Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В течение первого года работы над проектом выявлен основной фактор, влияющий на воспроизводимость и повторяемость результатов измерений концентраций активных частиц в газовой фазе и в жидкости. Помимо того, что большое значение имеет температурный режим работы с образцами жидкости, градуировочными растворами и ионоселективными электродами, более существенное влияние на колебание результатов измерений оказывает слой окислов, который образуется на поверхности высоковольтного электрода и вносят вклад в изменение как электрических параметров разряда [И. В. Селивонин. Влияние деградации коронирующего электрода на характеристики поверхностного барьерного разряда : диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / Селивонин Игорь Витальевич, 2022. – 162 с], так и кинетики химических превращений в газе. Поэтому задачей первой важности является разработать высоковольтный электрод, поверхность которого будет защищена от окисления и эрозии в условиях разряда. В течение первого года работы решить её в полной мере не удалось. Мы протестировали нитридные покрытия разных металлов в качестве защитных для поверхности электрода. В зависимости от свойств нитридного покрытия оно либо подвергается эрозии (разрушению), либо образует оксидную плёнку, вступая во взаимодействие с активными формами кислорода. Несмотря на существенное различие электропроводящих свойств исследуемых покрытий, электрическая диагностика не выявила заметного влияния покрытия электрода на величину энерговыделения в разряде. Однако измеренные кинетические кривые образования озона и оксидов азота свидетельствуют о том, что наличие нитридного покрытия меняет концентрацию частиц в составе продуктов барьерного разряда: наименьшее их количество зарегистрировано при использовании электрода с покрытием из нитрида циркония, температуры окисления которого самые низкие из исследуемых материалов, а на его поверхности отмечено появление оксидной плёнки в виде двух симметричных полос вдоль стержня на протяжении области разряда. Налажена работа с импульсным питанием барьерного разряда. Полученные значения концентраций озона и оксидов азота в составе продуктов барьерного разряда значительно меньше, чем при синусоидальном напряжении питания. Возможно, это связано с тем, что выбранные режимы заметно отличаются друг от друга по мощности. Это предположение будет проверено в дальнейших экспериментах с опорой не на среднюю мощность, а на скорость энерговыделения в области разряда в сопоставлении со скоростями основных химических реакций, протекающих в реакторе. Исполнители проекта приняли участие в трёх международных конференциях с устными докладами.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В течение второго года продолжена работа по поиску оптимальной конфигурации высоковольтного электрода для достижения повторяемости и воспроизводимости результатов измерений концентраций биологически активных частиц в газовой фазе и в жидкости. Изготовлен и протестирован электрод из эвтектического сплава индий-галлий-олово, помещённого в кварцевый чехол, на поверхности которого не развиваются процессы окисления и эрозии. Выполненное исследование характеристик разряда с ним показало, что его использование снижает выделяемую мощность в четыре раза, что, в свою очередь, уменьшает концентрации долгоживущих частиц, генерируемых в газовой фазе, но увеличивает их энергетический выход по сравнению с разрядом с медным электродом. Для обоих электродов выявлен наиболее желаемый уровень сигнала напряжения питания, при котором достигается максимальная стабильность во времени производства активных частиц. Для исследования эффективности растворения продуктов барьерного разряда в жидкости, обрабатываемой путём её барботирования, собрана система из трёх ступеней абсорбирования продуктов разряда из газового потока, проходящего через три, установленные последовательно в газовый тракт, склянки для промывания газов, каждая из которых содержит 20 мл бидистиллированной воды. На выходе из каждой ступени барботирования измеряли количество озона и оксидов азота в потоке остаточного газа. Выполнены измерения количества озона и пероксида водорода в образцах воды, обработанной продуктами барьерного разряда с электродом из эвтектического сплава в сухом воздухе. Озон в бидистиллированной воде обнаружить напрямую не удалось, поскольку, растворяясь в воде, он расходуется на производство азотной и азотистой кислот, окисляя NO2- и NO3-. В то же время с помощью заявленных методик (методом прямой потенциометрии на ионселективных электрода и посредством измерения концентраций азотной и азотистой кислот с помощью метода кондуктометрического титрования) не удалось и зафиксировать нитрат и нитрит ионы. Это связано с тем, что концентрации озона и оксидов азота, генерируемых в разряде с новым электродом, а, следовательно, и концентрации азотноой и азотистой кислот в бидистиллированной воде снизились на несколько порядков. Минимальные концентрации кислот при обработке воды продуктами барьерного разряда в течение 5 минут составляют <10-5 моль/л, что ниже, чем линейный диапазон измерений для ионоселективных электродов на нитраты и нитриты. По этой причине измерение данных частиц в жидкой фазе с применением метода прямой потенциометрии на ионселективных электродов не представляется возможным. Полученные кинетические кривые концентрации пероксида водорода в образцах воды, обработанной продуктами разряда с медным электродом, проходят через максимум. Причиной может служить протекание последовательной реакции, в которой перекись водорода выступает промежуточным продуктом. С увеличением напряжения концентрация пероксида снижается, а расположение максимума уходит в сторону меньшего времени. Возможной причиной этого является нагрев обрабатываемой жидкости, который усиливает разложение перекиси. Выполнены спектроскопические измерения газовой температуры в области свечения разряда для генератора с медным электродом в сухом и влажном воздухе. Получено очень хорошее совпадение кривых разогрева газа в разряде и нагрева поверхности разрядной трубки, измеренного с помощью тепловизора. Это позволяет предположить возможность разработки подхода для оценки температуры газа в разряде по нагреву поверхности разрядной трубки. В программном модуле ZDPlaskin выполнено нульмерное моделирование кинетики плазмохимических реакций, протекающих в области разряда, для сухого воздуха (80 % N2 и 20 % O2). Рассмотрено два случая, в которых учитывались либо исключались из модели колебательно-возбужденные состояния азота N2(v≤8) и кислорода O2(v≤4). Расчёты выполнены с варьированием температуры газа от 300 до 700 К. Выявлено, что N2(v≤8) и O2(v≤4) косвенно влияют на процесс получения О3 и NO2 через взаимодействие с N2 и O2 исходной смеси и непосредственно участвуют в образовании NO. Таким образом, выполненная программа исследований связана с получением данных о количестве долгоживущих частиц (озона и оксидов азота) в газовой фазе в разных условиях горения разряда. Полученный опыт работы с химией газовой фазы показал, что в первую очередь крайне важно подобрать стабильный режим горения разряда, который обеспечит стабильный во времени выход активных частиц. Во-вторых, следует учитывать, что поверхность металлического электрода в процессе его эксплуатации в атмосфере воздуха подвергается процессам окисления и эрозии. Это, в свою очередь, вносит вклад в изменение характера возникновения микроразрядов и меняет энергетические характеристики разрядной системы. Одной из рекомендаций для развития работ по этому направлению является разработка способа стабилизации напряжения на разрядном промежутке для более точной регулировки энергетических параметров разряда и установления требуемого уровня мощности. Полученные данные могут быть использованы для выработки практических решений в технологиях производства озона для медицины и санитарии и в технологиях азотфиксации для сельского хозяйства.