Development of Multi-Hole Atmospheric Pressure Plasma Jet for Seed Treatment

Abstract

The purpose of this research is to develop the multi-hole atmospheric pressure plasma jet (APPJ) for improving seed germination and growth. In this research, Solid work was used to design gas flow simulation inside the plasma source. The simulated results show that gas velocity decreases when arriving at the layer of the gas distributor. After that gas will be injected to the detain layer with the highest pressure before releasing into the nozzle. At this point, the velocity of gas will increase under the high electric field and hih frequency. Using the appropriate gas distributor resulted in uniform gas flow with no amphibious point. After testing, we found that it works very well for more easily discharge with the argon injection. There are the argon plasma beam come out every hole and no arcing. Moreover, the plasma head was connected to the x-y-z scanner for controlling the plasma beam passing thoroughly with the seed. The length of the plasma beam is around 10 mm. The argon flow rates of 200, 250, 300, and 350 L/h were used to evaluate the optimum condition for stable discharge. It founds that the AC power of 893 W and frequency of 52 kHz with the argon flow rate of 250 L/h is the suitable condition for the stable discharge. The mung bean seed was used to study the effect of plasma treatment. The experimental results show that the treated and untreated seed have different seed growth. Treated seed give a higher growth rate than the control around 18 %. This is due to the effect of oxygen and humid radicals in plasma which can increase the surface free energy of seed coat. As a result, the treated seed can absorb oxygen and moisture from the environmental higher than untreated seed.

ในงานวิจัยนี้ได้ทำการพัฒนาหัวกำเนิดพลาสมาเจ็ตแบบหลายรูสำหรับปรับปรุงเมล็ดพันธุ์ที่ความดันบรรยากาศ เพื่อเพิ่มอัตราการงอกและอัตราการโตของต้นกล้า ผลการออกแบบและจำลองการไหลของแก๊สโดยใช้โปรแกรม Solid Work พบว่าแก๊สที่ไหลเข้าไปในแผ่นกระจายแก๊สจะมีความเร็วลดลง จากนั้นจึงไหลเข้าไปในชั้นกักแก๊สและมีความเร็วลดลงต่ำสุด (ความดันแก๊สมีค่าสูงสุด) ก่อนถูกดันเข้าไปในท่อหัวฉีด ซึ่งแก๊สจะมีความเร็วเพิ่มขึ้นอีกครั้งขณะไหลผ่านบริเวณที่มีสนามไฟฟ้าสูงและความถี่สูง การใช้แผ่นกระจายแก๊สที่เหมาะสมจะทำให้ไม่เกิดจุดสะเทินภายในชั้นกักแก๊ส ส่งผลให้ความเร็วแก๊สที่ไหลผ่านท่อหัวฉีดมีการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ แก๊สอาร์กอนถูกใช้เป็นแก๊สตั้งต้นในการจุดพลาสมา พบว่าพลาสมาติดได้ดีครบทุกรูและไม่เกิดการอาร์คขณะเคลื่อนที่ผ่านเมล็ดพันธุ์ โดยหัวพลาสมาถูกยึดติดกับเครื่องสแกน x-y-z เพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของแนวลำพลาสมาเจ็ตให้กวาดผ่านเมล็ดพันธุ์อย่างทั่วถึงมากขึ้น ลำพลาสมามีความยาวสูงสุดประมาณ 10 mm เมื่อทดสอบที่อัตราการไหลของแก๊สอาร์กอนต่างกัน คือ 200 250 300 และ 350 L/h พบว่าอัตราการไหลของแก๊สอาร์กอนและกำลังไฟฟ้าที่ทำให้พลาสมาติดอย่างอย่างต่อเนื่องและสม่ำเสมอมากที่สุด คือที่อัตราการไหลของแก๊สเท่ากับ 250 L/h และที่กำลังไฟฟ้าเท่ากับ 893 W ความถี่ 52 kHz ผลการประยุกต์ใช้พลาสมาเจ็ตฯ ที่ออกแบบและสร้างขึ้นเองได้นำมาทดสอบทรีตเมล็ดพันธุ์ถั่วเขียว พบว่าเมล็ดถั่วเขียวที่ผ่านการทรีตด้วยพลาสมามีอัตราการโตในช่วง 4 วันแรกสูงกว่าเมล็ดควบคุม 18 % ซึ่งน่าจะเป็นผลจากอนุมูลอิสระของออกซิเจนและความชื้นในพลาสมาเข้าไปทำอันตรกิริยากับเปลือกหุ้มเมล็ด ทำให้เมล็ดชอบน้ำมากขึ้น จึงสามารถดูดซับแก๊สออกซิเจนและความชื้นจากสภาพแวดล้อมได้ดีกว่าเมล็ดที่ไม่ผ่านการทรีตด้วยพลาสมา