор 9. Gearbox

10. Сопло10. Nozzle

11. Факел11. Torch

12. Уплотнение из витона12. Viton seal

13. Герметичная камера13. Sealed chamber

14. Контур водяного охлаждения камеры14. The circuit of water cooling of the chamber

15. Патрубок15. Branch pipe

16. Конденсатор16. Capacitor

17. Контур водяного охлаждения конденсатора17. Condenser water cooling circuit

18. Вентиль18. Valve

19. Поршень19. Piston

20. Циркулятор20. Circulator

21. Поглощающая нагрузка21. Absorbing load

22. Волноводное ответвление22. Waveguide branch

23. Датчик уровня жидкости23. Liquid level sensor

24. Оптически прозрачное окно24. Optically transparent window

25. Спектрометр25. Spectrometer

26. Генератор пара26. Steam generator

27. Регулируемый клапан27. Adjustable valve

28. Трубопровод28. Pipeline

29. Регулируемый сливной клапан29. Adjustable drain valve

Список используемой научно-технической литературы.List of used scientific and technical literature.

1. Н.В. Бабурин, С.В. Белов и др. Гетерогенная рекомбинация в плазме водяных паров как механизм воздействия на биологические ткани// Доклады Академии наук, Физика 2009, том 426, № 4, c. 468-470/ МАИК Наука, Москва. 1. N.V. Baburin, S.V. Belov et al. Heterogeneous recombination in plasma of water vapor as a mechanism of action on biological tissues // Reports of the Academy of Sciences, Physics 2009, vol. 426, no. 4, p. 468-470 / MAIK Nauka, Moscow.

2. С.В. Белов, Ю.К. Данилейко и др. Особенности генерации низкотемпературной плазмы в высокочастотных плазменных электрохирургических аппаратах//М. Медицинская техника, №2, 2011, с. 26-32/МНТО приборостроителей и метрологов, Москва. 2. S.V. Belov, Yu.K. Danileiko et al. Features of low-temperature plasma generation in high-frequency plasma electrosurgical devices // M. Medical equipment, No. 2, 2011, p. 26-32 / MNTO instrument-makers and metrologists, Moscow.

3. Liu, J. et al. Direct synthesis of hydrogen peroxide from plasma-water interactions. // Scienific Reports. 2016, 6, 38454; doi: 10.1038/srep38454 / Nature Publishing Group, England, London. 3. Liu, J. et al. Direct synthesis of hydrogen peroxide from plasma-water interactions. // Scienific Reports. 2016, 6, 38454; doi: 10.1038 / srep38454 / Nature Publishing Group, England, London.

4. G Vilema-Enríquez, A Arroyo, M Grijalva, R I Amador-Zafra, J Camacho Molecular and Cellular Effects of Hydrogen Peroxide on Human Lung Cancer Cells: s // Potential Therapeutic Implications, Oxidative Medicine and Cellular Longevity, Special issue: Reactive Oxygen Species in Cancer Biology and Anticancer Therapy// V. 2016, Article ID 1908164, https://doi.org/10.1155/2016/1908164 /Hindawi, United Kingdom, London.4.G Vilema-Enríquez, A Arroyo, M Grijalva, RI Amador-Zafra, J Camacho Molecular and Cellular Effects of Hydrogen Peroxide on Human Lung Cancer Cells: s // Potential Therapeutic Implications, Oxidative Medicine and Cellular Longevity, Special issue: Reactive Oxygen Species in Cancer Biology and Anticancer Therapy // V. 2016, Article ID 1908164, https://doi.org/10.1155/2016/1908164 / Hindawi, United Kingdom, London.

5. Власов Д.В., Сергейчев К.Ф., Сычев И.А. Применение плазменной СВЧ-горелки в аналитической спектроскопии// Физика плазмы, 2002, т. 28, №5, с. 484-492/ МАИК Наука, Москва.5. Vlasov D.V., Sergeychev K.F., Sychev I.A. Application of a plasma microwave torch in analytical spectroscopy // Plasma Physics, 2002, vol. 28, no. 5, p. 484-492 / MAIK Nauka, Moscow.

6. Лукина Н.А., Сергейчев К.Ф. Излучение инверсно-заселенных уровней атомарного кислорода в плазме аргонового СВЧ-факела, стимулируемое образованием озона// Физика плазмы, 2008, т. 34, №6. с. 567-572 / МАИК Наука, Москва.6. Lukina N.A., Sergeychev K.F. Radiation of inversely populated levels of atomic oxygen in the plasma of an argon microwave torch, stimulated by the formation of ozone // Plasma Physics, 2008, vol. 34, no. 6. With. 567-572 / MAIK Nauka, Moscow.

Claims

1. A method of microwave plasma activation of water for the synthesis of hydrogen peroxide, based on continuous plasma generation by an electrodeless torch discharge, which is created by a microwave plasmatron that generates a directed jet of low-temperature plasma of an inert gas in the vapor-gas environment of a sealed chamber, affecting the water being treated and water vapor generated as a result of evaporation of the surface layer of water under the influence of a gas-plasma jet, characterized in that an additional flow of water vapor is created, which is fed into the microwave plasmatron coaxially directed to the flow of an inert gas plasma, vapor is condensed during the plasma activation of water, and the condensate is directed into a sealed chamber with treated water.

2. The method according to claim 1, characterized in that helium is used as the inert gas.

3. The method according to claim 1, characterized in that argon is used as the inert gas.

4. The method according to claim. 1, characterized in that a directed jet of low-temperature plasma is supplied to the surface of the aqueous solution or partially immersed in it.

5. The method according to claim 1, characterized in that the flow of water vapor is passed through the plasmatron through the coaxial channel of the plasmatron formed by a quartz or ceramic tube-insulator.

6. The method according to claim 1, characterized in that steam condensation is carried out in a condenser installed vertically above the sealed chamber.

7. The method according to claim 1, characterized in that the rate of supply of inert gas, steam, the level of the microwave power of the discharge and the rate of withdrawal of treated water with hydrogen peroxide are controlled.

8. A method according to claim 1, wherein the inert waste gas is removed through a condenser.

9. A device for microwave plasma activation of water for the synthesis of hydrogen peroxide by the method according to claim 1, containing a microwave plasmatron, including a magnetron, a rectangular waveguide and a coaxial waveguide containing a central conductor, and the working part of the microwave plasmatron is located in a sealed chamber, and a compressed balloon gas, connected to the central conductor, characterized in that a steam generator connected to the coaxial waveguide of the plasmatron and a steam condenser connected to the sealed chamber are introduced into it.

10. A device according to claim 9, characterized in that the central conductor of the coaxial waveguide is made in the form of a copper tube containing a nozzle for forming a directed jet of plasma-forming gas.

11. The device according to claim 9, characterized in that the coaxial waveguide is hermetically sealed from the rectangular waveguide by a quartz tube-insulator.

12. The device according to claim 9, characterized in that the condenser has a shell-and-tube design.

13. The device according to claim. 9, characterized in that the condenser contains a valve for the release of the inert gas into the atmosphere.

14. The device according to claim. 9, characterized in that the sealed chamber contains an adjustable drain valve.

15. The device according to claim 9, characterized in that it further comprises a circulator with an absorbing load.

16. The device according to claim 9, characterized in that it contains an automatic control system configured to regulate the modes of the steam supply rate, the microwave discharge power level and the rate of the treated water withdrawal to ensure a constant water level in the sealed chamber.

17. The device according to claim 9, characterized in that the sealed chamber contains a water level sensor.

18. The device according to claim. 9, characterized in that the sealed chamber contains optically transparent windows for monitoring the characteristics of the plasma torch by optical emission and absorption spectra recorded using spectrometers.

19. The device according to claim. 9, characterized in that the sealed chamber and the condenser contain water cooling circuits.