Electric discharges in water and organic solutions

Práce je zaměřena na studium elektrických výbojů v kapalinách s důrazem na vodné roztoky. Generací výboje ve vodných roztocích dochází k současnému působení UV záření, rázových vln, elektrického pole a především reaktivních částic. To je možné využít v mnoha aplikacích, jako je například sterilizace, rozklad odpadních organických látek, litotrypse či další medicínské aplikace. Experimentální část této práce se věnuje diafragmovému uspořádání reakčního systému, v němž je reaktor rozdělen na dva elektrodové prostory propojené pouze malým otvorem v dielektrické přepážce. Tato přepážka je v první části z keramického neporézního materiálu Macor® o tloušťce 1 mm, průměr otvoru je 0,6 mm, v druhé části je pak použita keramika ShapalTM-M o tloušťce i průměru otvoru 1 mm. Experimentální část je rozdělena do dvou hlavních oblastí. V obou částech byl jako základní elektrolyt použit NaCl, jímž byla upravena výchozí vodivost všech roztoků na hodnotu 400 S/cm. Stejnosměrné napájecí napětí je regulováno tak, aby výkon v systému byl 100 W. V první části je pak zkoumán vliv přídavku vybraných alkoholů (ethanol, isopropylalkohol a glycerol) na efektivitu výboje v jejich vodném roztoku. Pro účel těchto měření byl navržen a sestaven speciální skleněný reaktor. Efektivita výboje je měřena spektroskopickým stanovením koncentrace komplexu titanového činidla a peroxidu vodíku, generovaného během procesu výboje. Výsledky ukazují, že zavedení dodatečné OH skupiny do reakce pomocí alkoholu nemá pozitivní vliv na efektivitu výboje, přičemž při použití isopropylalkoholu dochází dokonce k významnému poklesu množství generovaného peroxidu vodíku. Obsahem druhé části je porovnání vlivu materiálu elektrod použitých pro přivedení napětí do systému na efektivitu výboje, opět určenou rychlostí tvorby peroxidu vodíku stanovenou stejnou metodou jako v části první. Jako elektrody byly zvoleny nerezavějící ocel, platina, hliník, měď a uhlík. Jednotlivé materiály vykazují různou rychlost tvorby peroxidu vodíku při jinak stejných parametrech. Jako nejperspektivnější se jeví uhlíkové elektrody, jež jsou tvořeny inertním materiálem, u kterého lze předpokládat, že nijak neiniciuje rozklad peroxidu vodíku. Nejméně výhodným materiálem je pak měď, při jejímž použití v jednom elektrodovém prostoru k tvorbě peroxidu vodíku vůbec nedochází.This work is focused on study of electrical discharges in liquids, especially in water solutions. Generation of the discharge in water solutions leads to simultaneous effect of UV radiation, shock waves, electrical field and most importantly, chemically reactive species. This can be utilized in many applications such as sterilization, degradation of organic waste products, lithotripsy or other medical applications. The experimental part is concentrated on a diaphragm arrangement of the reaction system. This means that the reactor is divided into two electrode reservoirs connected only through a small orifice in a dielectric barrier. This barrier is made of Macor® non-porous ceramics with thickness of 1 mm, with the diameter of the orifice 0.6 mm, in the first part of work. In the second part, ShapalTM-M ceramics of thickness 1.0 mm and orifice diameter 0.6 mm was used. The experimental part is divided into two sections. For both, NaCl is chosen as an electrolyte to set the initial conductivity of the tested solutions to the value of 400 S/cm. Supplied direct voltage is regulated to attain power of 100 W in the system. In the first part, effect of addition of chosen alcohols (ethanol, isopropylalcohol and glycerol) on the efficiency of the discharge in their water solutions is studied. For this purpose, a special glass reactor was designed and constructed. The efficiency of the discharge is measured by a spectroscopic determination of concentration of complex formed by a titanium reagent and hydrogen peroxide, which is generated during the discharge. The results show no positive effect of addition of extra OH group to the reaction through the alcohols. The use of isopropylalcohol causes even a significant decrease in the amount of hydrogen peroxide generated. The subject of the second part is a comparison of effect of different electrode materials on the discharge. The efficiency is measured by the same method as in the first part. Materials chosen were stainless steel, platinum, aluminium, copper and carbon. Each material shows different hydrogen peroxide production rate under the same parameters. The most perspective material seems to be carbon, as an inert material, that can be expected not to initiate any decomposition of hydrogen peroxide. The least favourable appears to be copper. When used, no production of hydrogen peroxide was observed in one of the electrode parts of the reactor.