一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法

本发明涉及大气压空气等离子体应用，具体涉及一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法。

背景技术：

1、等离子体活化水(plasma activated water,简称paw)是利用放电低温等离子体处理的纯净水、蒸馏水或生理盐水的一种统称。paw的酸碱性、氧化还原性、电导率以及液相物质成分与普通水相比有显著差异。paw的优良性质来源于等离子体的关键活性物质，其中主要是由气相活性物质转化形成的液相活性物质。paw制备工艺中，往往采用空气作为工质产生等离子体，在气相中产生的活性物质主要包含o3、no2、no3等长寿命活性粒子以及o(原子氧)、n2+等短寿命活性粒子。通过等离子体与液体的相互作用，各种气相活性物质与水分子发生反应，产生的液相活性物质主要包含h2o2，·oh以及hoono。在paw制备完成后，主要存在于液相的长寿面活性粒子成为最关键的作用因素，主要包含h2o2。同时，由于水的存在，避免了等离子体产生的带电粒子、紫外线和自由电子等物质对被处理物表面造成损伤，paw在生物医学工程、环境治理等方面有着广泛的应用前景。

2、目前针对paw制备方法已经有了较为丰富的研究，通常使用介质阻挡放电(dbd)形式利用空气产生等离子体，再通过抽气装置与液相流动装置将等离子体与水混合。当前paw的制备仍面临着高制作成本的问题，其中抽气装置与液相流动装置都需要使用机械泵，大大提高了paw制备的装备成本与能耗成本。同时，目前等离子体与液体相互作用的方式较为简单，即便使用阵列式多孔气泡抽气等方法，所产生的气泡尺寸在亚毫米量级，气泡上浮速度快，存在时间短，仍有部分气体未能溶解于水中，气液传质效率仍然较低，存在气相活性物质浪费的现象。因此，研究一种低成本高气液传质效率的新型等离子体活化水制备方法具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，该制备方法采用微纳气泡大幅度提高气液传质效率，实现气相活性物质的自流动，简化制备过程与抽气方式，达到高效低成本等离子体活化水制备的目的。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，包括如下步骤：

4、步骤1、通过表面介质阻挡放电sdbd方法产生大面积空气等离子体；

5、步骤2、基于文丘里管结构，利用水流动产生负压效应；

6、步骤3、等离子体气相活性物质自流动进入水中，在空化作用下形成微纳气泡；利用微纳气泡的高气液传质效率，实现等离子体气相活性物质的高效溶解与转化；

7、步骤4、将水泵直接置于储水箱，通过三通阀门连接储水箱、文丘里管和出水管路，同时实现等离子体活化水循环制备与抽滤使用。

8、步骤2中，文丘里管结构在中段有截面的快速收缩，根据稳定流量下的截面与速度关系，截面越小水流速度越大，在在文丘里管中段最狭窄区域的气体入口处的压力远小于大气压，出现负压效应。

9、步骤3中，通过负压效应使得等离子体气相活性物质通过气体入口自流动进入文丘里管，使得气体与水充分混合，通过文丘里管截面的控制与水的总流量控制，使得空化数小于1，气液充分混合产生空化现象，实现微纳气泡的产生。

10、优选的，步骤1中实现表面介质阻挡放电sdbd方法的sdbd发生装置包括阻挡介质1，贴附于阻挡介质1一面的高压电极3，贴附于阻挡介质1另一面的地电极4，封装高压电极3和地电极4两端的绝缘防护层2；利用驱动电源连接高压电极3与地电极4，在地电极侧产生空气等离子体。

11、优选的，所述阻挡介质1采用聚酰亚胺薄膜，高压电极3采用铜胶带，地电极4采用泡沫金属材料，绝缘防护层2采用聚酰亚胺胶带。

12、优选的，步骤4中，将水泵6直接置于储水箱，文丘里管5入口通过三通阀门7连通储水箱出口，文丘里管5出口连通储水箱入口，三通阀门7通过闸阀8与出水管路连通；水泵6直接置于储水箱中，水泵6接触液体材料保证低化学活性，不与等离子体活化水的活性物质产生反应，同时保证等离子体活化水不被污染。

13、优选的，所述水泵6采用陶瓷轴心水泵。

14、本发明所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，与现有技术相比，采用sdbd方式制备空气等离子体，采用文丘里管方式的微纳气泡进行高效气液传质，仅通过一台水泵实现了气液两相流动与液体循环和抽滤使用，提升了paw制备效率，降低了制备成本，具有极大的工程价值。

技术特征：

1.一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：步骤1中实现表面介质阻挡放电sdbd方法的sdbd发生装置包括阻挡介质(1)，贴附于阻挡介质(1)一面的高压电极(3)，贴附于阻挡介质(1)另一面的地电极(4)，封装高压电极(3)和地电极(4)两端的绝缘防护层(2)；利用驱动电源连接高压电极(3)与地电极(4)，在地电极侧产生空气等离子体。

3.根据权利要求2所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：所述阻挡介质(1)采用聚酰亚胺薄膜，高压电极(3)采用铜胶带，地电极(4)采用泡沫金属材料，绝缘防护层(2)采用聚酰亚胺胶带。

4.根据权利要求1所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：步骤2中，文丘里管结构在中段有截面的快速收缩，根据稳定流量下的截面与速度关系，截面越小水流速度越大，在在文丘里管中段最狭窄区域的气体入口处的压力远小于大气压，出现负压效应。

5.根据权利要求1所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：步骤3中，通过负压效应使得等离子体气相活性物质通过气体入口自流动进入文丘里管，使得气体与水充分混合，通过文丘里管截面的控制与水的总流量控制，使得空化数小于1，气液充分混合产生空化现象，实现微纳气泡的产生。

6.根据权利要求1所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：步骤4中，将水泵(6)直接置于储水箱，文丘里管(5)入口通过三通阀门(7)连通储水箱出口，文丘里管(5)出口连通储水箱入口，三通阀门(7)通过闸阀(8)与出水管路连通；水泵(6)直接置于储水箱中，水泵(6)接触液体材料保证低化学活性，不与等离子体活化水的活性物质产生反应，同时保证等离子体活化水不被污染。

7.根据权利要求6所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：所述水泵(6)采用陶瓷轴心水泵。

技术总结
本发明公开了一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，步骤包括1、通过表面介质阻挡放电方法产生空气等离子体；2、基于文丘里管结构，利用水流动产生负压效应；3、等离子体气相活性物质自流动进入水中，在空化作用下形成微纳气泡；利用微纳气泡的高气液传质效率，实现等离子体气相活性物质的高效溶解与转化；4、将水泵直接置于储水箱，通过三通阀门连接储水箱、文丘里管和出水管路，同时实现PAW循环制备与抽滤使用。本发明采用SDBD方式制备空气等离子体，采用文丘里管方式的微纳气泡进行高效气液传质，仅通过一台水泵实现了气液两相流动与液体循环和抽滤使用，提升了PAW制备效率，降低了制备成本，具有极大的工程价值。

技术研发人员：郑皓天,李江涛,赵政,孙子涵
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24