Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7336
Investigation of a Physical Disinfection Process Based on Pulsed Underwater Corona Discharges
Suryakant
Balkrishan Gupta
Abstract
To overcome the side effects of commonly used water disinfection methods based
on chemicals, advanced oxidation processes (AOP’s) are presently
considered as an alternative. These processes are based on the effect of highly
reactive oxidants (like ozone, OH radicals, H2O2, et.) on
microorganisms and toxic organic compounds. In this work the effects and
products from pulsed underwater corona discharges have been investigated for
their potential to remove contaminants from the water. Pulsed underwater corona
discharges create oxidative and reductive species, UV radiation, shock waves
and strong electric field at the tip of propagating streamers. It has been
supposed that the combined appearance of these effects leads to an effective
destruction of contaminants in the water.
It was the aim of this work to quantify the production rates of oxidants and the intensity of other effects from underwater corona discharges, to demonstrate their effectiveness for the inactivation of microorganisms and to propose a suitable corona reactor that is scalable to large throughputs.
For that purpose a coaxial corona reactor was designed with a central anode covered by a thin (200-300 µm) porous ceramic layer. The conductive porous ceramic and the anode cathode water gap form a parallel resistive-capacitive voltage divider. For times greater than the dielectric relaxation time of the water (τ =εε0/σ) resistive voltage division dominates and the electric field at the ceramic layer can be more enhanced than in the case of capacitive voltage division. Applying a pulsed voltage of 30-50 kV for a duration of 200-400 ns to the anode a large number of streamers is launched homogeneously from the ceramic surface extending up to 10 mm into the anode cathode water gap. An L-C chain Blumlein configuration has been selected to generate the pulses. By changing the number and the values of the LC elements the impedance of the generator and its pulse width could easily be adapted to the requirements of the experiment. Different ceramic layers were tried, but the best results were obtained with almandine which has a very low pH value at its isoelectric point.
The number and the length of streamers increased linearly with the anode voltage. The reactor impedance was mainly determined by the water conductivity. Little influence from the appearance of streamers was observed.
A large number of chemical probes have been selected to measure the oxidant production quantitatively. OH and H radicals created in core of a streamer channel are the most important primary products. As the channel cools down they recombine or form secondary products like H2O2 and H2. H2O2 accumulates in the bulk water and becomes a source of additional OH radicals due to the interaction with UV radiation and the liberation of Fenton reagents from the anode. Therefore, H2O2 plays an important role in the disinfection process. Using DNTA as a chemical probe for OH radicals combined with an OH scavenger and measuring the H2O2 yield simultaneously the initial OH radical concentration at the position of the cold streamer was found to be 30 mM.
Different gases were percolated through the reactor to enhance the oxidant production. Saturating the water with N2O it was also possible to prove the existence of solvated electrons in the water after the formation of streamer discharges. In addition it was shown that that shock waves launched from propagating streamer channels also contribute to the production of OH radicals.
Exposing gram negative bacteria (Pseudomonas putida ) to the corona discharges it was demonstrated that they can be successfully used for water disinfection. With the experimental reactor set-up used in this thesis an inactivation by 6 logsteps was achieved for a specific energy deposition of 20 J/cm³. It is suggested that an optimised system exploiting the effects from percolating gases or Fenton's reagents can lower this value appreciably.
Untersuchungen
zu einem physikalischen Desinfektionsverfahren auf der Basis gepulster
Unterwasserkoronaentladungen
Zusammenfassung
Um die
unerwünschten Nebeneffekte herkömmlicher chemischer Verfahren zur Desinfektion
von Wasser zu vermeiden, werden gegenwärtig sogenannte fortgeschrittene
Oxidationsverfahren (advanced oxidation processes AOP's) als Alternative
entwickelt. Diese Verfahren basieren auf der Wirkung starker Oxidationsmittel
wie Ozon, OH-Radikale, Wasserstoffsuperoxid etc., auf Mikroorganismen und
toxische organische Verbindungen. In dieser Arbeit wurde das Potential der
Produkte und Effekte gepulster Unterwasserkoronaentladungen für die Beseitigung
von Kontaminanten in Wasser untersucht. Gepulste Unterwasserkoronaentladungen
erzeugen oxidierende und reduzierende Substanzen, UV-Strahlung, Stoßwellen und
starke elektrische Felder an der Spitze der propagierenden Streamer. Es wurde vermutet,
dass das kombinierte Auftreten dieser Effekte zu einer wirksamen Zerstörung der
Kontaminanten in Wasser führt.
Ziel dieser Arbeit war es, die Produktionsrate der Oxidantien und die Stärke der anderen Effekte zu quantifizieren, ihre Wirksamkeit für die Inaktivierung von Mikroorganismen zu demonstrieren und einen geeigneten, zu großen Durchsätzen skalierbaren Koronareaktor, vorzuschlagen.
Zu diesem Zweck wurde ein koaxialer Koronareaktor mit einer keramisch beschichteten Anode entworfen. Dabei hatte die poröse Keramikschicht eine Stärke von 200-300µm. Die leitfähige poröse Keramikschicht und der Wasserspalt zwischen Anode und Kathode bilden einen parallelen kapazitiven und resistiven Spannungsteiler. Für Zeiten, die größer als die dielektrische Relaxationszeit des Wassers (τ=εε0/σ) sind, dominiert die resistive Teilung und das elektrische Feld in der Keramikschicht ist stärker erhöht als im Falle einer rein kapazitiven Teilung. Mit einer Pulsspannung von 30-50kV und einer Pulsdauer von 200-400 ns kann eine große Anzahl von Streamern, homogen über der Anodenoberfläche verteilt und mit einer Ausdehnung von ca. 10 mm in den Anoden-Kathoden-Wasserspalt, hervorgerufen werden. Für die Erzeugung dieser Pulse wurde ein LC-Kettenleiter in einer Blumlein-Anordnung gewählt. Durch Änderung der Anzahl und der Werte der LC-Elemente konnten die Impedanz des Generators und die Pulsdauer einfach den Erfordernissen des Experiments angepasst werden. Es wurden verschiedene Keramikschichten untersucht, aber die besten Ergebnisse wurden mit Almandine erzielt, das einen sehr niedrigen pH-Werts an seinem isoelektrischen Punkt aufweist.
Die Anzahl und die Länge der Streamerkanäle wächst linear mit der Anodenspannung. Die Reaktor-Impedanz ist hauptsächlich durch die Leitfähigkeit des Wassers bestimmt, das Auftreten der Streamer besitzt einen nur geringen Einfluss.
Eine Vielzahl chemischer Sonden wurde eingesetzt, um die Produktion der Oxidantien quantitativ zu messen. OH und H Radikale, die im Inneren des Streamerkanals gebildet werden, sind die wichtigsten Primärprodukte. Wenn sich der Kanal abkühlt, rekombinieren sie oder bilden Sekundärprodukte wie H2O2 und H2. H2O2 reichert sich im Wasser an und wird dadurch zu einer zusätzlichen Quelle für OH-Radikale aufgrund der Wechselwirkung mit UV-Strahlung und der Freisetzung von Fenton-Reagenzien aus der Anode. Daher spielt H2O2 eine wichtige Rolle im Desinfektionsprozess. Durch Verwendung von DNTA als chemische Sonde für OH-Radikale in Kombination mit einem Fänger für OH-Radikale und durch gleichzeitige Messung der H2O2-Ausbeute konnte die anfängliche Konzentration der OH-Radikale an der Position des kalten Streamers zu 30 mM bestimmt werden.
Unterschiedliche Gase wurden durch den Reaktor geleitet, um die Ausbeute an Oxidantien zu erhöhen. Durch Sättigung des Wassers mit N2O war es auch möglich, die Existenz hydratisierter Elektronen im Wasser nach Streamerentladungen nachzuweisen. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die von propagierenden Streamerkanälen ausgesandten Stoßwellen ebenfalls zur Erzeugung von OH-Radikalen beitragen.
Der Wirkung von Koronaentladungen ausgesetzte gram-negative Bakterien (Pseudomonas putida) konnten effektiv abgetötet werden. Mit dem in dieser Dissertation verwendeten experimentellen Reaktoraufbau konnte eine Inaktivierung von 6 Logstufen bei einem spezifischen Energieeinsatz von 20 J/cm3 erreicht werden. Es ist anzunehmen, dass ein optimiertes System, das die Effekte durch strömende Mikrogasblasen oder Fenton-Reagenzien ausnutzt, diesen Wert noch erheblich reduzieren kann.