Influence of Magnetic Field Assisted Surface Dielectric Barrier Discharge on the Chemical Activity and Sterilization Effect of Plasma Activated Water

doi:10.7503/cjcu20230327

Abstract

Abstract:

A magnetic field assisted atmospheric pressure air surface dielectric barrier discharge was developed to prepare plasma activated water， and the solution properties of plasma activated water prepared by discharge with and without magnetic field under different discharge voltages and frequencies were studied. Combined with gas-liquid two-phase related chemical reaction networks， the mechanism of the influence of magnetic field on the preparation of plasma activated water by discharge was analyzed. And then the sterilization effect of plasma activated water prepared with and without magnetic field on E. coli was compared under different discharge conditions. The results indicate that the addition of a magnetic field can affect electron collision reactions， and further affect subsequent processes of chain chemical reactions and liquid phase secondary reactions， so as to improve the acidity， conductivity， and the concentrations of NO $3 –$ ， NO $2 –$ ， H₂O₂， and ONOOH of plasma activated water， consequently enhancing the sterilization effect on E. coli. For achieving a same sterilization effect， the introduction of a magnetic field significantly reduces the required discharge voltage and frequency， reducing energy consumption. In addition， the reactive species of H⁺， H₂O₂， and ONOOH in the plasma activated water have a synergistic effect on sterilization. The enhancement of various reactive species in the liquid phase is most significant as the magnetic field assists a high voltage and high frequency discharge， and the improvement of sterilization effect is also most obvious at this time.

Key words: Magnetic field, Surface dielectric barrier discharge, Plasma activated water, Reactive species, Sterilization effect

CLC Number:

O646.9

TrendMD:

LIU Kun, YANG Minghao, ZHOU Xiongfeng, BAI Yang, RAN Congfu. Influence of Magnetic Field Assisted Surface Dielectric Barrier Discharge on the Chemical Activity and Sterilization Effect of Plasma Activated Water[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(12): 20230327.

Figures/Tables 6

Table 1 Related reaction process for preparing PAW by an air discharge plasma

Reaction	Rate coefficient/（m³·s^-1）	No.	Ref.
e+O₂→e+^·O+^·O	2.0×10^-14ε^-0.10 exp（-8.47/ε）	R1	［28］
e+O₂→e+O₂（a）	1.0×10^-15exp（-2.59/ε）	R2	［28］
e+N₂→e+N₂（A）	3.3×10^-16ε^-0.06 exp（-8.50/ε）	R3	［28］
e+N₂→e+^·N（²D）+^·N	4.0×10^-17ε^2.24 exp（-9.10/ε）	R4	［28］
e+H₂O→e+^·OH+^·H	5.2×10^-15ε^0.62 exp（-10.90/ε）	R5	［28］
^·O+N₂（A）→^·NO+^·N	—	R6	［29］
^·N+O₂（a）→^·NO+^·O	—	R7	［30］
^·N（²D）+O₂→^·NO+^·O	—	R8	［31］
^·OH+^·OH→H₂O₂	—	R9	［32］
^·NO+^·OH→HNO₂	—	R10	［32］
^·NO+^·O→^·NO₂	—	R11	［33］
^·NO₂+^·OH→HNO₃	—	R12	［32］
HNO_3aq⇌NO $3 -$ _aq+H $a q +$	—	R13	［32］
HNO_2aq⇌NO $2 -$ _aq+H $a q +$	—	R14	［32］
H₂O_2aq+NO $2 -$ _aq+H $a q +$ →ONOOH_aq+H₂O_aq	—	R15	［34］

Table 1 Related reaction process for preparing PAW by an air discharge plasma

Reaction	Rate coefficient/（m³·s^-1）	No.	Ref.
e+O₂→e+^·O+^·O	2.0×10^-14ε^-0.10 exp（-8.47/ε）	R1	［28］
e+O₂→e+O₂（a）	1.0×10^-15exp（-2.59/ε）	R2	［28］
e+N₂→e+N₂（A）	3.3×10^-16ε^-0.06 exp（-8.50/ε）	R3	［28］
e+N₂→e+^·N（²D）+^·N	4.0×10^-17ε^2.24 exp（-9.10/ε）	R4	［28］
e+H₂O→e+^·OH+^·H	5.2×10^-15ε^0.62 exp（-10.90/ε）	R5	［28］
^·O+N₂（A）→^·NO+^·N	—	R6	［29］
^·N+O₂（a）→^·NO+^·O	—	R7	［30］
^·N（²D）+O₂→^·NO+^·O	—	R8	［31］
^·OH+^·OH→H₂O₂	—	R9	［32］
^·NO+^·OH→HNO₂	—	R10	［32］
^·NO+^·O→^·NO₂	—	R11	［33］
^·NO₂+^·OH→HNO₃	—	R12	［32］
HNO_3aq⇌NO $3 -$ _aq+H $a q +$	—	R13	［32］
HNO_2aq⇌NO $2 -$ _aq+H $a q +$	—	R14	［32］
H₂O_2aq+NO $2 -$ _aq+H $a q +$ →ONOOH_aq+H₂O_aq	—	R15	［34］

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