การศึกษาอิทธิพลของพลาสมาอุณหภูมิต่ำที่สภาวะบรรยากาศต่อการกำจัดเชื้อจุลินทรีย์

Abstract

โครงงานวิศวกรรมนี้เสนอการศึกษาประสิทธิภาพของพลาสมาอุณหภูมิต่ำในสภาวะบรรยากาศต่อการยับยั้งเชื้อจุลินทรีย์ โดยภายในโครงงานแบ่งการทดลองออกเป็น 4 ส่วน ซึ่งประกอบไปด้วย ลักษณะการกระจายตัวของสนามไฟฟ้าในอิเล็กโทรดแบบหลายเข็ม อิทธิพลของขั้วไฟฟ้าต่อการสร้างพลาสมาโดยใช้อิเล็กโทรดแบบหลายเข็ม การประยุกต์ใช้พลาสมาเจ็ทและดีสชาร์จแบบข้ามฉนวนในการกำจัดเชื้อเอสเชอริเชียโคไล หรือ อีโคไล จากผลการศึกษาในส่วนแรกพบว่าการใช้อิเล็กโทรดแบบหลายเข็มเมื่อมีการจัดวางระยะห่างระหว่างเข็มและจำนวนเข็มที่เพิ่มขึ้นจะส่งผลให้พลาสมามีขนาดที่กว้างขึ้นและมีค่าแรงดันดีสชาร์จเฉลี่ยที่ลดลง ซึ่งทำให้เหมาะสมต่อการประยุกต์ใช้ในการสร้างพลาสมาที่สภาวะบรรยากาศ จากผลการศึกษาในส่วนที่สองโดยการใช้อิเล็กโทรดแบบระนาบชนิดน้ำ หรือ แผ่นทองแดงเป็นขั้วตรงข้ามกับอิเล็กโทรดแบบหลายเข็ม พบว่าพลาสมาที่สร้างออกมามีลักษณะทางไฟฟ้าคล้ายกัน แต่ในส่วนของอิเล็กโทรดแบบระนาบชนิดน้ำ พลาสมาจะมีความไม่เสถียรเท่ากับแผ่นทองแดงเนื่องจากการกระเพื่อมของน้ำขณะสร้างพลาสมา นอกจากนี้น้ำยังมีความนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าของแผ่นทองแดง ทั้งนี้การใช้อิเล็กโทรดแบบหลายเข็มเป็นขั้วแอโนดจะสามารถสร้างพลาสมาได้เสถียรสูงสุด จากผลการศึกษาคุณลักษณะและกระบวนการสร้างพลาสมาในสองหัวข้อข้างต้น จึงนำไปสู่การศึกษาส่วนที่สาม การประยุกต์ใช้พลาสมาในการกำจัดเชื้ออีโคไลโดยการใช้พลาสมาเจ็ท ที่กำลังไฟฟ้าขาเข้า 15 วัตต์ ในการสร้างพลาสมา พบว่ากรณีที่ใช้แก๊สอาร์กอนผสมกับอากาศให้ผลการกำจัดเชื้ออีโคไลมีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อเทียบกับกรณีที่ใช้แก๊สอาร์กอนผสมกับแก๊สออกซิเจน และกรณีที่ใช้แก๊สอาร์กอนชนิดเดียว เนื่องจากมีกระบวนการสร้างสารประกอบจำพวกแก๊สโอโซน และแก๊สไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ซึ่งมีอิทธิพลในการกำจัดเชื้อจุลินทรีย์ออกมาได้ดีที่สุด อย่างไรก็ตามขนาดของพลาสมาเจ็ทนั้นถูกจำกัดในเรื่องของพื้นที่เนื่องจากขนาดของลำแก๊ส จึงได้มีการพัฒนาโมเดลเป็นแบบดีสชาร์จแบบข้ามฉนวนในการศึกษาส่วนที่สี่ จากผลการทดลองพบว่าที่แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับที่แรงดันไฟฟ้า 2.14 กิโลโวลต์ ความถี่ 14 กิโลเฮิรตซ์ ประสิทธิภาพการกำจัดเชื้อเพิ่มขึ้นตามเวลาในการฉายพลาสมา โดยขนาดพื้นที่ยับยั้งเชื้อมีขนาดที่กว้างกว่า 4.8 เท่า เมื่อเทียบกับพลาสมาเจ็ท

This engineering project proposed the study of the efficiency of atmospheric nonthermal temperature plasma on microbial inactivation. The main study topics were divided into four parts, including electric field distribution characteristics of multi-pin electrodes, the influence of electrode types on plasma generation by multi-pin electrodes, the application of plasma jet, and dielectric barrier discharge on Escherichia coli (E. coli) inactivation. From the results of the first part, it was found that when the distance between two adjacent pins, and the number of pins were increased, the plasma size increased while the average discharge voltage decreased. This is suitable to apply in atmospheric plasma generations. From the results in the second part, the water electrode or planar copper electrode was used as a counter electrode of multi-pin electrodes. The plasma characteristics of both cases were similar, but the plasma characteristics of the water electrode case were rather unstable due to the water ripple during the plasma generation. Moreover, the conductivity of the water electrode was lower than that of the copper electrode. It was noticed that using multi-pin electrodes as an anode for plasma generation obtained the most stable plasma. From the aforementioned studies of the characteristics and processes of plasma generation, the third study part was about the application of plasma on E. Coli inactivation by plasma jet. It was found that at the input power of 15-watt for plasma generation, the highest E. coli inactivation efficiency was found in the condition that argon gas mixed with air, compared with argon gas mixed with oxygen, and pure argon gas. This is due to the fact that ozone and hydrogen peroxide, which play an important role in microbial inactivation, could be produced the best in this case. However, the plasma size of the plasma jet was limited by the size of the gas jet. Therefore, the dielectric barrier discharge (DBD) had been developed and applied in the fourth study part. From the experimental results, it showed that by using an alternating current source at a voltage of 2.14 kV, a frequency of 14 kHz, the E. coli inactivation efficiency increased with an increase of treatment time. The clear zone area was 4.8 times larger than that of the plasma jet.