ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PLASMA PHÓNG ĐIỆN MÀN CHẮN DBD ỨNG DỤ
Trang 1ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
BÁO CÁO TÓM TẮT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PLASMA PHÓNG ĐIỆN MÀN CHẮN (DBD) ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI
Mã số: B2019-DN06-17
Chủ nhiệm đề tài: TS TRƯƠNG THỊ HOA
Đà Nẵng, 01/2021
DaihocDaNang
Trang 2DaihocDaNang
Trang 3DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
1 TS Trương Thị Hoa Chủ nhiệm Khoa Điện-Điện tử, Trường ĐH Sư
phạm Kỹ Thuật- Đại học Đà Nẵng
2 TS Nguyễn Xuân Bảo Thành viên Khoa Cơ khí, Trường ĐH Sư phạm
Kỹ Thuật- Đại học Đà Nẵng
3 ThS Trần Duy Chung Thành viên Khoa Điện-Điện tử, Trường ĐH Sư
phạm Kỹ Thuật- Đại học Đà Nẵng
2 ThS Nguyễn Văn Nam Thành viên Khoa Điện-Điện tử, Trường ĐH Sư
phạm Kỹ Thuật- Đại học Đà Nẵng
DaihocDaNang
Trang 4MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii
MỞ ĐẦU 1
1 Tính cấp thiết 1
2 Mục tiêu đề tài 1
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1
3.1 Đối tượng nghiên cứu 1
3.2 Phạm vi nghiên cứu 1
CHƯƠNG 1: PLASMA PHÓNG ĐIỆN MÀN CHẮN (DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE-DBD) 2
1.1 Tổng quan 2
1.2 Cấu hình của buồng phản ứng phóng điện màn chắn điện môi 2
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHÓNG ĐIỆN DBD ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3
2.1 Mô hình 3
2.2 Đánh giá hoạt động của mô hình phóng điện (DBD) trong môi trường khí 5
2.3 Đánh giá hoạt động của mô hình phóng điện (DBD) trong môi trường nước 6
KẾT LUẬN 7
DaihocDaNang
Trang 5DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ cấu hình điển hình của các buồng phóng điện DBD 2
Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý của mạch phóng điện DBD 4 Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm mạch thực tế 4 Hình 2 3 Dạng sóng của điện áp và dòng điện trường hợp phóng điện xảy ra trong môi trường khí: 6 Hình 2.4 Hình ảnh quá trình thí nghiệm mạch tạo Plasma DBD 6 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý đánh giá hoạt động của mô hình thí nghiệm phóng điện trong môi trường nước 6 Hình 2.6 Dạng sóng của điện áp và dòng điện trường hợp phóng điện xảy ra trong môi trường nước 7
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các điều kiện hoạt động điển hình phóng điện DBD trong không khí 3
DaihocDaNang
Trang 6DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DBD: Dielectric Barrier Discharge-Phóng điện màn chắn điện môi
SIDAC: Silicon Diot for Altetnating Current-Đi ốt xoay chiều Silicon
AOT: Advanced Oxidation Technologies: Công nghệ oxy hóa tiên tiến
COD: Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học
RF: Radio Frequency: Sóng vô tuyến
T: Temperature- Nhiệt độ
P: Pressure- Áp suất
ATM: Atmospheric – điều kiện khí quyển
SEE: Secondary electron emission- phát xạ điện tử thứ cấp
λD: Độ dài Debye
k- Hằng số Boltzmann
v (m/sec)- Vận tốc của hạt
E (eV): Động năng của hạt
v(V): Voltage-Điện áp
i: Current-Dòng điện
Q(C): Charges-điện tích
p(W): Công suất tức thời
Pavg: Công suất trung bình
DaihocDaNang
Trang 7Mẫu 21 Thông tin kết quả nghiên cứu đề tài khoa học và công nghệ cấp Đại học Đà Nẵng
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
-
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1 Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu hệ thống plasma phóng điện màn chắn (DBD) ứng dụng trong xử lý nước thải
- Mã số: B2019-DN06-17
- Chủ nhiệm đề tài: TS Trương Thị Hoa
- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật- Đại học Đà Nẵng
- Thời gian thực hiện: 8/2019-8/2021
2 Mục tiêu:
- Nghiên cứu đặc tính điện môi và điện học của plasma phóng điện màn chắn điện môi (DBD);
- Xây dựng mô hình hệ thống plasma màn chắn (Dielectric Barrier Discharge-DBD) ứng dụng trong
xử lý nước thải;
- Kết quả nghiên cứu sẽ công bố trên tạp quốc tế uy tin thuộc danh mục SCIE và 1 bài báo tham gia hội nghị uy tín
3 Tính mới và sáng tạo:
Đề tài trước hết tiếp cận tổng quan về những nghiên cứu trong và ngoài nước đối với plasma phóng điện DBD Đề tài tập trung phân tích đánh giá ưu nhược điểm của các nghiên cứu trước đó,
từ đó lựa chọn cách tiếp cận vấn đề, thiết kế mô hình và thực hiện thí nghiệm Trong nghiên cứu này các đặc tính điện học, hóa học của plasma phóng điện màn chắn DBD, các ưu nhược điểm của phương pháp ứng dụng plasma DBD trong xử lý nước thải đã được phân tích đánh giá cơ bản
4 Kết quả nghiên cứu:
Trong nghiên cứu này quá trình tạo các plasma DBD trong nước bằng cách dùng ống mao dẫn sục khí vào nước dưới cường độ điện trường lớn sẽ tạo ra quá trình phóng điện trong bong bóng ở trong nước Các đặc tính vật lý, hóa học của quá trình hình thành plasma trong nước sẽ được đánh giá nhằm ứng dụng một cách có hiệu quả các sản phẩm của phóng điện màn chắn vào xử lý nước thải
Những hạn chế của ứng dụng DBD vào xử lý nước thải là yêu cầu về cấu hình nguồn điện phức tạp và đắt tiền có thể làm cho việc lắp đặt DBD trở nên tốn kém và có tính chọn lọc Triển vọng tăng thị phần ứng dụng plasma DBD vẫn phải đối mặt với những thách thức của nhu cầu của các nguồn cung cấp điện nhỏ gọn và giá cả phải chăng Do đó, đề tài này cũng tập trung vào thiết kế, xây dựng và tối ưu hóa cấu hình của nguồn điện xung điện áp cao bằng cách sử dụng đi-ốt Silicon cho dòng điện xoay chiều (SIDAC) và đặc tính tự tắt của DBD Các kết quả và kết luận cơ bản đạt được trong quá trình nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí khoa học, được trình bày tại hội thảo chuyên ngành, và đính kèm trong Phụ lục
5 Sản phẩm:
- 01 bài báo tạp chí SCIE (Q2); Tên bài báo: “Mechanisms of low-frequency dielectric
barrier discharge (DBD) plasma driven by unipolar pulses and bipolar pulses”; AIP Advances 11,
025022 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0033846
- 01 bài báo đăng trên kỷ yếu hội nghị quốc tế thuộc danh mục Scopus; Tên bài báo:
“Low-Cost High Voltage Pulse Source Driven by Solar Panel for Green Plasma Generation Used in
DaihocDaNang
Trang 8
DaihocDaNang
Trang 9Mẫu 22 Thông tin kết quả nghiên cứu đề tài khoa học và công nghệ cấp Đại học Đà Nẵng bằng tiếng Anh
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1 General information:
- Project title: Study on Dielectric Barrier Discharge (DBD) plasma system used for water treatment
- Code number: B2019-DN06-17
- Coordinator: Dr Truong Thi Hoa
- Implementing institution: The University of Danang – University of Technology and Education
- Duration: from 8/2019 to 8/2021
2 Objective(s):
The study aims to:
- Investigate the dielectric and electrical properties of Dielectric Barrier Discharge (DBD) plasma in gas phase and in bubble in water;
- Propose an experimental model of DBD discharge system used for wastewater treatment;
- Publish fundamental results and conclusions achieved during this work on a scientific journal, and present at a conference
3 Creativeness and innovativeness:
The study firstly approaches an overview of domestic and foreign studies on DBD discharge plasma Advantages and disadvantages of DBD plasma used for polution treatment application are then theoretically evaluated The evaluation is then used for proposing an experimental model of DBD discharge system used for wastewater treatment The electrical and chemical properties of the DBD discharge plasma are also analyzed basically
4 Research results:
In this study, DBD plasmas in water were investigated as a sequence of a bubble formation and an electronic process within the bubbles The physical and chemical properties of plasma formation in water will be evaluated for effective application of discharge products in wastewater treatment
This work also focused on design, construction, and optimization of configuration of a high voltage pulse power source for dielectric barrier discharge (DBD) generation by using a device called Silicon Diodes for Alternating Current (SIDAC) and the self-terminated characteristic of DBD Fundamental results and conclusions achieved during this work have been published in scientific journal, presented at conferences and attached in Appendices
5 Products:
- 01 SCIE journal (Q2); Name: “Mechanisms of low-frequency dielectric barrier discharge
(DBD) plasma driven by unipolar pulses and bipolar pulses”, Hoa Thi Truong, Yoshihiko Uesugi,
and Xuan Bao Nguyen, AIP Advances 11, 025022 (2021)
https://doi.org/10.1063/5.003384611
- 01 Article presented at an international conference indexed in Scopus (Q4); Name:
“Low-Cost High Voltage Pulse Source Driven by Solar Panel for Green Plasma Generation Used in
Environmental Application”, Proceedings of the 2nd Annual International Conference on Material,
Machines and Methods for Sustainable Development (MMMS2020) Pages 612-617,
https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-69610-8
- 01 Experimental model;
- 01 Analysis report
6 Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results:
The results of this study are transfered for Power System Division – Faculty of Electrical and Electronic Engineering – University of Technology and Education– the University of Danang
DaihocDaNang
Trang 10MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết
Đảm bảo chất lượng nguồn nước là một trong những vấn đề môi trường được ưu tiên hàng đầu
ở hầu hết các quốc gia Vì thế các phương pháp xử lý nước không ngừng được nghiên cứu và phát triển Trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu ứng dụng plasma lạnh vào quá trình xử lý nước thải đang nhận được sự quan tâm rất lớn Trong quá trình hình thành plasma, các gốc tự do có tính oxy hóa mạnh như O3, H2O2 và •OH và tác nhân có tính khử trùng cao (tia UV) cũng được sinh ra Vì vậy, công nghệ plasma lạnh có tiềm năng ứng dụng cao trong xử lý nước thải nhờ khả năng khử mùi, tiêu diệt hoặc bất hoạt vi sinh vật gây hại cũng như oxy hóa các chất hữu cơ và vô cơ tồn tại trong nước, làm giảm mạnh nồng độ COD (Chemical Oxygen Demand) và độ màu của nước Việc ứng dụng plasma lạnh (phóng điện màn chắn (Dielectric Barrier Discharge-DBDs)) vào xử lý nước thải
có những ưu điểm so với các phương pháp khác như là không tồn dư hóa chất, không tạo ra chất thải phái sinh, không chọn lọc và thời gian xử lý ngắn
Trong nghiên cứu này quá trình tạo các plasma DBD trong nước bằng cách dùng ống mao dẫn sục khí vào nước dưới cường độ điện trường lớn sẽ tạo ra quá trình phóng điện trong bong bóng ở trong nước Các đặc tính vật lý, hóa học của quá trình hình thành plasma trong nước sẽ được đánh giá nhằm ứng dụng một cách có hiệu quả các sản phẩm của phóng điện màn chắn vào xử lý nước thải
2 Mục tiêu đề tài
- Nghiên cứu đặc tính điện môi và điện học của plasma phóng điện màn chắn điện môi (DBD);
- Xây dựng hệ thống plasma màn chắn (Dielectric Barrier Discharge-DBD) ứng dụng trong xử
lý nước thải;
- Kết quả nghiên cứu sẽ công bố trên tạp quốc tế uy tin thuộc danh mục SCIE và 1 bài báo tham gia hội nghị uy tín
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống plasma màn chắn (Dielectric Barrier Discharge-DBD) ứng dụng trong xử lý nước thải Plasma phóng điện màn chắn DBD trong nước được tạo ra bằng cách dùng ống mao dẫn sục khí vào nước dưới cường độ điện trường lớn sẽ tạo ra quá trình phóng điện trong bong bóng ở trong nước
3.2 Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết để đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp ứng dụng plasma lạnh trong xử lý nước thải hiện tại đồng thời đề xuất ý tưởng
- Thiết kế lắp đặt mô hình thì nghiệm hệ thống phóng điện DBD ứng dụng cho xử lý nước thải
- Thực hiện các thí nghiệm và đánh giá các kết quả thí nghiệm (dung dịch methylene xanh sẽ được sử dụng như một mẫu nước thải công nghiệp)
DaihocDaNang
Trang 11CHƯƠNG 1: PLASMA PHÓNG ĐIỆN MÀN CHẮN (DIELECTRIC BARRIER
DISCHARGE-DBD)
1.1 Tổng quan
Phóng điện màn chắn điện môi (Dielectric Barrier Discharge-DBD) được đặt tên cho hiện tượng phóng điện được tạo ra trong không gian khí giữa hai điện cực, trong đó ít nhất một điện cực được bao phủ bởi vật liệu điện môi Plasma phóng điện màn chắn đã được nghiên cứu trong hơn một thế kỷ kể từ các thí nghiệm tạo ra ozone đầu tiên được báo cáo bởi kỹ sư Werner von Siemens vào năm 1857 Plasma DBD là một loại plasma điển hình ở áp suất khí quyển, trong đó tồn tại các nguyên
tử khí trung hòa, nguyên tử khí ở trạng thái kích thích, gốc tự do và các electron năng lượng cao Khả năng hoạt động trong điều kiện nhiệt độ khí thấp và ở áp suất khí quyển là một lợi thế quan trọng cho các ứng dụng của plasma DBD plasma DBD đã được ứng dụng trong công nghiệp như tạo ozone,
xử lý bề mặt , tạo các nguồn sáng trong điều trị y tế trong xử lý môi trường như phân hủy khí độc và
xử lý nước, khử trùng, diệt khuẩn
1.2 Cấu hình của buồng phản ứng phóng điện màn chắn điện môi
Hình 1.1 Sơ đồ cấu hình điển hình của các buồng phóng điện DBD
Cấu hình điển hình của quá trính phóng điện DBD được thể hiện Hình 1.1 Trong tất cả các cấu hình của buồng phản ứng DBD, luôn có sự hiện diện của một hoặc nhiều lớp điện môi giữa các điện cực kim loại Lớp điện môi đóng một vai trò quan trọng trong việc hạn chế lượng điện tích di chuyển đến các điện cực, do đó ngăn cản sự phóng điện phát triển dẫn đến phóng điện hồ quang và giữ nhiệt độ plasma ở nhiệt độ phòng Khi xảy ra phóng điện, lớp điện môi tại cực âm và cực dương
sẽ đồng thời được tích điện bởi các ion dương và electron di chuyển tới, sự tích lũy điện tích trên lớp điện môi làm giảm điện trường trong không gian phóng điện, hệ quả là cản trở sự di chuyển điện tích
về phía điện cực, và làm cho DBD trở thành sự phóng điện tự chấm dứt Điện môi là một chất cách điện và không thể truyền dẫn dòng điện một chiều, do đó nguồn điện áp xoay chiều tần số cao hoặc nguồn xung lặp tần số cao cần được sử dụng để tạo ra phóng điện DBD.Trong các buồng phản ứng DBD lớp điện môi thường được làm bằng thủy tinh, thạch anh, gốm sứ hoặc PTFE (Teflon) với tổn thất điện môi thấp, độ bền điện môi lớn, ngoài ra buồng phản ứng DBD cần có tỷ lệ giữa diện tích
bề mặt và thể tích của buồng phản ứng lớn để thúc đẩy quá trình khuếch tán khí trong không gian phản ứng nhằm giữ cho nhiệt độ trong buồng phản ứng luôn ở nhiệt độ phòng Điều kiện hoạt động
DaihocDaNang
Trang 12điển hình của phóng điện DBD trong không khí được thể hiện trong Bảng 1.1, cho thấy DBD yêu cầu nguồn điện áp cao tần số cao lên tới khoảng điện áp lên tới 20 kV, tần số lên tới 10 kHz, có thể hoạt động trong điều kiện nhiệt độ khí quyển, độ dày của điện môi được sử dụng tốt nhất là từ khoảng 0.5 mm - 2 mm, nếu lớp điện môi quá mỏng sẽ không đủ độ bền cơ lý, tuy nhiên nếu quá dày thì điện
áp yêu cầu để duy trì quá trình phóng điện sẽ tăng cao Các điện môi phố biến sử dụng cho quá trình phóng điện là cá điện môi có độ bền cách điện tốt hằng số điện môi tương đối cao ví dụ như thủy tinh, sứ, mica, Teflon
Bảng 1.1 Các điều kiện hoạt động điển hình phóng điện DBD trong không khí
Tỷ lệ điện trường trên mật độ khí E/N ≅ 150 Td (p=1 bar, T=300 K)
Khoảng cách phóng điện g 0.2–5 mm
Điện môi Thủy tinh (borosilicate glass) ,
sứ Ceramic Al2O3, , …
Độ dày của vật liệu điện môi d 0.5–2 mm
Hằng số điện môi tương đối er 5–10 (glass), … , 7000
(ferroelectrics)
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHÓNG ĐIỆN DBD ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI 2.1 Mô hình
Trong các cấu hình buồng phóng điện DBD luôn có sự tồn tại của các lớp điện môi, dẫn tới buồng phóng điện này hoạt động như một tải điện dung Vì đặc tính của tải điện dung nên quá trình phóng điện DBD luôn yêu cầu nguồn điện xoay chiều điện áp cao hoặc nguồn xung tần số cao điện
áp cao Có nhiều loại nguồn điện khác nhau đã được sử dụng cho việc tạo ra phóng điện DBD dựa các ứng dụng khác nhau Trong ứng dụng plasma phóng điện DBD cho phát sáng, nguồn điện áp cao với tần số từ 20 kHz đến 500 kHz được dùng cho loại đèn plasma hoạt động ở áp suất thấp trong khi
đó nguồn xung điện áp cao với tần số cao được dung đèn plasma DBD hoạt động ở áp suất khí quyển [4] Khi DBD plasma được áp dụng cho lĩnh vực xử lý bề mặt, do yêu cầu khắt khe về độ đồng nhất của plasma, vì vậy nguồn điện được sử dụng ở đây cần được điều khiển tự động về tần số Trong các máy tạo ôzôn hiện đại và lĩnh vực xử lý ô nhiễm các dòng khí, plasma phóng điện DBD thường được tạo ra ở áp suất khí quyển bằng cách sử dụng nguồn điện có tích hợp các bộ chuyển đổi AC-DC, DC-AC kết nối với máy biến áp tăng áp Vì sử dụng bộ chuyển đổi nhiều cấp và máy biến áp kết hợp với sơ đồ điều khiển, nên các nguồn điện này rất phức tạp có giá thành chi phí lắp đặt, vận hành và bảo trì khá cao Hơn nữa hiện nay trước nguy cơ ngày càng cao của biến đổi khí hậu đất và sự cạn kiệt dự trữ của các nguồn năng lượng hóa thạch, thì nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng xanh đặc biệt là năng lượng mặt trời ngày càng phổ biến Với mục đích tạo ra các phóng điện DBD có giá thành ngày càng thấp và thân thiện hơn với môi trường, nhóm nghiên cứu đã thiết kế mô hình phóng điện DBD bằng cách sử dụng nguồn điện một chiều sơ cấp là đầu ra từ pin năng lượng mặt trời qua
bộ nhân điện áp để tăng điện áp một chiều lên tới hàng kV và sử dụng các đi ốt hai chiều SIDAC để tạo ra các xung điện áp cao sử dụng trực tiếp cho việc tạo ra các phóng điện DBD
DaihocDaNang