一种基于超声空化效应的等离子体强化装置

1.本实用新型属于声空化及其化学效应的应用领域，可用于重油降粘处理、超声消毒杀菌及促进和加快化学反应的应用技术领域。具体是一种基于超声空化效应的等离子体强化装置。


背景技术：

2.超声波在液体中传播时，会在液体中产生大量微气泡，这些气泡在声压的周期变化过程中不断膨胀、压缩最后破碎。在破碎瞬间，气泡内气体会被剧烈压缩产生局部瞬间的高温高压环境，气体中所含的水蒸汽就会被分解成羟基、氢离子等活性自由基。自由基具有强氧化性，能够促进和加快化学反应的进行，使原来常温环境不能进行或速度较慢的化学反应得以改善，因此声空化具有一定的化学效应。
3.国内外经过大量的研究认为，空化效应对大多数的化学反应都能起到加快或改善的效果，并且在污水污泥处理，有机物降解、合成以及重油降粘等方面都能产生独特的效果。随着对声空化效应在化学领域研究的深入，已经形成一门新的学科—声化学。随着对声空化研究的深入，声空化的化学效应在诸多领域都有应用的前景，但是由于空化产生自由基的量不足，对化学反应的能力还需提高才能实现声空化在各个领域应用的可能。
4.等离子体电离技术是指在电极和溶液之间加以一定的电压，击穿电极周围气体，产生放电等离子体，进而对溶液进行处理的技术。由于放电产生的等离子体状态含有大量高能活性粒子(自由基)，因此能与液体中的分子发生反应，甚至产生常温条件下不可能发生的化学反应，具有促进和加速化学反应的作用。等离子产生的过程中首先要在电场作用下气化电极间的液体，形成微小气泡，然后击穿气泡中气体，才能形成等离子体。声空化过程中产生大量活性自由基能降低化学反应条件、提高化学反应速度，在污水污泥处理、新材料反应等方面发挥独特作用，化学效应是空化效应的一个重要性质。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种基于超声空化效应的等离子体强化装置，解决了目前超声空化的化学效应强度较弱的问题，提高声空化的化学效应的效率，推声化学技术在各个领域的应用。
6.为达到上述目的，本实用新型采用了如下的技术方案：
7.一种基于超声空化效应的等离子体强化装置，所述等离子体强化装置包括容器，容器中设置超声换能器，在超声换能器的超声辐射端形成的超声空化区域两侧设置电极。
8.一种基于超声空化效应的等离子体强化方法，所述等离子体强化方法包括以下步骤：
9.1)在容器内放入待处理液体；
10.2)将超声换能器插入液体中，超声换能器的超声辐射端下方区域为超声空化区域；
11.3)将产生电场的正负电极插入超声空化区域的待处理液体中，在电场作用下，空化区域内的气泡内部被等离子化。
12.优选地，所述待处理液体为水、污泥或重油。与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
13.本实用新型的原理为在空化气泡外加一个电场，在电场的作用下气泡内部形成等离子状态，促进气泡内部自由基的产生，强化空化的化学效应。本实用新型将空化和电离体两种产生自由基的方法结合到一起，强化声空化过程中自由基的产生和向液体的扩散，从而强化空化作用的声化学效应。一方面在强超声作用下，液体中产生大量含有液体(比如水)蒸汽分子的微气泡，这些气泡在超声波作用下，不断膨胀、压缩直至崩溃，在气泡内部形成高温高压环境使气体分解成自由基；另一方面在外界电场作用下，泡内气体分子被电离成等离子体状态进一步促进自由基的产生；同时，气泡的不断膨胀压缩过程中，促进内部产生的自由基向液体扩散，提高自由基与液体中物质的化学作用。
附图说明
14.图1为本实用新型基于超声空化效应的等离子体强化装置的结构示意图；
15.图2为等离子体电离、超声及共同作用处理dmso溶液时oh自由基含量曲线图；
16.图3为四氢化萘溶解沥青的碳数石油色谱分析图；
17.图4为等离子体协同超声处理四氢化萘溶解沥青的碳数石油色谱分析图；
18.附图标记：1、超声换能器；2、电极；3、容器；4、被处理液体；5、超声辐射端；6、超声空化区域。
具体实施方式
19.下面以附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
20.实施例1
21.如图1所示，一种基于超声空化效应的等离子体强化装置，所述等离子体强化装置包括容器3，容器3中设置超声换能器1，在超声换能器1的超声辐射端5形成的超声空化区域6两侧设置电极2。
22.本实施例中超声换能器可以为成功超声生产的yp-5025-2bz。
23.容器可以为圆柱形或长方体形，也可以是其他形状。
24.本实施例中的电极可以采用铜镶钨电极等，其形状为杆状。
25.一种基于超声空化效应的等离子体强化方法，所述等离子体强化方法包括以下步骤：
26.1、在容器内放入一定量的液体，通常为水、污泥或重油等被处理液体。
27.2、将超声换能器插入液体中，换能器的超声辐射端面下方区域为超声空化产生区域。
28.3、将产生电场的正负电极插入超声空化区域的液体中，在电场作用下，空化区域内的气泡内部被等离子化。
29.4、固定好上述装置后，首先打开超声电源，在液体中产生空化气泡；然后在空化区域加载电场；处理液体一定时间后测试液体的物理、化学性质。
30.其中，所述超声换能器的输出频率25khz，输出功率为500瓦；等离子体电源的频率1000hz，电压为400-800v，放电开始4.5分钟后逐渐将电压调小，直至关闭电源，然后关闭超声换能器，待处理液体冷却至室温。
31.图2为等离子体电离、超声及共同作用处理dmso溶液时oh自由基含量曲线图，从图2中可以发现三种方式2分钟内溶液中产生的oh自由基均随着时间线性增加，其中超声增量较低，等离子体电离居中，等离子体电离和超声共同作用增量较大，其中共同处理dmso溶液产生的oh自由基含量约等于二者单独处理时产生oh自由基的和。2分钟后，二者共同处理时溶液中oh自由基含量大于等离子体电离与超声单独处理的和，例如2.5分钟时，oh自由基为60.14μm，大于单独处理时二者产生oh自由基之和(等离子体电离31.76μm和超声23.74μm)。
32.实施例2
33.超声空化与等离子体处理稠油降粘，稠油在我国的储量丰富，已探明产量超过1亿吨，占总储量的4/5以上。稠油(1000mpa
·
s或者密度超过934kg/m3)粘度极大，不仅开采难度大，产量低，成本高，而且给后续的存储、运输及炼化都带来极大的困难，这也是目前我国石油产业的难点。而我国稠油常温下为坚硬固体，90℃温度下2小时转化为液体，对应的粘度为19580mpa
·
s，密度为1021kg/m3，也被称为沥青。它的含量占稠油总量的1/3以上，其开采成本更高，油品更低。
34.本实用新型利用等离子体电离协同超声产生的自由基，这些自由基不仅能断开沥青质单元之间的键，而且还能与沥青质单元反应生成稳定的产物。
35.等离子体协同超声处理稠油的操作过程：在放电容器中依次加入溶剂四氢化萘溶液和稠油，搅拌均匀后。四氢化萘溶液的作用是溶解稠油中沥青质，促进超声空化的空化效应。先设定超声发生器输出频率定位25khz，增加输出功率为500瓦，此时溶液中有明显空化气泡产生；再设定等离子体电源频率1000hz，增加高压电极施加电压，当电压为400-800v放电开始，4.5分钟后逐渐将电压调小，直至关闭电源，然后关闭超声电源，溶液冷却至室温后，实验结束。
36.表1采用本实用新型基于超声空化效应的等离子体强化装置处理稠油结果
[0037][0038]
从表1可以看出，采用本实用新型处理后，稠油的旋转粘度大幅降低，有利于后续对稠油的处理开采。
[0039]
1、稠油成分测试：
[0040]
凝胶色谱分析
[0041]
用凝胶渗透色谱(gel permeation chromatography、gpc)测量了稠油的分子量分布，其分布如表2所示。从表2可以看出原油和加四氢化萘溶剂后的分子量分布基本相同，数均分子量mn分别为705和702，重均分子量mw分别为816和812，z均分子量mz分别为956和
948，可知稠油只是单纯的溶解，并没有发生化学反应。
[0042]
电场和超声空化作用下，液体中自由基含量的增加能够增大其与沥青质反应的概率，降低沥青质单元的分子量，如表2所示，mn继续减小为605，mw减小至709，mz减小至838，因此，可以看出等离子体协同超声作用使得稠油单元分子量明显降低。
[0043]
表2稠油成分测试结果
[0044] 数均分子量mn重均分子量mwz均分子量mz原油705816956四氢化萘溶解702812948等离子体超声处理605709838
[0045]
2、碳素分布测试：
[0046]
采用syt 5779-2008石油色谱分析方法分析了四氢化萘溶解沥青的碳数分布和等离子体协同超声处理后溶液碳数分布，如图3所示，从图3中可以看出四氢化萘溶解沥青碳分布主要集中在c31，c32和c35之间，峰面积为69％，等离子体协同超声处理后碳数分布如图4所示，碳分布主要集中在c9，c14和c32三部分，其中以c14的峰面积最大约占40％。
[0047]
本实用新型未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
[0048]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。