等离子体活化水的制备及对植物生长的研究

刘瑾琳，韩家林，兰青青，李新月，荣俊锋

（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001）

PAW 是低温等离子体在水中或水面上放电后，等离子体产生的离子与水分子相互作用，引发化学反应，产生富含活性氧（ROS）和活性氮（RNS）等活性成分的水溶液[1-3]。PAW 可以通过两种方法产生：一种是在水面上产生等离子体；另一种是将等离子体直接充入水中[4-6]。本文采用介质阻挡放电产生低温等离子体的方法制备PAW。

1 实验部分

1.1 仪器及材料

等离子体PAW 制取容器，针板式，容器壳体材质为Φ90×200 mm，δ=6 mm 石英玻璃。顶部开3 孔，中心孔Φ3 mm，插入铜针电极Φ3×250 mm，一端磨尖用于放电；左孔Φ5 mm 鼓入压缩空气，空气提供溶解氧和搅拌；右孔Φ15 mm 连接回流冷凝器，减少水分蒸发。铝板网电极Φ80 mm，δ=1.2 mm，用石英玻璃板与磁力搅拌器面板隔开[7-9]；HI 88703 浊度分析测定仪，哈纳沃德仪器有限公司；DZS-706 多参数水质分析仪，上海仪电科学仪器股份有限公司；TDS2014 数字式示波器，Tek⁃tronix；CTP-2000K 等离子体电源，苏曼等离子科技有限公司；78HW-1 磁力恒温搅拌器，荣华仪器制造有限公司；DZS-706X型多参数水质分析仪，连华永兴科技发展有限公司。

上海青种子，青县兴运蔬菜良种繁育中心；去离子水，自制。

1.2 实验流程

实验装置如图1 所示[10-11]，主要由等离子体电源和PAW 制取容器组成，PAW 制取容器置于磁力搅拌器上，其间用厚度10 mm 的石英玻璃板隔开，防止系统漏电。取去离子水200 mL 加入PAW 制取容器，接通高压电源，打开回流装置，调节接触调压器，在两电极之间进行放电，绝缘有机玻璃和去离子水充当放电介质，形成介质阻挡放电，产生具有高能活性的低温等离子体进入去离子水，制备PAW。

图1 实验装置图Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up

2 结果与讨论

2.1 放电时间对上海青种子萌发的影响

调节电压为30 kV、放电间距为5 mm 的实验条件下，分别对新制去离子水取150 mL 放电1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h，制得5 种低温等离子体活化水。待活化水冷却后，分别使用多参数水质分析仪检测指标，最终测得其pH 值、电导率、硝酸根离子浓度和亚硝酸根离子浓度，如表1 所示，放电时间与种子萌发情况如图2 所示。

表1 不同放电时间活化水指标Tab.1 Activation water index at different discharge time

图2 放电时间对种子萌发的影响Fig.2 Effect of discharging time on seed germination

随着放电时间的延长，活化水的pH 值呈现下降的趋势，活化水的酸性不断增大。在0～2.5 h 内，活化水的电导率增长得很快，可能原因是水中外来离子的存在极大地影响了电导率。等离子体处理过程中产生的活性物质和离子很容易溶解在水中，进而改变电导率。在0～3.0 h 时，NO3-和NO2-浓度呈下降趋势，通过空气等离子体中的N2和O2的离解形成的氮氧化物与水反应并导致NO2-的形成，NO2-与H2O2反应生成NO3-。

由图2 可以得出，在30 kV 电压下，放电时间为1.5 h 的PAW 在10 天周期内使得上海青种子萌发的情况最好，长势最佳。这是因为PAW 为植物生长提供了RNS（活性氮），其中硝酸盐和亚硝酸盐可以作为肥料，促进植物生长[1-4]。考虑到经济、安全、环保等因素，最佳的放电时间为1.5 h。

2.2 放电电压对上海青种子萌发的影响

2.2.1 放电时间与PAW pH值的关系

在放电间距为5 mm 的实验条件下，取新制去离子水150 mL，分别在功率放大器前端的接触调节电压为30 kV、35 kV、40 kV 放电1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h。待制得的PAW 冷却后，分别使用多参数水质分析仪检测指标，最终测得其pH 值、电导率、NO3-浓度和NO2-浓度数据。不同电压下它们与放电时间关系如图3～图6。

图3 放电时间对活化水pH值的影响Fig.3 Effect of discharge time on pH

图4 放电时间对活化水电导率的影响Fig.4 Effect of discharge time on electrical conductivity

图5 放电时间对活化水NO3-浓度的影响Fig.5 Effect of discharge time on NO3-concentration

图6 放电时间对活化水NO2-浓度的影响Fig.6 Effect of discharge time on NO2-concentration

2.2.2 放电时间与PAW电导率的关系

2.2.3 放电时间与PAW NO3-浓度关系

2.2.4 放电时间与PAW NO2-浓度关系

由图3～图6 可以看出，在放电时间为1.5 h 的条件下改变电压，PAW 的pH 值仍呈下降趋势，活化水的酸性不断增强，活化水的电导率有所增加，活化水的NO-3浓度和NO2-浓度略有下降。

电导率与溶液中离子浓度和数量有关。随着放电电压的增大和放电时间的延长，通过空气等离子体中的N2和O2的离解形成的氮氧化物与水反应并导致NO2-的形成，这些NO2-与H2O2反应形成NO3-，活化水中的离子数量和浓度下降，从而导致电导率显著下降[1-7]。

由图7～图9 可以看出，在放电时间为1.5 h 的条件下改变电压制得的PAW，电压为35 kV 下的活化水在10 天周期内使得上海青种子萌发的情况最好，长势最佳。

图7 放电电压（时间1.0 h）对种子萌发的影响Fig.7 Effect of discharge voltage（time 1.0 h）on seed germination

图8 放电电压（时间1.5 h）对种子萌发的影响Fig.8 Effect of discharge voltage（1.5 h）on seed germination

图9 放电电压（时间2.0 h）对种子萌发的影响Fig.9 Effect of discharge voltage（time 2.0 h）on seed germination

3 结论

采用介质阻挡放电产生低温等离子体的方法制备等离子体活化水，改变放电时间，通过多参数水质分析仪检测出活化水的指标，进而用制得的PAW 种植上海青，通过控制变量找出最佳放电时间；然后再改变放电电压，探究在相同的放电时间下不同电压制得的PAW对上海青种子的萌发和生长影响，从而找出最佳放电电压；最后，制得3 种电压下3 种时间9 种PAW，检测完指标后开始种植，与不放电的去离子水种植比对，找出最佳的活化水条件；最终确定上海青种子萌发和生长最佳的低温等离子体活化水条件：pH值为2.43，通电电压为35 kV，放电反应时间为1.5 h，在此条件下上海青种子萌发和生长情况最好。