اسم الباحث : عبير فؤاد حسن
اسم المشرف : فاضل خدام فليفل
الكلمات المفتاحية :
الكلية : كلية العلوم
الاختصاص : علوم الفيزياء
سنة نشر البحث : 2025
تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث
الخلاصة
تتناول هذه الدراسة تحسين أداء نظام قطب حَلَقي مفرد (SRE) لتوليد نفاث بلازما الهيليوم الباردة عند الضغط الجوي (APHPJ) بهدف التحكم في الشرر وتوليد الأنواع الكيميائية التفاعلية. كما تعرض البحث تطبيق هذا النظام للإزالة السريعة لبكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli) من المياه الملوثة.
أُجريت دراسات الكفاءة باستخدام تكوين القطب الحلقي المفرد، حيث وُضِع قطب الألمنيوم الحلقي بشكل محوري على طول أنبوب من الزجاج البايركس، وتم استخدام أنابيب ذات سماكتين مختلفتين (1 ملم و3 ملم). تم إجراء التجارب تحت معاملات تشغيلية متنوعة، بتطبيق جهد متردد (9 كيلو فولت، 12 كيلوهرتز) ومعدل سريان لغاز الهيليوم يتراوح بين 1-6 لتر/دقيقة، مع تغيير موضع القطب ذي الجهد العالي من نهاية الأنبوب لمسافتين مختلفتين (1 سم و6 سم).
بمساعدة تقنيات تشخيص البلازما، مثل مطيافية الانبعاث البصري (OES) وتحليل منحنى بولتزمان، تم حساب معاملات البلازما المختلفة، بما في ذلك: كثافة الإلكترون، ودرجة حرارة الإلكترون، ودرجة حرارة البلازما، وطول عمود البلازما…
وقد تحققت النتائج المثلى عندما كانت مسافة القطب 6 سم، ومعدل السريان 4 لتر/دقيقة، والجهد المُطَبَّق 9 كيلو فولت. تحت هذه الظروف، بلغت شدة جذور الهيدروكسيل (OH) قيمة عظمى مقدارها 825.64 ، مع تحقيق القيم التالية: كثافة إلكترونية n_e= 8.72 × 10¹³) سم⁻³(، ودرجة حرارة إلكترونية T_e< 1 )إلكترون فولت)، ودرجة حرارة غاز 〖T 〗_g≈ 30 )درجة مئوية)، وطول عمود بلازما8.5 سم= L_p. كما أثبتت البلازما استقراراً عالياً تحت هذه الظروف.
علاوة على ذلك، تم تقييم أداء النظام (SRE-APHPJ) على عينة حجمها 50 مل من الماء الملوث ببكتيريا E. coli بتركيز عالٍ قدره 〖2.35×10 〗^11 وحدة تكوين مستعمرة/مل (CFU/ml) خلال معالجة لمدة 25 دقيقة. ومن خلال تفاعلات البلازما-السائل، تم توليد أنواع الأكسجين والنيتروجين التفاعلية (ROS/RNS)، بما في ذلك جذور الهيدروكسيل (OH) وأحادي أكسيد النيتروجين (NO) والأكسجين الذري (O)، حيث تم قياس الأخير باستخدام مطيافية الانبعاث البصري الزمنية. اتبع تعطيل البكتيريا حركية ثنائية الطور: حدث انخفاض سريع أولي مقداره 2.7 لوغاريتمي خلال 5 دقائق (من 〖2.35×10 〗^11 إلى 〖4.2×10〗^9 وحدة تكوين مستعمرة/مل)، تبعه طور أبطأ أدى إلى انخفاض إجمالي قدره 4.9 لوغاريتمي (إلى〖4×10〗^2 وحدة تكوين مستعمرة/مل) بعد 25 دقيقة. وتتوافق هذه النتائج بشكل كامل مع الفرضية القائلة بأن التعطيل حدث primarily بسبب التركيز العالي للأنواع الأكسجينية التفاعلية (ROS) عند السطح. وقد أتاح ذلك استخدام ظروف البلازما تحت الحرارية (〖T 〗_g< 40) درجة مئوية، مما قلل من الضرر الحراري للركائز البيولوجية إلى الحد الأدنى. تُعد تقنية SRE-APHPJ تقنية واعدة لتعقيم بكتيريا الإشريكية القولونية العالقة في الماء.
Atmospheric Pressure Plasma Jet to Inactivate Escherichia Coli Bacteria Suspended in Water
Abstract
This study investigates the generation of a cold atmospheric-pressure helium plasma jet (APHPJ) by single-ring electrode (SRE) technology to produce spark control and reactive species generation. It also presents the use of the system for the rapid elimination of Escherichia coli (E. coli) from polluted water. Efficiency studies of plasma system were carried out with an SRE electrode configuration where an aluminum ring electrode is situated axially along a Pyrex tube with two different thicknesses (1 – 3) mm. It was performed at various operational parameters, applying AC voltage (9 kV, 12 kHz) and helium gas flow rate (1-6) L/min for changing the high-voltage electrode position from the end of the Pyrex tube at two cases (1 and 6 cm). With the help of plasma diagnostics such as Optical Emission Spectroscopy (OES) and Boltzmann plot analysis, different plasma parameters such as electron density, electron temperature, plasma temperature, and plasma plume length were calculated.
The best result was achieved when the electrode distance was 6 cm, the flow rate was 4 L/min, and the applied voltage was 9 kV. Under these conditions, the OH radical intensity reached a maximum value of 825.64, electron density (n_e=〖8.72×10〗^13 〖cm〗^(-3)), electron temperature (T_e<1 eV), gas temperature (T_g=30 ℃) interlayer, and plume length(L_P=8.5 cm), and the plasma was proven to be stable.
Additionally, the performance of the SRE-APHPJ was evaluated for 50 ml of E.coli contaminated water (〖235×10〗^10 CFU⁄ml) during a 25-minute treatment. Through plasma-liquid interactions, reactive oxygen/nitrogen species (ROS/RNS), including hydroxyl radicals (OH), nitric oxide (NO) and atomic oxygen (O), were generated and transient OES was used to measure the latter. Inactivation of the bacteria was in the form of biphasic kinetics: a 2.7-log reduction occurred initially within 5 minutes〖235×10〗^10 CFU⁄ml→〖42×10〗^8 CFU⁄ml, followed by a sustained 4.9-log reduction to 〖4×10〗^2 CFU⁄ml at 25 minutes. These Findings are of the inactivation occurred maybe due to the high concentration of ROS at the surface. This was made possible due to the use of sub-thermal plasma conditions (T_g<40℃) minimizing thermal damage to biological substrates. An SRE-APHPJ could be a promising technique for sterilizing bacteria (E. coli) suspended in water.
