Сучасна промисловість потребує технологій, які дають змогу здійснювати окиснення органічних і неорганічних речовин із високою ефективністю, мінімальним утворенням вторинних забруднювачів та раціональним використанням енергії. Особливий інтерес у цьому напрямі становлять плазмо-рідинні технології, у яких активна газова фаза взаємодіє з рідкою поверхнею й ініціює утворення хімічно активних частинок — окисників [1].
Плазмо-рідинна взаємодія є міждисциплінарною галуззю, що поєднує фізику низькотемпературної плазми, електрохімію, хімію поверхні, масообмін і хімічну кінетику. На межі газу, плазми та рідини можуть утворюватися короткоживучі та довгоживучі активні частинки, зокрема гідроксильні радикали •OH, атомарний кисень, супероксид-іон O₂•⁻, озон O₃, пероксид водню H₂O₂, а також активні форми Нітрогену — NO, NO₂⁻, NO₃⁻ та пероксинітритні сполуки [2]. Їх подальша взаємодія визначає окисно-відновні властивості активованої рідини.
В Україні розробкою технології отримання окисників на біполярній рідкофазній поверхні при її активації іонізованою газовою фазою займається кафедра хімічних та біологічних технологій Дніпровського державного технічного університету [3,4]. Основними завданнями роботи визначено встановлення закономірностей фізико-хімічних процесів на межі фаз та оптимізацію технологічних параметрів для забезпечення високої ефективності, екологічної безпечності та енергетичної доцільності процесу.
Одним із найбільш перспективних напрямів використання окисників, отриманих плазмовою активацією, є очищення води та промислових стоків [5]. Промислові стічні води часто містять барвники, феноли, поверхнево-активні речовини, фармацевтичні залишки, пестициди та інші стійкі органічні сполуки, які складно видалити традиційними біологічними методами. Передові окиснювальні процеси дають змогу руйнувати такі речовини за участю O₃, H₂O₂ та радикалів •OH.
Перевага плазмової технології полягає в можливості генерувати частину необхідних окисників безпосередньо в процесі очищення. Це дає змогу зменшити потребу у транспортуванні, зберіганні та дозуванні традиційних хімічних реагентів. Холодна плазма здатна генерувати O₃, H₂O₂, •OH та інші реакційноактивні частинки, які взаємодіють із забруднювачами води.
Особливо перспективним є поєднання плазмової генерації окисників з електрохімічними процесами [6]. Наприклад, системи на основі озону та електрохімічного утворення H₂O₂ можуть сприяти додатковому формуванню •OH і підвищувати ступінь деструкції забруднювачів. Такі гібридні процеси досліджуються для знезараження, видалення нових забруднювачів, промислових стічних вод та відновлення ресурсів із водних потоків.
Іншим важливим напрямом є одержання плазмоактивованої води — PAW (Plasma-Activated Water) [7]. Під час контакту плазми з водою в ній накопичуються реакційноактивні форми кисню та азоту, унаслідок чого змінюються її кислотність, окисно-відновний потенціал і електропровідність. PAW досліджується як засіб для деконтамінації харчових продуктів, робочих поверхонь та технологічного обладнання. Встановлено перспективність її використання для зменшення кількості мікроорганізмів на фруктах, овочах, м'ясній і рибній продукції, а також на поверхнях, що контактують із харчовими продуктами.
У харчовій промисловості перевагою такої технології є її нетермічний характер. На відміну від високотемпературної обробки, плазмоактивована вода потенційно дає змогу проводити знезараження з меншим тепловим навантаженням на продукт. Крім того, досліджуються її можливості щодо зниження залишків пестицидів, оброблення м'ясної продукції та стимулювання проростання насіння.
Для промислового застосування особливий інтерес становить оброблення харчових контактних поверхонь. PAW може вироблятися безперервно й циркулювати в технологічній системі, що створює можливості для інтеграції процесу в потокові виробничі лінії. Разом із тим масштабування таких систем потребує контролю стабільності окисників, енергоспоживання, матеріалів обладнання та повторюваності результатів. Окисники, утворені плазмовою активацією, можуть бути корисними для інтенсифікації хімічних процесів, особливо там, де необхідне окиснення стійких органічних речовин.
У фармацевтичній промисловості проміжні та технологічні стоки часто містять сполуки зі складною молекулярною структурою та високою біологічною активністю. Традиційні очисні споруди не завжди забезпечують їх повне руйнування. У таких випадках застосування озону, H₂O₂ та інших активних форм кисню може сприяти попередньому розкладанню забруднювачів до простіших сполук, які легше піддаються подальшому біологічному очищенню.
Плазмові системи також становлять інтерес як джерело реакційноактивного середовища для синтезу та модифікації матеріалів. Плазмо-рідинні методи вже застосовуються для одержання функціональних матеріалів, каталізаторів і поверхневих покриттів, що свідчить про ширші технологічні можливості таких систем за межами лише водоочищення.
Текстильне виробництво належить до галузей із значним водоспоживанням та утворенням стоків, що містять барвники й допоміжні хімічні речовини. Окиснювальні процеси можуть використовуватися для руйнування кольорових органічних сполук, зменшення хімічного навантаження на стічні води та підготовки води до повторного використання.
Ці технології цікаві тим, що активні форми кисню діють переважно на хімічно реакційноздатні функціональні групи органічних молекул. У результаті складні забруднювачі можуть перетворюватися на простіші продукти окиснення. Загалом озонування та інші передові окиснювальні процеси вже розглядаються як ефективні підходи для очищення стоків текстильної, фармацевтичної та інших галузей.
Плазмоактивовані рідини також можуть використовуватися безпосередньо для знезараження текстильних матеріалів [8]. Сучасні експериментальні дослідження показують можливість ефективного зниження мікробного забруднення тканин за допомогою PAW, що відкриває перспективи для промислової санітарної обробки.
У целюлозно-паперовому виробництві окиснювальні технології можуть бути корисними під час оброблення технологічних вод та для руйнування частини органічних домішок. Застосування окисників, що генеруються безпосередньо в процесі, потенційно дає змогу скоротити використання зовнішніх хімічних реагентів та спростити реагентне господарство.
Промислові підприємства харчової, фармацевтичної, біотехнологічної та медичної галузей потребують регулярного знезараження обладнання, трубопроводів, ємностей і робочих поверхонь. Хімічні дезінфектанти є ефективними, але можуть утворювати залишкові речовини або потребувати додаткового промивання.
Плазмоактивована вода та інші плазмоактивовані рідини розглядаються як нетермічні дезінфекційні агенти з широкою антимікробною дією. Для харчових контактних поверхонь особливо важливо, що PAW може бути вироблена окремо, зберігатися певний час і використовуватися як робочий розчин або генеруватися безперервно в міру потреби. Механізм знезараження пов'язаний із комплексною дією RONS: окисненням клітинних мембран, білків, ферментів та інших біологічних компонентів мікроорганізмів. Саме комбінована дія кількох активних частинок є важливою перевагою порівняно з використанням одного вузькоспецифічного реагенту.
Технології одержання окисників на плазмово активованих рідких поверхнях мають низку суттєвих переваг [9]. По-перше, можливе генерування активних речовин безпосередньо в процесі, що зменшує потребу у зберіганні значних запасів хімічних окисників. По-друге, процес може відбуватися за відносно низьких температур, що особливо важливо для термочутливих матеріалів і харчових продуктів. По-третє, використання плазми дозволяє формувати комплекс активних форм кисню та азоту, а не лише одну реагентну речовину. По-четверте, технологія потенційно придатна для безперервних промислових процесів та інтеграції з іншими методами водоочищення, знезараження та хімічної обробки.
Водночас існують і суттєві обмеження. До них належать висока складність міжфазної хімії, залежність складу окисників від режиму роботи установки, порівняно короткий час життя деяких активних частинок та необхідність точного контролю енергетичних параметрів. Окремим завданням є масштабування лабораторних систем до промислових установок. У літературі підкреслюється, що відмінності між реакторами та режимами роботи ускладнюють пряме порівняння результатів і перехід до стандартизованих промислових рішень.
Енергетична ефективність також потребує ретельного аналізу. Для передових окиснювальних процесів енерговитрати можуть суттєво залежати від конструкції реактора, концентрації забруднювачів, необхідної глибини очищення та способу генерації окисників. Тому оцінювати доцільність технології потрібно не лише за концентрацією утворених активних частинок, а й за питомими енерговитратами на одиницю об'єму обробленої рідини та фактичну кількість видаленого забруднювача.
Подальший розвиток технології отримання окисників на активованих рідкофазних поверхнях має бути спрямований на створення енергоефективних та керованих плазмових реакторів. Особливу роль відіграватиме можливість цілеспрямовано змінювати склад активованого середовища залежно від поставленого технологічного завдання.
Розробка технологій отримання окисників на біполярній рідкофазній поверхні при її активації іонізованою газовою фазою є перспективним напрямом сучасної плазмохімії та інтенсифікації хіміко-технологічних процесів. Основою технології є взаємодія нерівноважної плазми з рідкою поверхнею, унаслідок чого утворюється комплекс активних форм кисню та азоту. Найважливішими окисниками активованих рідин є гідроксильні радикали, пероксид водню, озон, супероксидні частинки та сполуки активного азоту. Поєднання короткоживучих і стабільніших реагентів забезпечує високу окиснювальну та антимікробну активність такого середовища.
Найближчими до промислового застосування напрямами є очищення та знезараження води, оброблення промислових стічних вод, санітарна обробка харчових контактних поверхонь, деконтамінація харчових продуктів, а також перспективні застосування у фармацевтичній, текстильній, целюлозно-паперовій та інших галузях.
Промислова цінність цієї технології полягає у можливості генерувати реакційноактивні речовини безпосередньо під час технологічного процесу, потенційно зменшуючи використання традиційних хімічних реагентів. Разом із тим для широкого впровадження необхідно вирішити питання масштабування, енергоефективності, стабільності утворення окисників, довговічності обладнання та стандартизації режимів.
Отже, активація рідкої поверхні іонізованою газовою фазою може стати основою нового покоління екологічно орієнтованих технологій, у яких генерація окисників, їх використання та керування процесом відбуваються в межах єдиної технологічної системи.
Список літератури:
1. Rezaei F., Vanraes P., Nikiforov A., Morent R., De Geyter N. Applications of plasma-liquid systems: a review. Materials. 2019. Vol. 12, № 17. Article 2751.
2. Bruggeman P. J., Kushner M. J., Locke B. R., Gardeniers J. G. E., Graham W. G., Graves D. B., et al. Plasma–liquid interactions: a review and roadmap. Plasma Sources Science and Technology. 2016. Vol. 25, № 5. Article 053002.
3. Гуляєв В. М., Кравченко О. В., Головань С. С. Дослідження термодинамічних процесів утворення гідроген поліоксидів у водних розчинах при дії нерівноважної низькотемпературної плазми. Збірник наукових праць Дніпровського державного технічного університету (технічні науки). 2025. № 1 (46). С. 152–158.
4. Кравченко О. В., Головань С. С. Кінетичні процеси утворення поліоксидів водню у водних розчинах при дії нерівноважної низькотемпературної плазми. Збірник наукових праць Дніпровського державного технічного університету (технічні науки). 2025. № 2 (47). С. 159–167.
5. Ryu J.-W., Han J.-Y., Eom S., Kim S.-H., Kang D.-H. Effects of electrode geometry on the physicochemical properties and antimicrobial efficacy of plasma-activated water generated by surface dielectric barrier discharge. International Journal of Food Microbiology. 2026. Vol. 445. Article 111467.
6. Tachibana K., Nakamura T. Comparative study on discharge schemes for production rates and ratios of reactive oxygen and nitrogen species in plasma activated water. Journal of Physics D: Applied Physics. 2019. Vol. 52, № 38. Article 385202.
7. Lu X., Naidis G. V., Laroussi M., Reuter S., Graves D. B., Ostrikov K. Reactive species in non-equilibrium atmospheric-pressure plasmas: generation, transport, and biological effects. Physics Reports. 2016. Vol. 630. P. 1–84.
8. Zhou R., Zhou R., Wang P., Xian Y., Mai-Prochnow A., Lu X., Cullen P. J., Ostrikov K. K., Bazaka K. Plasma-activated water: generation, origin of reactive species and biological applications. Journal of Physics D: Applied Physics. 2020. Vol. 53, № 30. Article 303001.
9. Hoeben W. F. L. M., van Ooij P. P., Schram D. C., Huiskamp T., Pemen A. J. M., Lukeš P. On the possibilities of straightforward characterization of plasma activated water. Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2019. Vol. 39, № 3. P. 597–626.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter