一种等离子体活化水的制备及保存方法与流程

本发明属于等离子体领域，具体涉及一种等离子体活化水的制备及保存方法。

背景技术：

近年来，等离子体活化水特殊的理化性质引起越来越多的关注，目前发现等离子体活化水中包含大量如oh·、no3^-、no2^-、onoo^-、h2o2、o3等活性物质，这些活性物种在应用过程中发挥着重要的作用。现有技术制备的等离子体活化水虽然有着快速有效、绿色无害等优点，但是也存在随着放置时间的延长而作用效果明显减弱甚至消失的现象，这一现象大大影响等离子体活化水的应用。为了延长等离子体活化水中部分活性物种的作用时间，使等离子体活化水的应用更加普遍，在这里提供一种对于杀菌、育种、有机物脱除等效果明显且作用时间长的等离子体活化水制备及保存方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种作用效果明显且作用时间长的等离子体活化水制备及保存方法。本发明的技术方案如下：

本发明一方面提供一种等离子体活化水的制备方法，不同于传统等离子体活化水制备方法，所述方法为将工作气体、放电装置与活化液体的同时进行冷却处理；预处理制备活化水所需的液体以及工作气体，同时给放电装置加装温度监测器及冷却系统使等离子体活化水的整体制备环境、过程均为低温条件。首先将待处理的液体(活化液体)进行冷却，使其保持低温，其次，将工作气体进行冷却，并保证气路整体处于低温状态，最后，保持放电装置冷却；所述工作气体的冷却温度为-20℃-0℃；所述放电装置的冷却温度为20℃-0℃；所述活化液体的冷却温度为-20℃-0℃。

基于以上技术方案，优选的，所述活化液体为自来水、蒸馏水、双蒸水、去离子水或超纯水。

基于以上技术方案，优选的，所述工作气体的冷却方式为利用水冷系统或冰块融化将管路内的工作气体冷却。

基于以上技术方案，优选的，所述放电装置的冷却方法为：在所述放电装置外侧加冷却系统。

基于以上技术方案，优选的，所述冷却系统为螺旋环绕的管路；所述管路内通入冷却液体；1、所述放电装置即为等整个等离子活化水产生装置，在放电装置的外侧螺旋环绕冷却管路，然后在螺旋环绕的冷却管路内通入冷却液对等离子体活化液体及外壁石英管进行冷却；2、所述的冷却系统为加装在放电装置中盛装等离子体活化水的容器外侧，利用通入冷却液对反应器及等离子体活化水进行冷却，冷却液使反应器整体处于低温状态。

基于以上技术方案，优选的，所述冷却液由水、防冻剂、添加剂三部分组成，按防冻剂成分不同可分为酒精型、甘油型、乙二醇型等类型的冷却液，实验室配制的冷却液通常不添加添加剂。由于乙二醇易溶于水，可以任意配成各种冰点的冷却液，其最低冰点可达-68℃，所述冷却液为配置比例为乙二醇比水为7：3的乙二醇冷却液，这种冷却液具有沸点高、泡沫倾向低、粘温性能好、防腐和防垢等特点，是一种较为理想的冷却液。无机物中的氯化钙(cacl2)、有机物中的甲醇(ch3oh)、乙醇(c2h5oh，俗名酒精)、乙二醇(c2h4(oh)2，俗名甜醇)、丙三醇(c3h5(oh3，俗名甘油)均可用作冷却液主要组成部分。

为了保证放电装置的冷却效果，在装置内部安装温度监测器，实时监测工作气体、放电装置与等离子体活化液体的温度。所述的温度监测器为加装在放电装置气室内部的温度传感器，对放电装置内部的气体进行温度监测，在放电装置活化过程中，实时监控温度的变化，并作出相应的温度的调整，冷却系统的设计极大降低了等离子体活化液体中活性物种的消耗，保证等离子体活化液体的活性。同时，较低的装置温度可以避免高压电极中的金属材料氧化，减小绝缘材料的受热形变，使得放电状态更加稳定，装置寿命得到有效延长。本专利方法适用于各种放电形式制备的等离子体活化水。(例如：火花放电、射流放电、介质阻挡放电、电晕放电等)。

本发明另一方面提供一种等离子体活化水的保存方法，所述方法为：将制备好的等离子体活化水密封置于-80℃-0℃。所述方法可使等离子体活化水活性保持1-4周，判定方法是取活化水进行杀菌以及活化水中活性物质的含量检测，如果杀菌效果保持稳定则证明其保持住了活性，本发明以细菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等)杀灭率达到99.9％为活性判断依据。实验采用的是微等离子体反应器活化制备的等离子体活化水。

冷却系统的设计可以极大的提升等离子体活化水发生器的使用寿命和其所产生的等离子体活化水中的活性物种浓度。众所周知，等离子体活化水的产生是一个复杂的物理化学过程，而物理化学过程受温度的影响很大：当溶液温度不断升高时，溶液中的物理化学反应速率不断加快。而等离子体活化水中最重要的活性物种为短寿命的自由基与活性粒子，但由于其物理化学性质过于活跃往往不能稳定的存在于溶液中，随着溶液温度的升高，短寿命的活性物种会更快、更多的参与到其他的物理化学反应中，造成活性物种的消耗。通过对工作气体、放电装置与活化液体的三重冷却，可以极大地降低等离子体活化液体中活性物种的消耗，保证等离子体活化液体的活性。同时，较低的装置温度可以避免高压电极中的金属材料氧化，减小绝缘材料的受热形变，使得放电状态更加稳定，装置寿命得到有效延长。

实验中利用杀菌实验验证本发明方法中制备及保存的一种等离子体活化水的活性。下面以等离子体活化水为例，列举了等离子体活化水中活性物种的产生与淬灭机制(1-17)。这些化学反应均容易受到溶液温度的影响，当溶液温度较高时，这些化学反应的反应速率处于较快状态，大量的活性物种被消耗。当溶液温度处于较低状态时，这些化学反应的反应速率得到有效控制甚至暂停，很好的维持了溶液中的活性物种浓度。活性物种的浓度直接决定等离子体活化液体的活性，以等离子体活化水在杀菌消毒领域的应用为例。等离子体活化水中的·oh、onooh、h2o2、o3、o2^-等活性物种可以氧化细胞膜表面的蛋白质，造成细胞氧化应激反应出现，造成细胞代谢过程紊乱，最终细胞中的rna、dna被破坏。因此，保证等离子体活化液体中活性物种的浓度对等离子体活化液体的应用起到了至关重要的作用。

众所周知，在等离子体活化水制备过程中，下述反应是一直进行的，但都受到较强的热的影响，如在杀菌过程中起到重要作用的·oh、onooh、h2o2、no3^-、no2^-等，受热后影响生成反应的正常进行，同时会使·oh、onooh、h2o2、no3^-、no2^-在等离子体活化水中的稳定性大大降低，短寿命活性物种在杀菌中起到重要作用，在杀菌过程中消耗的同时，由于受热影响后生成量较低的情况下，会降低等离子体活化水的杀菌效果，本方法中利用的冷却系统、温度监测器都减少了热对活性物质的产生的影响，延缓了短寿命活性物种的淬灭。

e+n2→2e+n2⁺(1)

e+2o2→o2+o2^-(2)

e+o2→o+o^-(3)

e+h2o→·oh+h^-(4)

·oh+·oh→h2o2(5)

o^-+o3→2o2+e(6)

h^-+o2→ho2+e(7)

o^-+h2o→oh+oh^-(8)

n2⁺+o2→n2+o2⁺(9)

o2^-+o2+m→o4^-+m(10)

o4^-+n2→o2^-+o2+n2(11)

n2o5+no+→2no2+no2⁺(12)

no+no2+→no2+no⁺(13)

no2+no2^-→no+no3^-(14)

o3+no2^-→no+no3^-(15)

o2^-+o3→o3+o2+e(16)

h2o2+h++no2^-→onooh+h2o(17)

有益效果

1、通过对工作气体、放电装置与活化液体的三重冷却，可以极大降低等离子体活化液体中活性物种的消耗，保证等离子体活化液体的活性。同时，较低的装置温度可以避免高压电极中的金属材料氧化，减小绝缘材料的受热形变，使得放电状态更加稳定，装置寿命得到有效延长。

2、本发明方法适用于各种放电形式制备的等离子体活化水，例如火花放电、射流放电、介质阻挡放电、电晕放电等。本实验采用的是微等离子体反应器活化制备的等离子体活化水，本发明方法中所述等离子体活化水的制备来源不仅仅是微等离子体反应器，同样适用于各类放电形式产生的等离子体制备的等离子体活化水。

3、在放电条件相同的情况下，制备的等离子体活化水在-80℃-0℃可以保存更长的时间，在约1-4周内作用效果保持不变。在0℃下保存的等离子体活化水中活性物质的含量随时间的延长而逐渐降低，1周后杀菌效果维持不变，在-80℃下保存的等离子体活化水中的活性物种的含量在4周内保持稳定，4周后杀菌效果维持不变。

附图说明

图1为本发明所使用的等离子体活化水制备及保存系统图；

图2为本发明所使用的等离子体活化水制备装置结构图。

具体实施方式

等离子体活化水的制备：

利用如图1所示系统图进行等离子体活化水的制备及保存。在制备等离子体活化水的过程中，首先将待处理的液体(如：自来水、蒸馏水、双蒸水、去离子水、超纯水等)进行冷却，使其保持低温(实验中选取的温度-20℃-50℃区间内)；其次，将工作气体进行冷却，并保证气路整体处于低温状态；最后，在等离子体活化液体产生区域外侧加装冷却系统，在螺旋环绕的冷却系统内通入体积比为7:3的乙二醇和水作为冷却液对等离子体活化液体及外壁石英管进行冷却。为了保证装置的冷却效果，在装置内部安装温度监测器，实时监测工作气体、放电装置与等离子体活化液体的温度。

采用图2所示的装置进行等离子体活化水的制备，交流/脉冲驱动金属电极(ac：峰-峰值4-20kv，频率300hz-50khz；脉冲：峰值1-25kv，频率10hz-20khz，脉宽10ns-10ms)，使金属电极前端的工作气体离化，工作气体主要为空气，可附加0.5％-30％的he2、ar2、n2、o2等辅助气体，来改善放电能耗、溶液中活性物种浓度和溶液的ph值，气体流速控制在0.2-15slm，可通过质量流量控制计进行流速控制及比例调节，离化后的气体经介质管后注入溶液中与溶液混合形成放电活化水，其中气体离化率可通过改变放电电压、放电时间、气体组成与驱动电源进行控制，由气孔流入，去离子水溶液500ml加至介质管内，放电加电压时长5min，进行1次去离子水放电活化处理获得500ml放电活化水溶液。同时在制备等离子体活化水过程中，将向等离子体活化水制备装置内部的气室安装温度监测器，监测通入等离子体活化水制备装置内气体温度的变化，保持通入的气体温度也保持在0℃±2℃。

本实验以微等离子体射流阵列装置制备等离子体活化水为例(图2)，但是本发明方法适用于各种放电形式的装置制备等离子体活化水，本发明使用的等离子活化水的制备装置采用专利cn106535454b中说明书记载的装置。

活性判断实验：本发明选用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行活性验证，肠杆菌和金黄色葡萄球菌低温保存，大肠杆菌55℃经过60min、或者60℃加热15min仍有部分细菌存活，金黄色葡萄球菌70℃加热1h，或者80℃加热30min不被杀死，耐低温。

实施例1

大肠杆菌杀灭实验：

取浓度为10⁹cfu/ml的原始菌液1ml与99ml的无菌水混合，配制为实验所需的浓度为10⁷cfu/ml的菌液，利用等离子体放电装置制备40ml等离子体活化水，待处理的液体温度分别为0、10、20、50℃，放电时长分别为0s、30s、1min、4min、8min，活化水制备完成后，取1ml活化水与1μl菌液于体积为2ml的无菌离心管内震荡混合均与，取混合后的液体300μl涂板观察，将平板置于37℃恒温培养箱内培养，培养周期24小时。

表1经不同温度条件下的等离子体活化水处理后的大肠杆菌生长状况

如表1所示，即在原始水温不同的情况下，温度越低，则等离子体活化水的杀菌效果越好。

取浓度为10⁹cfu/ml的原始菌液1ml与99ml的无菌水混合，配制为实验所需的浓度为10⁷cfu/ml的大肠杆菌菌液，利用放置于室温内的不同温度条件下制备的等离子体活化水，分别取1ml于室温内放置7天的活化水与1μl菌液于体积为2ml的无菌离心管内震荡混合均与，取混合后的液体300μl涂板观察，将平板置于37℃恒温培养箱内培养，培养周期24小时，其结果如表2所述。

表2室温放置7天不同温度条件下的等离子体活化水处理后大肠杆菌生长状况

取浓度为10⁹cfu/ml的原始菌液1ml与99ml的无菌水混合，配制为实验所需的浓度为10⁷cfu/ml的大肠杆菌菌液，利用放置于0℃冰箱内的不同温度条件下制备的等离子体活化水，分别取1ml于冰箱内放置7天的活化水与1μl菌液于体积为2ml的无菌离心管内震荡混合均与，取混合后的液体300μl涂板观察，将平板置于37℃恒温培养箱内培养，培养周期24小时，其结果如表3所述。

表30℃放置7天不同温度条件下的等离子体活化水处理后大肠杆菌生长状况

通过表2、3的对比，在0℃冰箱内密封放置的等离子体活化水，经过7天后，保持在条件不变的情况下，温度越低，等离子体活化水的杀菌效果越好规律，且延长了活化水的寿命。

实施例2

金黄色葡萄球菌杀灭实验：

取浓度为10⁹cfu/ml的原始菌液1ml与99ml的无菌水混合，配制为实验所需的浓度为10⁷cfu/ml的金黄色葡萄球菌菌液，利用等离子体放电装置制备40ml等离子体活化水，待处理的液体温度分别为0、10、20、50℃，电时长分别为0s、30s、1min、4min、8min，活化水制备完成后，取1ml活化水与1μl菌液于体积为2ml的无菌离心管内震荡混合均与，取混合后的液体300μl涂板观察，将平板置于37℃恒温培养箱内培养，培养周期24小时，其结果如表4所述。

表4经不同温度条件下的等离子体活化水处理后的金黄色葡萄球菌生长状况

如表4所示，即在原始水温不同的情况下，温度越低，则等离子体活化水的杀菌效果越好。

取浓度为10⁹cfu/ml的原始菌液1ml与99ml的无菌水混合，配制为实验所需的浓度为10⁷cfu/ml的金黄色葡萄球菌菌液，利用放置于室温内的不同温度条件下制备的等离子体活化水，分别取1ml于室温内放置7天的活化水与1μl菌液于体积为2ml的无菌离心管内震荡混合均与，取混合后的液体300μl涂板观察，将平板置于37℃恒温培养箱内培养，培养周期24小时。其结果如表5所述。

5室温放置7天不同温度条件下的等离子体活化水处理后金黄色葡萄球菌生长状况

取浓度为10⁹cfu/ml的原始菌液1ml与99ml的无菌水混合，配制为实验所需的浓度为10⁷cfu/ml的金黄色葡萄球菌菌液，利用放置于0℃冰箱内的不同温度条件下制备的等离子体活化水，分别取1ml于冰箱内放置7天的活化水与1μl菌液于体积为2ml的无菌离心管内震荡混合均与，取混合后的液体300μl涂板观察，将平板置于37℃恒温培养箱内培养，培养周期24小时，其结果如表6所述。

表60℃放置7天不同温度条件下的等离子体活化水处理后金黄色葡萄球菌生长状况

通过表5、6的对比，在0℃冰箱内密封放置的等离子体活化水，经过7天后，保持在条件不变的情况下，温度越低，等离子体活化水的杀菌效果越好规律，且延长了活化水的寿命。

因此，在等离子体活化水产生过程中，我们建议使用低温(0℃±2℃)液体作为待处理的液体，同时保存温度建议为(-80℃-0℃)。

上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明的指导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。