一种等离子体活化水制备装置和方法

本发明涉及等离子体活化水制备领域，特别是涉及一种等离子体活化水制备装置和方法。

背景技术：

1、等离子体活化水是一种具有极高氧化性和环境友好的活性剂。它是模拟自然界中雷电与水雾(或水)相互作用的自然现象产物，可在实验室使用高压气体放电处理水制备而成。等离子体与水相互作用过程实现了将放电产生的氧和氮活性物种存储于水中，延长了其寿命。利用空气放电制备活化水的方法主要包括直接等离子体处理和间接等离子体处理两种方法。其中，直接等离子体处理是在水面上或水中产生空气等离子体，直接与水相互作用，实现水的活化。间接等离子体处理是采用大气压空气放电形成的尾气与水相互作用，从而实现水的活化。在直接等离子体处理方法中，由于空气放电在水面产生，等离子体产生的长寿命氧和氮活性物种(o3、no、no2、n2o5、n2o4、h2o2、hno2等)和短寿命氧和氮活性物种(oh、o、ho2、onooh、o2(a1δg)、o2-、o3-、no2-、h2o-、e等)物种均可与水相互作用。然而间接等离子体处理模式下，只有长寿命的氧和氮活性物种与水发生反应。因此，与间接等离子体处理方法相比，直接等离子体处理方法不但实现了高活性的短寿命氧和氮活性物种与水有效相互作用，显著提高水中氧和氮活性物种浓度，增强等离子体活化水活性，也可能大幅提高能量利用效率，可以高效制备等离子体活化水。

2、然而，申请人发现，目前鲜有直接等离子体活化水制备装置，且传统的等离子体活化水存在如下缺陷：(1)传统的等离子体活化水装置均是采用间接等离子体处理，利用尾气对水进行活化，该种方式只能利用到等离子体放电产生的长寿命活性物种，导致等离子体活化水的杀菌效率低，能量利用率低；(2)传统的等离子体活化水制备装置仍处于尾气与水相互作用，不属于等离子体与水相互作用，使得等离子体产生的大量强氧化性的短寿命活性物种无法与水相互作用，且等离子体与水的接触面积也在极大程度上制约活化水的效果；(3)传统的等离子体活化水制备方法鲜有考虑水温对于等离子体活化水活性的影响，已知等离子体活化水的生成方式来自于等离子体与水的气液相互作用，亨利常数对于气相活性物种溶于水至关重要。另一方面，等离子体活化水的有效时间受水内活性物种的复合反应影响，复合反应的速率受温度影响。

3、因此，急需开发新的等离子体活化水制备装置及方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术的问题，本发明提供一种等离子体活化水制备装置和方法，解决了现有技术中采用间接等离子体制备活化水能量利用效率低和活化水应用中效率低的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种等离子体活化水的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、(1)将待处理液体通过冷藏设备降低温度至≤4℃；

5、(2)将步骤(1)得到的待处理液体用等离子体处理，且处理时利用水浴法(热交换原理)控制待处理液体的温度≤4℃。

6、根据一个优选实施方式，所述待处理液体为蒸馏水、去离子水、生理盐水或自来水。

7、根据一个优选实施方式，产生等离子体的工作气体为空气、氦气、氩气、氮气、氧气、或氮氧混合气。

8、根据一个优选实施方式，所述等离子体活化水的制备方法，优选包括如下步骤：

9、(1)将等离子体反应器以及待处理液体置于一密闭容器内；

10、(2)根据所需活性物种类别选择特定工作气体(氦气、氩气、氮气、氧气、或氮氧混合气)冲洗密闭容器，冲洗时间根据密闭容器体积确定，目的是置换掉容器内的空气；

11、(3)用等离子体处理待处理液体，且处理时利用水浴法(热交换原理)控制待处理液体的温度≤4℃；

12、(4)活化水制备完成。

13、通过改变工作气体成分控制活性物种种类，以适用不同需求的应用场景。

14、根据一个优选实施方式，等离子体活化水制备完成后，将等离子体活化水置于低温储存(≤4℃)，延缓活性物种的复合速度，提高等离子体活化水的有效时间。

15、一种等离子体活化水制备装置，包括待处理液体储存器、待处理液冷却池、等离子体放电装置组件、冷水机，所述待处理液体储存器设置于待处理液冷却池内，所述等离子体放电装置组件包括放电水槽和控温水槽，所述放电水槽设有高压电极、地电极，所述控温水槽设置于放电水槽的外部，所述待处理液体储存器与等离子体放电装置组件的放电水槽连通，所述待处理液冷却池与等离子体放电装置组件的控温水槽连通，所述冷水机分别与待处理液冷却池和控温水槽连通，通过热交换控制待处理液体和放电水槽内正在处理的液体温度。所述等离子体放电装置组件用于气体放电产生等离子体并使等离子体与水槽内水面充分接触，所述冷水机通过热交换用于控制待处理液体温度。

16、根据一个优选实施方式，所述待处理液体储存器与待处理液冷却池形成组合件，待处理液体储存器为圆柱容器，所述待处理液冷却池为正方形容器，圆柱容器位于正方形容器的中心，圆柱容器储存待处理液体，正方形容器通入循环控温液体。

17、根据一个优选实施方式，所述放电水槽的高压电极位于放电水槽内液体液面上方，通过高压线与电源连接；地电极位于放电水槽内液体液面下，通过地电极接线口引出连接线与大地相连。

18、根据一个优选实施方式，所述电源为高压电源。

19、根据一个优选实施方式，所述放电水槽的两侧设有进液口和出液口；

20、所述控温水槽的两侧设有待处理液体连接口、冷水进口、待处理液体出口和冷水出口，所述待处理液体连接口与冷水进口位于控温水槽一侧，所述待处理液体出口与冷水出口位于控温水槽另一侧；

21、所述控温水槽的待处理液体连接口分别与待处理液体储存器、放电水槽的进液口连通，所述放电水槽的出液口与控温水槽的待处理液体出口连通；

22、所述控温水槽的冷水进口与待处理液冷却池连通，所述控温水槽的冷水出口与冷水机连通。

23、根据一个优选实施方式，所述放电水槽设有进气口和出气口，可向进气口通入工作气体。

24、根据一个优选实施方式，所述等离子体放电装置组件设置于待处理液体储存器(1)右侧。

25、根据一个优选实施方式，所述控温水槽设有放电水槽放置口，所述放电水槽放置于放电水槽放置口。

26、根据一个优选实施方式，所述放电水槽为长方体结构，长96～204mm，宽5～36mm，深度3～20mm，壁厚2～10mm，左右两侧对称开等大的进液口、出液口。

27、根据一个优选实施方式，所述控温水槽为长方形容器结构，长320mm，宽100mm，深度25mm，左右两侧对称开等大的待处理液体连接口和待处理液体出口。

28、根据一个优选实施方式，所述高压电极的材质可为钨、铜、铁等金属，优选选用钨材质。

29、根据一个优选实施方式，所述高压电极的直径为0.5～3mm。

30、根据一个优选实施方式，所述高压电极位于放电水槽内液体液面上方1～3mm，地电极一侧紧靠放电水槽的右侧壁。

31、根据一个优选实施方式，所述地电极的材质为不锈钢材料，长50mm，宽15mm，厚度1mm。

32、根据一个优选实施方式，所述待处理液体储存器与等离子体放电装置组件之间设置有进液组件，所述待处理液体通过进液组件进入等离子体放电装置组件的放电水槽。所述进液组件用于供给待处理液体储存器中的待处理液体进入放电装置组件中。

33、根据一个优选实施方式，所述放电水槽的进气口连接有进气组件，所述进气组件用于控制等离子体放电装置组件气体环境。

34、根据一个优选实施方式，所述控温水槽的待处理液体出口连接有出液组件，出液组件用于将处理完成的液体从等离子体放电装置组件中抽出。

35、根据一个优选实施方式，所述进液组件或出液组件包括蠕动泵和水管，所述水管上设有蠕动泵。所述进液组件与待处理液体储存器及放电水槽连通。

36、根据一个优选实施方式，所述进气组件包括质量流量控制器和气管，所述气管上设有质量流量控制器。

37、根据一个优选实施方式，所述冷水机与待处理液体储存器以及等离子体放电组件之间设有水管和循环泵，所述水管上设有循环泵，所述冷水机通过水管分别与待处理液体储存器和等离子体放电组件的控温水槽连通。

38、待处理液体储存器1中的待处理液体经待处理液体连接口、进液口进入放电水槽，在放电水槽中产生等离子体，处理后的液体再从出液口、待处理液体出口流出。

39、冷水机中的冷水经待处理液冷却池、冷水进口进入控温水槽，再经冷水出口进入冷水机，形成循环。

40、根据一个优选实施方式，所述待处理液体储存器、放电水槽设有测温口，用于测量待处理液体的温度。

41、根据一个优选实施方式，所述进液组件的蠕动泵，流速可调范围200-2000sccm。

42、根据一个优选实施方式，所述出液组件的蠕动泵，流速可调范围200-2000sccm，进液流速大于或等于出液的流速。

43、根据一个优选实施方式，所述进气组件为质量流量控制器6，流速可调范围100-2000sccm。

44、根据一个优选实施方式，所述冷水机7通过循环冷水，控制待处理液冷却池和放电水槽里待处理液体的温度≤4℃。

45、根据一个优选实施方式，所述电源8为脉冲直流电源，输出电压1-30kv，频率1-10khz，上升/下降沿可调50–200ns。

46、利用上述等离子体活化水制备装置活化水的方法，包括如下步骤：

47、(1)将待处理液体通过冷藏设备降低温度至≤4℃；

48、(2)将步骤(1)得到的待处理液体用放电水槽产生的等离子体处理，且处理时利用水浴法(控温水槽)控制待处理液体的温度≤4℃。

49、根据一个优选实施方式，所述等离子体活化水制备装置活化水的方法，优选包括如下步骤：

50、(1)根据所需活性物种类别选择特定工作气体(氦气、氩气、氮气、氧气、或氮氧混合气)冲洗，并通入选择的工作气体，冲洗时间根据放电水槽体积确定，目的是置换掉容器内的空气；

51、(3)用放电水槽产生的等离子体处理待处理液体，且处理时利用水浴法(控温水槽，热交换原理)控制待处理液体的温度≤4℃；

52、(4)活化水制备完成。

53、本发明所述等离子放电装置组件用于在待处理液体表面产生等离子体，等离子体与水面直接接触、作用面积大，该装置通过实现在水的表面直接产生等离子体，可提高等离子体的能量利用率和气液传质效率，从而大大提高等离子体活化水的制备效率；而且由于等离子体直接处理，短寿命的氧和氮活性物种充分溶解到水中，提高了等离子体活化水的活性。

54、本发明具有如下有益技术效果：

55、本发明的等离子体活化水制备装置，通过等离子体在水面产生，使得其与水面充分接触，使得短寿命的氧和氮活性物种可以溶于水。可见，本发明的等离子体活化水制备装置，通过等离子体在水面产生实现直接制备活化水，可以提高等离子体的能量利用效率和气液传质效率，进一步大大提高了等离子体活化水的制备效率和活性。

56、即本发明的等离子体活化水制备装置，解决了现有技术中等离子体活化水制备装置对等离子体能量利用率低以及制备活化水活性低的问题。

57、本发明通过控制待处理液体温度使得单位时间内溶解更多的氧和氮活性物种，增强等离子体活化水的活性和制备效率，制备完成的等离子体活化水在相应温度下储存，可以延长活化水保持活性的时间。解决了现有技术中等离子体活化水活性低、储存时间的问题。

58、本发明通过改变工作气体成分，调控等离子体产生的氧和氮活性物种，以适应不同应用场景。解决了现有等离子体活化水产生的活性物种不可控，应用领域受局限的问题。