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本帖最后由 PROTON 于 2010-6-12 11:45 编辑
（1）标题
高强电场对水理化性质影响的初探
（个人参赛论文）
(2) 摘要
由于电与磁的统一对称性，于是在很久之前就设计了相关实验，但由于电压太低，所对水产生的现象只有电解水生成氢气和氧气。水以一定的流速流过较强的磁场(>0.1T)时，会产生磁化水。根据电与磁的对称性，设计了用高强电场让水活化的实验。
放电产生的紫外线辐射可使空气中的氧气产生电离，产物与水会产生氧化性极强的物质；而且放电产生的冲击波也对水产生物理的作用，可以抑制霉菌生长，用于水果、蔬菜的保鲜，还可以除去水垢和防止水垢生成，潮湿种子的快速焙干，杀灭细菌和防止细菌的繁殖，分解有机物等。
关键字：电场、水垢、电极、离子、高压电
(3)关于研究目的和研究背景的介绍
在最初时，只是想研究高压电场能否对水产生作用，会像电解一样产生氢和氧。由此进行实验设计，来探究是否能产生氢气和氧气。
在2008年5月，就开始尝试用高强电场来处理水。在实验时，把阴电极直接放在地面上，处理了几个小烧杯内的水，实验后，并未发现水有什么变化，于是将烧杯口用玻璃板盖上，并贴上标签作为标记，然后放在较为阴暗的地方，就没有再动这些烧杯了。
过了三十余天后，偶然看到了我做过的这个实验，于是将他们拿出来放在明亮处进行观察并对比，发现了用高强电场处理过的水几乎没有蒸发，而且十分明净，说明水并没有受到外界的污染。而在对比之下观察，发现了用高强电场处理过的水，几乎没有被蒸发，并且十分明净，水中没有任何的污染，而没有处理过的水被蒸发只剩下一小部分，并且水底有很多沉淀，还长有一团团的霉菌，由此，我展开探究。
① 为什么被高强电场处理过的水几乎不会有蒸发？
② 为什么经过高强电场处理过的水没有长霉菌？
③ 为什么用高强电场处理过的水没有产生沉淀？
由此展开，一系列所发现的现象，都是从这三个疑问进行拓展。
(4)研究实验章节(研究内容,方法,分析,讨论,结果及应用) （4）课题的研究和设计
一、问题研究
对最初实验时所提出的三个疑问进行初步的研究如下：
问题一：先将所需的水煮沸30min，再分几个有较为精确的刻度的试管，然后放入高强电场中进行处理10min后，再用玻璃板盖住试管。放置在阳光下20天后，发现谁水有明显的减少。说明高强电场处理过的水的蒸发的确减少了。
问题二：先将所需的水煮沸30min，再分几个有较为精确的刻度的试管，然后放入高强电场中进行处理10min后，再用棉絮封住试管。放置20天后，发现被强电场处理过的水很干净，并且没有异味，放在显微镜下只有极少的霉菌。而另外没有处理的试管中的水，则在内壁上生在了许多光滑的霉菌菌落，由此可见电场处理后的水可以抑制霉菌的生在。
问题三：用增大溶解水中碳酸钙和碳酸镁，再将其分为几个烧杯。再用电场处理，将含有杂质的水施加强电场时，发现烧杯底部在电极附近产生了大量沉淀，而对照组比并没有任何变化。由此说明，高强电场可以使水中的不溶物提前发生沉淀。
于是在以上的现象为基础，进一步深度探究。在动手实验时，采用简单易行的方案，并用单一变量原则，在每项设计的基础上设立几组环境相同的对照。
二、探究过程如下
1、杀菌效应
在实验中用了40KV/cm的高压脉冲电场在阳极板接地的条件下，对水进行处理10min后，再取部分水在显微镜下观察，并与没进行处理过的水对比发现，水中的细菌数目明显的减少，可以判断出该实验的杀菌效果较好。
2、除垢防垢
由于水中溶有微量的镁离子和钙离子，在加热或长时间的放置的条件下，会在容器上发生沉淀，产生水垢。在实验中使用了经处理后，硬度较大的水。在高压电场的作用下，能使产生水垢的钙镁元素在电极附近发生沉淀（即水垢）；而且使用被电场处理后的水，可以使已经沉淀的水垢（容器内没有水）被溶解。经测定，经电场处理后的水的硬度明显减小，比水被煮沸后的硬度还要低，所以高压电场处理后的水，可以使水垢溶解，还可以防止水垢在容器壁上生成。
3、电场保鲜
由于新鲜蔬菜的细胞里会有大量的水份，在阳极板接地的高强电场的处理后，水分的蒸发减慢，可以起到保持水分的能力，比未被处理过的蔬菜保水能力更强。蔬菜在常温条件下保存几天后，并没发生萎蔫的现象，可以看出被电场处理后，保鲜能力大为加强。
4、电场焙干
实验时，把完全用水浸透的种子放在阳极板接地的高强电场的电极间进行处理，另外选取被水浸透后没有做任何处理的种子为对照组。经过电场的处理后，电极间的种子早已被干燥，而对照组的种子还有很多水份。由此可以初步判断：电场可以提高水的蒸发速度，从而起到了加速焙干的效果。
三、特性的初探
由于有高频强电场的剧烈放电，所以会产生剧烈振荡的电子，电子会产生较强的光辐射，由E=hv可以求出脉冲放电时的光辐射的光谱约在400~500nm的范围，因为光谱中有紫外线辐射，于是紫外辐射会被水吸收，使水中溶解的氧气产生激发态的氧原子。还有在放电时会使空气中的氧气发生电离，致使会产生臭氧和氧负离子，溶解于水中时，就会被分解为氧化性更强的羟基离子，因其具有很强的氧化性，会使水中的有机物分解为二氧化碳和水。强烈的放电脉冲会产生很强的放电冲击波，产生很大的压强和很高的温度，从而可以使水达到超临界水的条件，由于超临界的水有很强的氧化性，也可以清除极难被分解的化合物。
在实验时还发现了一些现象
①细菌的数量：研究中发现，对细菌数目高的与菌数低的加以同样强度、同样时间的高压电脉冲，前者菌数下降的数值比后者要多很多。
②电场强度：电场强度在各因素中对杀菌效果影响最明显，增加电场强度，细菌的存活率会发生明显下降。
③处理时间：刚开始随着杀菌时间的延长，细菌的存活率开始急剧下降，然后平缓，逐渐变平，最后增加杀菌时间也没有多大作用。
④处理时水的温度：随着水的温度上升(在24°C—60°C内)，杀菌效果也会有略微的提高。
⑤水的电导率：水的电导率的提高，杀菌效果也会有相应的降低。这是因为脉冲频率上升，因而脉冲的间隔也会有所下降。这样，电容器放电时，脉冲数目不变，即杀菌脉冲时间下降，从而杀菌的效果也会相应下降。
⑥脉冲频率：提高脉冲的频率，杀菌效果上升。原因是频率提高后，对应于每一次的放电，会具有更多的电脉冲数量，因而呈指数衰减曲线的下降会得到减缓。从而保证了更长的杀菌处理时间。
⑦水的PH值：在正常的PH值范围内，对细菌的存活率不会产生明显的变化。可以认为：pH值与高压脉冲电场灭菌并没有增效作用。
水是一种电解质，由于这种高强电场超过了水的击穿场强，就会引起水被电场击穿，在击穿的同时，会在水中产生放电通道，电子会与水发生碰撞，损失的能量就会变为水分子被激发所需的能量，水分子与电子碰撞一次所吸收的能量为hv（h普朗克常数，v水分子的固有共振频率），所以电子两次碰撞间所获得的能量＞hv时，才能导致电离。
于是可得出击穿条件为eEλ=nhv（引自：高压开关网）n为正整数。
当物体带电后，内部电荷的逸散符合指数衰减规律。
Q=Q0e-t/ε0εrρr (1)
将电量衰减的时间常数τ＝ε0εrρr代入(1)式得：
Q＝Q0e-t/τ (2)
? 电量衰减时间常数τ可用静电衰减测量仪来测量，而在实际的纤维和织物的静电测试中，人们直接取电量衰减至原测试值的一半(Q＝1/2Q0)时所用的时间，也就是静电半衰期t1／2表征静电荷的逸散能力。它是衡量纤维消除静电荷性能的一个重要指示，将式(2)加以变换得?τ＝t/lnQ0/Q (3)
? 以Q=Q0/2代入式(3)得到静电半衰期t1/2与电量衰减时间常数τ之间的关系：
t1/2= 1/1.44•τ=0.69τ
在气体放电时，形成的等离子圆柱体内的电荷体密度为：
式中r是到轴线的距离，ρ0是轴线上的电荷体密度值，a是一个常量。由此可以求出放电产生的等离子体的分布场强。
在实际应用时，使用圆面电极比较方便，则放电场强的计算公式：
R——圆半径 x——电极间距离 σ——电荷密度
ε0——真空电容率
影响水击穿因素有：水的纯度、电极的形状等。其中水中的杂质是主要影响因素。由于有杂质，会使水的击穿电压降低（由于杂质造成的局部放电）。
在放电通道附近会发生的有机物氧化降解，这种局部产生的现象，是由多种机制共同作用形成的。在放电较长时间下，水的总体温度变化不大时，出现的细菌被杀死就是靠这种机制。
在高强电场中能够产生的杀菌、除垢防垢、食物的保鲜及保存、焙干、抑制霉菌生长等现象，都是由电场作用的各种物理和化学条件下所产生的物理条件和化学活性物质共同作用所形成的。
以下为实验结构简图：
在试验时由于统计了不少的数据，在实验后，分类统计后整理出的数据统计表：
实验中得出了水在正常状态下水分蒸发速度约0.018g/(h•cm3)，于是以此为最小倍数，求得以下比值表：
注：以上数据由个人实测，若有重复试验与本实验数据不符，可能属于实验材料不同与实验测量误差
四、项目研究意义
可以大量制备实验室用的无菌水，并且可以在生物培养基中利用电场处理后的水可以抑制微生物的生长的特性，可以对培养基进行保存和消毒，这样节省了高温或高压消毒时所消耗的大量能量。
在工业生产中，可以用电场处理过的水进行杀毒灭菌，在液体的输送管中，可以除去并防止不溶物的沉淀，还可以抑制管道内霉菌的大肆繁殖，并且可以处理掉污水中的有机污染物，可以减低污染物的排放量。
在食品加工业中，可以利用电场处理过的水果蔬菜具有的保鲜特性，可将长途运输新鲜的水果蔬菜用电场进行处理，可以做到长效保鲜的作用，减低了因果蔬变质腐败而导致的损失。还可以对需要长时间保存的种子用电场处理，使其水分大量散失，减小了因潮湿而使种子腐烂。
在日常生活中，可以用电场来消毒厨房用具，减小了霉菌的生长机率。用电场处理过的水来烹饪食物，可以使煮熟的食物放在常温下，可以存放几天时间而不变质。
五、涉及原理
1、电击穿理论
液体电介质的分子因电子碰撞而电离是电击穿理论的基础。纯净的液体电介质中总会存在一些离子，它们或由液体分子受自然界中射线的电离作用而产生，或由液体中微量杂质受电场的解离作用而产生。对纯净的液体电介质施加电压，液体中的离子在电场作用下运动而形成电流。电场较弱时，随电压的上升，电流呈线性增加。当电场强度超过1MV/cm时，液体电介质中原有的少量自由电子，以及因场致发射或因强电场作用增强了的热电子发射而脱离阴极的电子，在电场作用下运动、加速、积累能量、碰撞液体分子，而且以一定的概率使液体电介质的分子电离。只要电场足够强，电子在向阳极运动的过程中，就不断碰撞液体分子，使之电离，致使电子迅速增加。因碰撞电离而产生的正离子移动至阴极附近，增强了阴极表面的场强，促使阴极发射的电子数增多。这样，电流急剧增加，液体电介质失去绝缘能力，发生击穿。
2、火花放电
在通常气压下，当在曲率[1]不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内，只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待电压恢复再次放电。
3、电水锤原理
冲击放电在封闭液体容器中引起的压力急剧变化。电水锤的波前液体压力的最大值为
式中W 为单位火花长度上的冲击电流的总能量;ρ为液体密度;Z 为冲击电流波的波头长度;T 为冲击电流波的等值总长度；β 为一复杂的积分函数，对液体一般可取值为0.7。根据实验结果和理论推算,瞬时冲击压力可高达6000～15000个大气压，有人认为最大压力可达10000～100000个大气压。
4、污秽表面放电
介质表面沾染污秽时所引起的沿面放电。通常简称为污闪。固体介质表面沾染污秽，又同时受潮湿润时，沿面闪络电压显著降低，严重时能降低到清洁表面闪络电压的十分之一以下。
5、气液界面的等离子化学
溶液中放电形成高温等离子通道,产生紫外线辐射,并产生强烈的冲击波推动周围的水向外膨胀。在这一过程中,水中的污染物除了高温裂解外,因脉冲放电在水中所形成的OH、H、O、O3、H2O2等活性化学物种的强氧化效应对废水中的有害有机污物的降解起到重要作用。
6、非热杀菌技术
当把液态食品作为电介质置于电场中时，食品中微生物细胞膜在强电场作用下被电击穿，产生不可修复穿孔或破裂，使细胞组织受损，导致微生物失活。
7、活化水对细菌的影响
目前已有用电解、磁化、远红外辐射、压力场、冻结解冻等方法对水进行功能化设计，并观察到了这些水对生物膜功能的改变和对酶、激素活性的重要影响。动植物及其生命活动都与水息息相关。最近研究表明，生物体内酶、核酶等的活动，生物膜的功能，不仅与周围水的量有关，也与周围水的状态有很大关系。
（5）参考文献
http://www.heng-xing.cn/docc/tips1.htm（水的结构和功能）
http://blog.sina.com.cn/s/blog_5fa229540100cy9l.html（非热杀菌技术及其在农业生产中的应用）
http://www.lunwentianxia.com/product.sf.3821258.1/（脉冲放电下水的等离子体化学反应）
http://www.cqvip.com/qk/92563X/199302/1035467.html（脉冲放电导致的等离子化学反应—PPCP和SPCP及其应用）
http://epub.cnki.net/grid2008/de ... amp;dbname=CJFD2003（高功率脉冲水中放电的应用及其发展） |
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