等离子体活化水制备装置的制作方法

1.本技术涉及活化水制备技术领域，特别是涉及一种等离子体活化水制备装置。


背景技术：

2.等离子体活化水(plasma activated water,paw)是对等离子体处理过的蒸馏水、生理盐水以及自来水的一种统称。等离子体在于这些液体相互作用的过程中，一方面自身放电过程产生的o3、no2等产物直接扩散溶解于水中,产生h
+
、no
2-、no
3-等稳定粒子，另一方面水分子也会参与放电反应，产生
·
oh这种短寿命强氧化性自由基，并最终转化为h2o2。paw中的这些具有氧化性粒子还会进一步发生反应生成诸如onooh的强氧化物质，使得paw在杀菌消毒领域具有很强的应用前景。
3.已有研究表面paw中h
+
、no
2-和h2o2三种粒子的浓度越高，paw杀菌效果越好，因此提高paw中这三种粒子的浓度是提高paw杀菌效果的关键。现有的paw制备装置大多都是利用介质管形式的介质阻挡放电(dbd)形式在空气中放电产生等离子体，再利用抽气件将放电后的产物通入水中。为了提高paw的制备效率，许多人提出了采用多管放电阵列的方式。
4.然而在空气中采用多管阵列的方式尽管可以提高paw中h
+
、no
2-的浓度，但是对于h2o2浓度增加所起到的作用十分有限，所制备的paw杀菌主要依靠酸性环境，杀菌效果有限，并且传统的paw的制备效率比较低，难以满足目前市场需求。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对传统等离子体活化水制备无法高效制备等离子体活化水的问题，提供一种高效制备的等离子体活化水制备装置。
6.一种等离子体活化水制备装置，包括气相放电组件、气液混相放电组件以及容器，所述容器用于盛放待处理溶液；所述气液混相放电组件与所述待处理溶液形成气液交界面；
7.所述气相放电组件电离空气，产生空气等离子体，所述空气等离子体传输至所述待处理溶液；所述气液混相放电组件在所述气液交界面发生电离。
8.在其中一个实施例中，所述气相放电组件包括抽气件、绝缘介质容器以及电极，所述绝缘介质容器开设有电离气体出气口和进气口；
9.所述电极插入所述绝缘介质容器内，所述抽气件的进气端与大气连接，所述抽气件的出气端与所述绝缘介质容器的进气口连接，所述电极电离空气，产生空气等离子体，所述空气等离子体通过所述电离气体出气口传输至所述待处理溶液。
10.在其中一个实施例中，所述气相放电组件还包括第一驱动电源，所述第一驱动电源与所述电极连接。
11.在其中一个实施例中，所述气相放电组件还包括第一多孔气泡件，所述第一多孔气泡件设置于所述绝缘介质容器的电离气体出气口。
12.在其中一个实施例中，所述气液混相放电组件包括绝缘件以及电极阵列，所述电
极阵列设置于所述绝缘件，所述电极阵列与所述待处理溶液形成气液交界面，所述电极阵列在所述气液交界面发生电离。
13.在其中一个实施例中，所述气液混相放电组件还包括第二驱动电源，所述第二驱动电源与所述电极阵列连接。
14.在其中一个实施例中，所述气液混相放电组件包括抽水件、气液混相电离槽以及高压电极；
15.所述抽水件的进水口与所述容器连接，所述抽水组件的出水口与所述气液混相电离槽连接，所述气液混相电离槽开设有出水口；
16.所述抽水组件抽取所述容器内的所述待处理溶液至所述气液混相电离槽，所述高压电极与所述气液混相电离槽中的待处理溶液形成气液交界面，所述高压电极在所述气液交界面发生电离，电离后的溶液通过所述气液混相电离槽的出水口回流至所述容器。
17.在其中一个实施例中，上述等离子体活化水制备装置还包括容器盖、通气管以及挡板件，所述容器盖上开设有第一出气口和第二出气口，所述挡板件的一端与所述容器盖连接，所述挡板件的另一端插入所述容器且处于所述待处理溶液接触，所述第一出气口和所述第二出气口分别设置于所述挡板件的两侧，所述第一出气口处于靠近所述气液混相放电组件的一侧，所述第二出气口处于远离所述气液混相放电组件的一侧；所述通气管的一端与所述第一出气口连接，所述通气管的另一端插入所述待处理溶液。
18.在其中一个实施例中，上述等离子体活化水制备装置还包括第二多孔气泡件，所述第二多孔气泡件与所述通气管插入所述待处理溶液的一端连接。
19.在其中一个实施例中，上述等离子体活化水制备装置还包括地电极，所述地电极设置于所述容器的底部。
20.上述等离子体活化水制备装置包括气相放电组件、气液混相放电组件以及容器，容器内盛放有待处理溶液，气相放电组件电离空气，产生空气等离子体，这些空气等离子体传输至待处理溶液，逐步溶解到待处理溶液中，在待处理溶液中生成h
+
、no
2-和no
3-；气液混相放电组件在气液交界面发生电离，此时会在气液交界面的液体中产生大量的h2o2。整个过程中，通过气相放电和气液混相放电的组合的方案同时产生大量的气体等离子(包括h
+
、no
2-和no
3-等)和大量的h2o2，可以显著提升等离子体活化水制备效率。
附图说明
21.图1为一个实施例中等离子体活化水制备装置的模块示意图；
22.图2为一个实施例中等离子体活化水制备装置的结构示意图；
23.图3为一个实施例中气液混相放电组件结构示意图；
24.图4为一个应用实例中等离子体活化水制备装置的结构示意图；
25.图5为另一个应用实例中等离子体活化水制备装置的结构示意图。
26.具体实施方式中的附图标号如下：
27.气相放电组件100、气液混混相放电组件200、容器300；
28.待处理溶液a、抽气件120、绝缘介质容器140、电极160、第一驱动电源170、第一多孔气泡件180、绝缘件220、电极阵列240、抽水件250、气液混相电离槽260、高压电极270、第二驱动电源280、容器盖400、通气管500、挡板件600；
29.第一驱动电源1、第二驱动电源2、气泵3、介质管4、高压棒电极5、高压绝缘板6、金属针电极阵列7、第一出气口8、第二出气口9、气泡盘10、气泡石11、挡板12、容器13、待处理溶液14、第一空气等离子体15、第二部分空气等离子体16、介质包裹地电极17、抽水泵18、气液混相电离槽19、高压棒电极20、绝缘介质21。
具体实施方式
30.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
31.如图1所示，本技术一种等离子体活化水制备装置，包括气相放电组件100、气液混相放电组件200以及容器300，容器300用于盛放待处理溶液a；气液混相放电组件200与待处理溶液a形成气液交界面；气相放电组件100电离空气，产生空气等离子体，空气等离子体传输至待处理溶液a；气液混相放电组件200在气液交界面发生电离。
32.容器300用于盛放待处理溶液a。容器300的形状、尺寸等可以根据实际情况的需求设定，容器300具体可以绝缘材质制成，例如玻璃、陶瓷等。进一步的，容器300可以包含容器盖400，这样电离后的空气等离子体可以在容器300内留存更久的时间，从而可以进一步充分溶解到待处理溶液a中。待处理溶液a具体是水溶液，空气等离子体进入到水溶液中后会溶解生成h
+
、no
2-和no
3-。进一步，在容器300底部还可以设置有绝缘介质包裹的地电极。
33.气相放电组件100用于电离空气，具体是通过高压电电离空气。具体来说，可以给放置于空气中高压棒电极施加高压电，高压棒电极将周围空气击穿，产生空气等离子。在放电的同时o3、no和no2，在气流作用下进入到待处理溶液a中，这些气体以及空气等离子在待处理溶液a中生成h
+
、no
2-和no
3-。
34.气液混相放电组件200与待处理溶液a形成气液交界面，气液交界面是指空气与液体(待处理溶液a)交界的界面，可以简单理解为空气与液体的接触界面。在实际应用中，气液混相放电组件200可以非常接近待处理溶液a，但是并不直接与待处理溶液a接触，即气液混相放电组件200与待处理溶液a之间还存在非常细小间隙。气液混相放电组件200在气液交界面发生电离，即电离空气生成大量的空气等离子，这些空气等离子聚集在气液交界面区域(气液混相放电组件200与待处理溶液a之间的区域)，在放电的同时在气液交界面的待处理溶液a中产生大量的h2o2。进一步的，气液混相放电组件200可以包括放电的电极阵列，多个电极组合形成电极阵列，例如可以是多个金属针电极组成金属针电极阵列，由于电极阵列中包含多个电极，多个电极同时发生电离反应，可以提高电离效率，短时间内电离释放出大量的空气等离子体。
35.上述等离子体活化水制备装置包括气相放电组件100、气液混相放电组件200以及容器300，容器300内盛放有待处理溶液a，气相放电组件100电离空气，产生空气等离子体，这些空气等离子体传输至待处理溶液a，逐步溶解到待处理溶液a中，在待处理溶液a中生成h
+
、no
2-和no
3-；气液混相放电组件200在气液交界面发生电离，此时会在气液交界面的液体中产生大量的h2o2。整个过程中，通过气相放电和气液混相放电的组合的方案同时产生大量的气体等离子(包括h
+
、no
2-和no
3-等)和大量的h2o2，可以显著提升等离子体活化水制备效率。
36.如图2所示，在其中一个实施例中，气相放电组件100包括抽气件120、绝缘介质容器140以及电极160，绝缘介质容器140开设有电离气体出气口和进气口；电极插入绝缘介质容器140内，抽气件120的进气端与大气连接，抽气件120的出气端与绝缘介质容器140的进气口连接，电极电离空气，产生空气等离子体，空气等离子体通过绝缘介质容器140的电离气体出气口传输至待处理溶液a。
37.抽气件120用于抽取空气到绝缘介质容器140内，抽气件120具体可以为气泵等，其可以电动气泵或手动气泵，其将空气从外界抽取到绝缘介质容器140内。绝缘介质容器140是由绝缘材料制成的容器300，例如石英玻璃或陶瓷制成，其具体可以石英玻璃管或陶瓷管；绝缘介质容器140用于提供高压电离的场所，绝缘介质容器140开设有电离气体出气口和进气口，其中进气口是与抽气件120连接，用于接收抽气件120输送的空气，电离气体出气口是用于释放电离后的空气等离子体，在应用时，电离气体出气口插入至待处理溶液a中，空气等离子体直接传输至待处理溶液a中。电极160具体是金属电极，例如可以为金属高压棒电极，金属高压棒电极具体可以为不锈钢棒、钨棒等耐腐蚀、耐烧蚀金属棒；电极160插入至绝缘介质容器140内，在电极施加有高压电时，在绝缘介质容器140内发生高压电离现象，电极与绝缘介质容器140内壁之间的空气间隙击穿，产生空气等离子，在放电同时还产生o3、no和no2，在气流作用下进入到待处理溶液a中，这些气体以及空气等离子在待处理溶液a中生成h
+
、no
2-和no
3-。
38.进一步的，气相放电组件100还包括第一驱动电源170，第一驱动电源170与电极160连接。第一驱动电源170用于给电极施加高压电，具体来说，第一驱动电源170为输出频率在khz到几十khz范围、输出电压幅值范围在数kv到几十kv之间的交流高压电源或脉冲直流高压电源。在实际应用中，第一驱动电源170输出电压的选择与电极160和绝缘介质容器140之间的气隙宽度有关，其需要选择满足击穿该气隙的电压。一般气隙间隙都在几毫米左右，气隙越大，起始放电所需电压越高。
39.在其中一个应用实例中，上述抽气件120为气泵，绝缘介质容器140为石英玻璃或陶瓷等绝缘材料制成的介质管，电极为高压棒电极，气泵将周围空气吸入介质管，再经过电离子气体出气口通入待处理溶液a中。高压棒电极与第一驱动电源170的高压输出端相连，当在高压棒电极上施加足够高的交流高压或脉冲直流高压后，会将高压棒电极和介质管之间的环形空气气隙击穿，产生空气等离子体，放电同时的产生o3、no和no2在气流作用下进入待处理溶液a中，在水中生成h
+
、no
2-和no
3-。
40.如图2所示，在其中一个实施例中，气相放电组件100还包括第一多孔气泡件180，第一多孔气泡件180设置于绝缘介质容器140的电离气体出气口。
41.第一多孔气泡件180用于增大空气与待处理溶液a接触面积，以加速、加强等离子气体在待处理溶液a中的溶解。具体来说，气体(包括等离子体)通过多孔气泡件冒出时，形成大量的气泡，这些气泡中的气体充分与待处理溶液a接触、溶解。第一多孔气泡件180具体可以为气泡石。
42.如图2所示，在其中一个实施例中，气液混相放电组件200包括绝缘件220以及电极阵列240，电极阵列240设置于绝缘件220，电极阵列240在气液交界面发生电离。
43.绝缘件220用于实现高压电绝缘，避免发生意外。电极阵列240用于在高压电环境下对气液交界面发生电离，电极阵列240具体可以为金属针电极阵列，对金属针电极阵列
240施加高压电，金属针电极阵列的针尖与待处理溶液a的液面之间区域(气液交界面区域)产生空气等离子体，放电同时会在气液交界面的液体中产生大量h2o2。进一步的，电极阵列240可以是固定于绝缘件220的。
44.如图2所示，在其中一个实施例中，气液混相放电组件200还包括第二驱动电源280，第二驱动电源280与电极阵列240连接。第二驱动电源280用于给电极阵列240施加高压电，具体来说，第二驱动电源280为输出频率在khz到几十khz范围、输出电压幅值范围在数kv到几十kv之间的交流高压电源或脉冲直流高压电源。
45.如图3所示，在其中一个实施例中，气液混相放电组件200包括抽水件250、气液混相电离槽260以及高压电极270；抽水件250的进水口与容器300连接，抽水组件的出水口与气液混相电离槽260连接，气液混相电离槽260开设有出水口；抽水组件抽取容器300内的待处理溶液a至气液混相电离槽260，高压电极270与气液混相电离槽260中的待处理溶液a形成气液交界面，高压电极270在气液交界面发生电离，电离后的溶液通过气液混相电离槽260的出水口回流至容器300。
46.本实施例中气液混相放电组件200采取另外一种结构，其具体包括抽水件250、气液混相电离槽260以及高压电极270，抽水件250用于将容器300内的待处理溶液a抽取至气液混相电离槽260中，高压电极270与气液混相电离槽260中的待处理溶液a形成气液交界面，高压电极270在高压电环境下在气液交界面上发生电离，产生气体等离子，并且放电同时会在气液交界面的液体中产生大量的h2o2，电离后的溶液通过气液混相电离槽260的出水口回流至容器300。具体来说，抽水件250可以为水泵，气液混相电离槽260可以为远离进水口一侧的底部开设有排水口的水槽，高压电极270可以为绝缘介质包裹的高压棒电极，水泵通电启动，将容器300内待处理溶液a抽取至水槽内，并且控制进水量确保页面与高压棒电极下沿的距离在几毫米范围内，在高压棒电极上施加合适电压后，在水槽液面(气液交界面)产生空气等离子体，在水槽液面液体中产生大量的h2o2，该电离后的溶液再通过排水口排出到容器300内。
47.如图2所示，在其中一个实施例中，上述等离子体活化水制备装置还包括容器盖400、通气管500以及挡板件600，容器盖400上开设有第一出气口和第二出气口，挡板件600的一端与容器盖400连接，挡板件600的另一端插入容器300且处于待处理溶液a接触，第一出气口和第二出气口分别设置于挡板件600的两侧，第一出气口处于靠近气液混相放电组件200的一侧，第二出气口处于远离气液混相放电组件200的一侧；通气管500的一端与第一出气口连接，通气管500的另一端插入待处理溶液a。
48.容器盖400是指设置于容器300上端开口的盖子，其可以与容器300构成一个相对密封的环境，以将电离产生的空气等离子体留存在容器300内，以增加空气等离子体与待处理溶液a的接触、溶解时间，进一步提高活化水制备效率。通气管500是用于形成一个“回流”的回路，以将电离产生的空气等离子体再次回流到容器300中的待处理溶液a中进行二次溶解。挡板件600是用于阻挡电离产生的空气等离子直接通过第二出气口“排出”到大气中，挡板件600的一端与容器盖400连接，具体可以是固定连接，挡板件600的另一端插入(没入)待处理溶液a内(具体可以距离容器300底部1～2cm的位置)，这样就阻隔了容器300上部分空气(包含大量空气等离子体)直接通过第二出气口“排出”到大气中。进一步的，在通气管500插入待处理溶液a的一端还设置有第二多孔气泡件700，第二多孔气泡件700的功能有第一
多孔气泡件的结构类似，在此不再赘述，其同样可以为气泡石。
49.在实际应用中，放电过程中，通入待处理溶液a的气体以及液面上方产生气体会通过第一出气口
→
管道
→
第二出气口再次进入气泡石中进行二次溶解，最后又第二出气口排到外部环境中。容器300中的挡板用于减少由气泵通入待处理溶液a中的气体第二出气口中直接排出。
50.为详细说明本技术等离子体活化水制备装置的技术方案，下面将采用具体应用实例详细描述整个装置的组成及其工作功能。
51.如图4所示，本技术等离子体活化水制备装置包括第一驱动电源1、第二驱动电源2、气泵3、介质管4、高压棒电极5、气泡盘10、介质包裹地电极17、容器13、待处理溶液14、高压绝缘板6、金属针电极阵列7、通气管、挡板12、气泡石11、容器盖、容器盖上开设有第一出气口8和第二出气口9，第一出气口8靠近气液混相放电组件设置，待处理溶液14为水溶液。整个工作过程如下：
52.气泵3将周围空气吸入介质管4，再经过气泡盘10通入待处理溶液14中。高压棒电极5与第一驱动电源1的高压输出端相连，当在高压棒电极5上施加足够高的交流高压或脉冲直流高压后，会将高压棒电极5和介质管4之间的环形空气气隙击穿，产生第一部分空气等离子体15，放电同时的产生o3、no和no2在气流作用下经气泡盘10进入水溶液中，在水中生成h+、no2-和no3-。优选地，第一驱动电源1输出频率在khz到几十khz范围，输出电压幅值范围在数kv到几十kv之间的交流高压电源或脉冲直流高压电源；优选地，介质管4为石英玻璃管或陶瓷管；优选地，高压棒电极5为不锈钢棒、钨棒等耐腐蚀、耐烧蚀金属棒；第二驱动电源2、高压绝缘板6、金属针电极阵列7和介质包裹地电极17共同组成气液混相放电系统。具体地，第二驱动电源2的高压输出端与金属针电极阵列7相连，金属针电极阵列7经过高压绝缘板6固定在水箱的上盖板上，当金属针电极阵列7上施加足够高的电压后，会在针尖与液面之间区域产生第二部分空气等离子体16，放电同时会在气液交界面的液体中产生大量的h2o2。放电过程中，通入水溶液的气体以及液面上方产生气体会通过第一出气口8由管道再次进入气泡石11中进行二次溶解，最后又第二出气口9排到外部环境中。水箱中的挡板12用于减少由气泵3通入水溶液中的气体从第二出气口9中直接排出。
53.如图5所示，本技术等离子体活化水制备装置包括第一驱动电源1、第二驱动电源2、气泵3、介质管4、高压棒电极5、气泡盘10、介质包裹地电极17、容器13、待处理溶液14、抽水件18、气液混相电离槽19、绝缘介质21包裹的高压棒电极20、通气管、挡板12、气泡石11、容器盖、容器盖上开设有第一出气口8和第二出气口9，第一出气口8靠近气液混相放电组件设置，待处理溶液14为水溶液。整个工作过程如下：
54.气泵3将周围空气吸入介质管4，再经过气泡盘10通入待处理溶液14中。高压棒电极5与第一驱动电源1的高压输出端相连，当在高压棒电极5上施加足够高的交流高压或脉冲直流高压后，会将高压棒电极5和介质管4之间的环形空气气隙击穿，产生空气等离子体，放电同时的产生o3、no和no2在气流作用下经气泡盘10进入水溶液中，在水中生成h+、no2-和no3-。优选地，第一驱动电源1输出频率在khz到几十khz范围，输出电压幅值范围在数kv到几十kv之间的交流高压电源或脉冲直流高压电源；优选地，介质管4为石英玻璃管或陶瓷管；优选地，高压棒电极5为不锈钢棒、钨棒等耐腐蚀、耐烧蚀金属棒；第二驱动电源2、高压绝缘板6、金属针电极阵列7和介质包裹地电极17共同组成气液混相放电系统。具体地，第二
驱动电源2的高压输出端与绝缘介质32包裹的高压棒电极20相连，水泵18启动从容器13内抽取水溶液面上方的、气液混相电离槽19中、气液混相电离槽19上方固定有绝缘介质21包裹的高压棒电极20，控制进水量确保液面与高压棒电极20下沿的距离在几毫米范围内，施加合适的电压后，在水槽液面上方产生第二部分空气等离子体16，放电后的液体再回流到下方容器13中。放电过程中，通入水溶液的气体以及液面上方产生气体会通过第一出气口8由管道再次进入气泡石11中进行二次溶解，最后又第二出气口9排到外部环境中。水箱中的挡板12用于减少由气泵3通入水溶液中的气体从第二出气口9中直接排出。
55.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
56.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。