等離子體活化水的制備及對植物生長的研究

劉瑾琳，韓家林，蘭青青，李新月，榮俊鋒

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

PAW 是低溫等離子體在水中或水面上放電后，等離子體產(chǎn)生的離子與水分子相互作用，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生富含活性氧（ROS）和活性氮（RNS）等活性成分的水溶液[1-3]。PAW 可以通過兩種方法產(chǎn)生：一種是在水面上產(chǎn)生等離子體；另一種是將等離子體直接充入水中[4-6]。本文采用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生低溫等離子體的方法制備PAW。

1 實驗部分

1.1 儀器及材料

等離子體PAW 制取容器，針板式，容器殼體材質(zhì)為Φ90×200 mm，δ=6 mm 石英玻璃。頂部開3 孔，中心孔Φ3 mm，插入銅針電極Φ3×250 mm，一端磨尖用于放電；左孔Φ5 mm 鼓入壓縮空氣，空氣提供溶解氧和攪拌；右孔Φ15 mm 連接回流冷凝器，減少水分蒸發(fā)。鋁板網(wǎng)電極Φ80 mm，δ=1.2 mm，用石英玻璃板與磁力攪拌器面板隔開[7-9]；HI 88703 濁度分析測定儀，哈納沃德儀器有限公司；DZS-706 多參數(shù)水質(zhì)分析儀，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；TDS2014 數(shù)字式示波器，Tek?tronix；CTP-2000K 等離子體電源，蘇曼等離子科技有限公司；78HW-1 磁力恒溫攪拌器，榮華儀器制造有限公司；DZS-706X型多參數(shù)水質(zhì)分析儀，連華永興科技發(fā)展有限公司。

上海青種子，青縣興運蔬菜良種繁育中心；去離子水，自制。

1.2 實驗流程

實驗裝置如圖1 所示[10-11]，主要由等離子體電源和PAW 制取容器組成，PAW 制取容器置于磁力攪拌器上，其間用厚度10 mm 的石英玻璃板隔開，防止系統(tǒng)漏電。取去離子水200 mL 加入PAW 制取容器，接通高壓電源，打開回流裝置，調(diào)節(jié)接觸調(diào)壓器，在兩電極之間進行放電，絕緣有機玻璃和去離子水充當(dāng)放電介質(zhì)，形成介質(zhì)阻擋放電，產(chǎn)生具有高能活性的低溫等離子體進入去離子水，制備PAW。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up

2 結(jié)果與討論

2.1 放電時間對上海青種子萌發(fā)的影響

調(diào)節(jié)電壓為30 kV、放電間距為5 mm 的實驗條件下，分別對新制去離子水取150 mL 放電1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h，制得5 種低溫等離子體活化水。待活化水冷卻后，分別使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀檢測指標(biāo)，最終測得其pH 值、電導(dǎo)率、硝酸根離子濃度和亞硝酸根離子濃度，如表1 所示，放電時間與種子萌發(fā)情況如圖2 所示。

表1 不同放電時間活化水指標(biāo)Tab.1 Activation water index at different discharge time

圖2 放電時間對種子萌發(fā)的影響Fig.2 Effect of discharging time on seed germination

隨著放電時間的延長，活化水的pH 值呈現(xiàn)下降的趨勢，活化水的酸性不斷增大。在0～2.5 h 內(nèi)，活化水的電導(dǎo)率增長得很快，可能原因是水中外來離子的存在極大地影響了電導(dǎo)率。等離子體處理過程中產(chǎn)生的活性物質(zhì)和離子很容易溶解在水中，進而改變電導(dǎo)率。在0～3.0 h 時，NO3-和NO2-濃度呈下降趨勢，通過空氣等離子體中的N2和O2的離解形成的氮氧化物與水反應(yīng)并導(dǎo)致NO2-的形成，NO2-與H2O2反應(yīng)生成NO3-。

由圖2 可以得出，在30 kV 電壓下，放電時間為1.5 h 的PAW 在10 天周期內(nèi)使得上海青種子萌發(fā)的情況最好，長勢最佳。這是因為PAW 為植物生長提供了RNS（活性氮），其中硝酸鹽和亞硝酸鹽可以作為肥料，促進植物生長[1-4]?？紤]到經(jīng)濟、安全、環(huán)保等因素，最佳的放電時間為1.5 h。

2.2 放電電壓對上海青種子萌發(fā)的影響

2.2.1 放電時間與PAW pH值的關(guān)系

在放電間距為5 mm 的實驗條件下，取新制去離子水150 mL，分別在功率放大器前端的接觸調(diào)節(jié)電壓為30 kV、35 kV、40 kV 放電1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h。待制得的PAW 冷卻后，分別使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀檢測指標(biāo)，最終測得其pH 值、電導(dǎo)率、NO3-濃度和NO2-濃度數(shù)據(jù)。不同電壓下它們與放電時間關(guān)系如圖3～圖6。

圖3 放電時間對活化水pH值的影響Fig.3 Effect of discharge time on pH

圖4 放電時間對活化水電導(dǎo)率的影響Fig.4 Effect of discharge time on electrical conductivity

圖5 放電時間對活化水NO3-濃度的影響Fig.5 Effect of discharge time on NO3-concentration

圖6 放電時間對活化水NO2-濃度的影響Fig.6 Effect of discharge time on NO2-concentration

2.2.2 放電時間與PAW電導(dǎo)率的關(guān)系

2.2.3 放電時間與PAW NO3-濃度關(guān)系

2.2.4 放電時間與PAW NO2-濃度關(guān)系

由圖3～圖6 可以看出，在放電時間為1.5 h 的條件下改變電壓，PAW 的pH 值仍呈下降趨勢，活化水的酸性不斷增強，活化水的電導(dǎo)率有所增加，活化水的NO-3濃度和NO2-濃度略有下降。

電導(dǎo)率與溶液中離子濃度和數(shù)量有關(guān)。隨著放電電壓的增大和放電時間的延長，通過空氣等離子體中的N2和O2的離解形成的氮氧化物與水反應(yīng)并導(dǎo)致NO2-的形成，這些NO2-與H2O2反應(yīng)形成NO3-，活化水中的離子數(shù)量和濃度下降，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率顯著下降[1-7]。

由圖7～圖9 可以看出，在放電時間為1.5 h 的條件下改變電壓制得的PAW，電壓為35 kV 下的活化水在10 天周期內(nèi)使得上海青種子萌發(fā)的情況最好，長勢最佳。

圖7 放電電壓（時間1.0 h）對種子萌發(fā)的影響Fig.7 Effect of discharge voltage（time 1.0 h）on seed germination

圖8 放電電壓（時間1.5 h）對種子萌發(fā)的影響Fig.8 Effect of discharge voltage（1.5 h）on seed germination

圖9 放電電壓（時間2.0 h）對種子萌發(fā)的影響Fig.9 Effect of discharge voltage（time 2.0 h）on seed germination

3 結(jié)論

采用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生低溫等離子體的方法制備等離子體活化水，改變放電時間，通過多參數(shù)水質(zhì)分析儀檢測出活化水的指標(biāo)，進而用制得的PAW 種植上海青，通過控制變量找出最佳放電時間；然后再改變放電電壓，探究在相同的放電時間下不同電壓制得的PAW對上海青種子的萌發(fā)和生長影響，從而找出最佳放電電壓；最后，制得3 種電壓下3 種時間9 種PAW，檢測完指標(biāo)后開始種植，與不放電的去離子水種植比對，找出最佳的活化水條件；最終確定上海青種子萌發(fā)和生長最佳的低溫等離子體活化水條件：pH值為2.43，通電電壓為35 kV，放電反應(yīng)時間為1.5 h，在此條件下上海青種子萌發(fā)和生長情況最好。