Bài viết Plasma phóng điện màn chắn điện môi trong các bóng khí trong nước sử dụng nguồn xung điện áp cao một chiều đề cập tới mô hình tạo ra các phóng điện plasma màn chắn điện môi (Dielectric Barrier Discharge-DBD) ứng dụng trong xử lý nước có giá thành thấp và thân thiện với môi trường dưới sự kích thích của các xung điện áp một chiều.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 11.2, 2022 75 PLASMA PHĨNG ĐIỆN MÀN CHẮN ĐIỆN MƠI TRONG CÁC BĨNG KHÍ TRONG NƯỚC SỬ DỤNG NGUỒN XUNG ĐIỆN ÁP CAO MỘT CHIỀU DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE (DBD) PLASMA IN BUBBLE IN WATER DRIVEN BY DC HIGH VOLTAGE PULSES Trương Thị Hoa*, Nguyễn Xuân Bảo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng1 *Tác giả liên hệ: tthoa@ute.udn.vn (Nhận bài: 22/8/2022; Chấp nhận đăng: 28/10/2022) Tóm tắt - Bài báo đề cập tới mơ hình tạo phóng điện plasma chắn điện mơi (Dielectric Barrier Discharge-DBD) ứng dụng xử lý nước có giá thành thấp thân thiện với mơi trường kích thích xung điện áp chiều Các xung điện áp chiều tạo cách sử dụng nguồn điện cao áp chiều kết hợp với đi-ốt chuyển mạch Nguồn điện cao áp chiều thiết kế dựa mạch nhân điện áp, với nguồn điện sơ cấp điện áp chiều từ panel pin mặt trời, nguồn điện chiều thương mại Điốt chuyển mạch hai chiều có tên tiếng anh “Sillicon Diode for Alternating Current (SIDAC)” đi-ốt cơng suất chuyển mạch có giá thành thấp Mơ hình phóng điện mở rộng phạm vi ứng dụng plasma DBD cho mục đích mơi trường vận hành linh hoạt mà khơng cần kết nối với lưới điện Abstract - This study proposes a model of generating DBD plasma applied in water treatment under the excitation of DC voltage pulses The DC voltage pulses are generated by using a DC high-voltage power supply and Silicon Diode for Alternating Current (SIDAC) The DC high-voltage power supply is designed based on the voltage multiplier circuit powered by a primary power source as a DC voltage from the solar panel panels, a commercial DC power source The Silicon Diode for Alternating Current (SIDAC) is a bidirectional diode which is cheap and designed to be connected directly to power transmission lines The discharge model expands the range of applications of the DBD plasma for water treatment since it can be operated flexibly without connecting to the grid Từ khóa - Phóng điện chắn điện mơi; Xử lý nước; Nguồn xung điện áp cao Key words - Dielectric Barrier Discharge; Water treatment; DC high voltage pulses Đặt vấn đề xung điện áp chiều Các xung điện áp chiều tạo cách sử dụng nguồn điện cao áp chiều kết hợp với đi-ốt chuyển mạch hai chiều Nguồn điện cao áp chiều thiết kế dựa mạch nhân điện áp, với nguồn điện sơ cấp điện áp chiều từ panel pin mặt trời, nguồn điện chiều thương mại Đi-ốt chuyển mạch hai chiều có tên tiếng anh “Sillicon Diode for Alternating Current (SIDAC)” đi-ốt công suất chuyển mạch hai chiều có giá thành rẻ [4] Ở nghiên cứu trước, nguồn xung cao áp chiều phát triển để tạo phóng điện DBD mơi trường khí Ở nghiên cứu mơ hình phóng điện DBD phát triển nhằm tạo phóng điện DBD mơi trường nước kích hoạt nguồn xung điện áp cao chiều phát triển nghiên cứu trước Việc tạo plasma DBD nước nguồn xung chiều điện áp cao trường hợp đặc biệt có ý nghĩa ứng dụng hệ thống phóng điện DBD xử lý nước hoạt động nguồn điện chiều sơ cấp điện áp trực tiếp từ panel pin mặt trời, nhờ mơ hình phóng điện DBD ứng dụng xử lý nước hoạt động khu vực mà khơng có kết nối với lưới điện Phóng điện chắn điện mơi (Dielectric Barrier Discharge-DBD) tượng phóng điện tạo khơng gian khí hai điện cực, điện cực bao phủ vật liệu điện môi Trong tất cấu hình buồng phản ứng DBD, ln có diện nhiều lớp điện môi điện cực kim loại [1-3] Lớp điện mơi đóng vai trò quan trọng việc hạn chế lượng điện tích di chuyển đến điện cực, ngăn cản phóng điện phát triển đến phóng điện hồ quang giữ nhiệt độ plasma mức nhiệt độ phịng Điện mơi chất cách điện khơng thể truyền dẫn dịng điện chiều, nguồn điện áp xoay chiều tần số cao nguồn xung lặp tần số cao cần sử dụng để tạo phóng điện DBD [4] Trong ứng dụng xử lý môi trường, đặc biệt ứng dụng xử lý nước, plasma phóng điện DBD thường tạo áp suất khí cách sử dụng nguồn điện có tích hợp chuyển đổi AC-DC, DC-AC kết nối với máy biến áp tăng áp Vì sử dụng chuyển đổi nhiều cấp máy biến áp kết hợp với sơ đồ điều khiển, nên nguồn điện phức tạp có giá thành chi phí lắp đặt, vận hành bảo trì cao Với mục đích tạo phóng điện DBD ứng dụng xử lý nước có giá thành ngày thấp thân thiện với môi trường, báo đề cập tới mơ hình tạo plasma phóng điện DBD bóng khí nước kích thích Mơ hình plasma phóng điện DBD nước Sơ đồ thí nghiệm phóng điện DBD mơi trường nước thể Hình Mơ hình sử dụng nguồn điện chiều sơ cấp cấp nguồn cho phận tạo The University of Danang - University of Technology and Education (Truong Thi Hoa, Nguyen Xuan Bao) Trương Thị Hoa, Nguyễn Xuân Bảo 76 xung chuỗi kết nối nối tiếp 12 đi-ốt chuyển mạch hai chiều (Sillicon Diode for Alternating Current -SIDAC) Đi-ốt SIDAC đi-ốt chuyển mạch hai chiều điện áp cao Đặc tính làm việc thơng số SIDAC thể Bảng Hình [4] Khi điện áp đặt vào SIDAC (vSIDAC) đạt tới vượt điện áp đánh thủng (VBO) SIDAC, SIDAC chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn Trạng thái dẫn đi-ốt SIDAC tiếp tục trì dịng điện qua đi-ốt giảm xuống giá trị dòng điện trì (IH) Trong mơ hình 12 đi-ốt SIDAC kết nối nối tiếp với tạo điện áp chuyển mạch lên tới khoảng 4000 V với thời gian chuyển mạch điển hình thực nghiệm khoảng 200 nsec [4] Từ Hình cho thấy, chuỗi kết nối đi-ốt SIDAC nối nối tiếp vào nguồn chiều điện áp cao buồng phản ứng Đặc tính chuyển mạch kết nối SIDAC cung cấp xung điện áp cao cho trình phóng điện với lưu đồ vận hành mơ tả Hình Các xung điện áp cao tạo với tốc độ tăng xung lên tới hàng chục (kV/μsec) khơng gian khí cho phóng điện hoạt động mơi trường nước với ngưỡng điện trường phóng điện tương tự điện trường phóng điện mơi trường khí Trên thành ống thủy tinh có số lỗ nhỏ có đường kính 0,5 mm Khí Heli thổi vào ống thủy tinh từ bên ngồi Khí Heli cung cấp vào khơng gian phóng điện với lưu lượng L/phút Khi dịng khí Heli thổi vào nước qua lỗ thành ống thủy tinh, bong bóng khí hình thành Điện cực nối đất dây dẫn có bọc cách điện PTFE (Teflon) đặt đáy bể nước Trong cấu hình này, khơng gian phóng điện khơng gian khí ống thủy tinh điện cực bên bong bóng bao quanh nước Hình Lưu đồ vận hành tạo xung điện áp cao Hình Sơ đồ mơ hình thí nghiệm phóng điện mơi trường nước Bảng Đặc tính điện học SIDAC (K1V38 (W)) Điện áp chuyển mạch (VBO) 360 ~ 400 V Dòng điện chuyển mạch (IBO) 0,5 mA Dịng điện trì (IH) 50 mA Điện áp khóa lớn (VDRM) 270 V Dịng điện khóa lớn (IDRM) 10 µA Điện trở chuyển mạch (RS) 100 Ω Hình Đặc tính Volt-Ampere SIDAC Buồng phóng điện hình trụ gồm điện cực đồng phủ lớp cách điện PTFE (Teflon), điện cực đặt đồng tâm bên ống thủy tinh Ống thủy tinh lớn bên ngồi sử dụng với mục đích tạo Như đề cập, phóng điện DBD, lớp điện mơi đóng vai trị quan trọng việc ngăn cản phóng điện phát triển đến phóng điện hồ quang giữ nhiệt độ plasma mức nhiệt độ phịng Tuy nhiên, điện mơi chất cách điện khơng thể truyền dẫn dịng điện chiều, thơng thường, nguồn điện áp xoay chiều tần số cao cần sử dụng để tạo phóng điện DBD Đối với mơ hình phóng điện đề cập đây, buồng phản ứng cấp nguồn từ xung điện áp chiều nên điện trở xả 40 MΩ mắc song song với buồng phóng điện Sau chu kỳ phóng điện, điện tích tích lũy lớp điện mơi giải phóng từ buồng phóng điện qua điện trở xả 40 MΩ xuống lớp nối đất nhằm chuẩn bị cho chu kỳ làm việc tiếp theo Một điện trở Shunt có giá trị 10 Ω với điện kháng nhỏ sử dụng cho việc đo dòng điện qua mạch, điện trở nối nối tiếp phía hạ áp buồng phản ứng DBD Que đo áp hoạt động dựa nguyên lý mạch chia áp có (điện trở 500 MΩ, tần số 60 Hz, dải đo tới 40 kV DC), sử dụng để đo điện áp đặt lên buồng phản ứng Điện áp đặt lên buồng phản ứng dòng điện phóng điện thu thập máy sóng Tektronix TBS 1102BEDU - 100 MHz Kết nghiên cứu bàn luận Mơ hình thí nghiệm hoạt động việc tạo plasma bóng khí nước khơng gian khí buồng phản ứng hình trụ với màu hồng đặc trưng plasma khí Heli mơ tả Hình Đặc tính điện học q trình phóng điện DBD bóng khí nước mơ tả Hình 5, Hình biểu diễn dạng sóng tổng quan đo điện áp dịng điện cho thấy phóng điện tạo liên tiếp có xung điện áp tạo Trong đó, Hình biểu diễn dạng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 11.2, 2022 77 dạng sóng phóng to xung điện áp dòng điện thời điểm có phóng điện xảy Từ kết thí nghiệm cho thấy phóng điện xảy sườn lên xung điện áp ghi nhận tăng đột ngột xung dịng điện mơ tả Hình Hình Hình ảnh phóng điện xảy mơi trường nước Hình Dạng sóng tổng quan điện áp dòng điện DBD bóng khí nước Hình Sơ đồ mơ tả q trình hóa học xảy nước có phóng điện Cơ chế hoạt động buồng phản ứng mơ tả Hình Khi có phóng điện xảy điện tích tự khơng gian phóng điện tác dụng lực điện trường (EG) di chuyển điện cực tích lũy lên lớp điện mơi cực Sự tích lũy điện tích lớp điện môi tạo hiệu ứng điện trường không gian, điện trường phái sinh (EDBD) tích lũy điện tích lớp điện mơi tạo có hướng ngược với hướng điện trường nguồn điện cung cấp dẫn tới làm suy giảm giá trị điện trường tổng khơng gian phóng điện (Hình 7) Kết là, tích lũy lớp điện tích nhiều điện trường tổng khe hở khơng khí suy giảm đạt giá trị thấp ngưỡng điện trường để trì phóng điện phóng điện tự tắt Sau lần phóng điện, buồng phóng điện hoạt động tụ điện tích điện Khác với điều kiện phóng điện vận hành nguồn điện xoay chiều đảo chiều điện áp nguồn kích hoạt phóng điện nửa chu kỳ sau điện áp đầu vào, trường hợp phóng điện vận hành nguồn điện chiều, để trì phóng điện DBD, buồng phản ứng cần xả lượng điện tích lớp điện mơi phóng điện trước tích lũy, vậy, điện trở xả có giá trị tương đương 40 MΩ mắc song song với buồng phóng điện Sau chu kỳ phóng điện, điện tích tích lũy xả từ buồng phóng điện xuống điện cực nối đất nhằm chuẩn bị cho chu kỳ làm việc tiếp theo Hình Sơ đồ mạch điện tương đương buồng phóng điện DBD mơi trường nước Hình Dạng sóng xung điện áp xung dịng điện có phóng điện DBD Các kết thí nghiệm mơ tả Hình cho thấy, giá trị dịng phóng điện đạt đỉnh có phóng điện xảy ra, sau đạt đến giá trị cực đại, dịng điện phóng điện (iDBD) giảm dần tiến giá trị nhỏ giá trị dịng trì (IH= 50 mA) đi-ốt SIDAC Khi cường độ 78 dòng điện (iDBD) giảm tới giá trị nhỏ dịng điện trì đi-ốt SIDAC (IH = 50 mA), SIDAC trở lại trạng thái khơng dẫn điện (trạng thái khóa), chu kỳ phóng điện hồn thành, buồng phản ứng kích hoạt lại vào thời gian chuyển đổi SIDAC Sơ đồ mạch điện tương đương hệ thống plasma phóng điện DBD mơi trường nước mơ tả Hình Trong sơ đồ buồng phản ứng mô tả điện dung lớp điện môi thủy tinh buồng phản ứng (Cd), nối tiếp với điện dung khe hở không khí buồng phản ứng (Cg), plasma đặc trưng điện trở phi tuyến (RD) có giá trị thay đổi theo đặc tính điện học plasma, ngồi ra, phóng điện DBD mơi trường nước cịn xuất thành phần điện trở điện dung đặc trưng cho ảnh hưởng môi trường nước tới trình phóng điện Cw Rw Dịng điện mạch (iDBD) xếp chồng dòng điện điện dung qua tụ điện dịng điện phóng điện qua điện trở thay tương đương mô tả Hình Kết luận Trong báo này, mơ hình thí nghiệm phóng điện Trương Thị Hoa, Nguyễn Xn Bảo DBD bóng khí nước phát triển nhằm ứng dụng lĩnh vực xử lý nước Plasma phóng điện DBD tạo việc sử dụng nguồn xung chiều điện áp cao có giá thành thấp thân thiện với môi trường Việc tạo plasma DBD nước nguồn xung chiều điện áp cao trường hợp đặc biệt có ý nghĩa ứng dụng hệ thống phóng điện DBD xử lý nước hoạt động nguồn điện chiều sơ cấp điện áp trực tiếp từ panel pin mặt trời, nhờ mơ hình phóng điện DBD ứng dụng xử lý nước hoạt động khu vực mà khơng có kết nối với lưới điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Roth, J R Industrial Plasma Engineering Philadelphia: CIP, 1995 [2] Roth, J R Industrial Plasma Engineering: Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing Boca Raton: CRC Press, 2001 [3] Kogelschatz, U "Dielectric-barrier Discharges: Their History, Discharge Physics, and Industrial Applications", Plasma Chemistry and Plasma Processing, (2004): 1-46 23 [4] H T Truong, M Hayashi, Y Uesugi, Y Tanaka, and T Ishijima "Novel design of high voltage pulse source for efficient dielectric barrier discharge generation by using silicon diodes for alternating current", Rev Sci Instrum (2017): 065105 88 ... tích điện Khác với điều kiện phóng điện vận hành nguồn điện xoay chiều đảo chiều điện áp nguồn kích hoạt phóng điện nửa chu kỳ sau điện áp đầu vào, trường hợp phóng điện vận hành nguồn điện chiều, ... thí nghiệm phóng điện Trương Thị Hoa, Nguyễn Xn Bảo DBD bóng khí nước phát triển nhằm ứng dụng lĩnh vực xử lý nước Plasma phóng điện DBD tạo việc sử dụng nguồn xung chiều điện áp cao có giá thành... trường Việc tạo plasma DBD nước nguồn xung chiều điện áp cao trường hợp đặc biệt có ý nghĩa ứng dụng hệ thống phóng điện DBD xử lý nước hoạt động nguồn điện chiều sơ cấp điện áp trực tiếp từ