一种基于低温等离子体的氨气回收和氮肥制备装置及方法

本发明涉及低温等离子体固氮，具体涉及一种基于低温等离子体的氨气回收和氮肥制备装置及方法。

背景技术：

1、氮是生物维持生命所必需的营养元素，氮循环是氮在自然界中的循环转化过程，是生物圈内基本的物质循环之一。空气中含有大约78.09％的氮气，但空气中的氮气并不能被大多数生物直接利用，如何通过固氮增加可利用氮，减少氮浪费引起了大众的关注。

2、将游离态的氮转化为含氮化合物的过程称为氮的固定，简称固氮。自然界中绝大多数生物都无法直接利用游离态的氮，因此固氮过程是氮循环中至关重要的一环。植物通过吸收土壤中的铵盐和硝酸盐获取并将无机氮转变为蛋白质等有机氮获取氮元素，动物再通过食物链获取转换为动物体内的有机氮，由微生物分解动植物遗体、排出物和残落物中的有机氮化合物转变为无机氮，再经过微生物的其他作用转变为无机氮或分子态氮，由此进行循环。氮元素对其在作物生长的过程中起重要作用，不仅是植物体内构成蛋白质的氨基酸的组成部分，还是植物进行光合作用的叶绿素的构成成分，是植物生长的关键性因素。氮元素是合成肥料的基本成分，因此施用氮肥不仅能提高农产品的产量，还能改善农作物的营养价值。

3、目前大气中的氮固定主要来自生物固氮、大气固氮与工业固氮等。在自然界的氮循环中，由生物固氮或大气固氮进行固氮。生物固氮主要通过固氮微生物将分子态氮还原为氨完成，可在常温常压下进行，全球每年约有2.97亿吨的含氮化合物是通过微生物的固氮过程实现的，但不易控制且具有不确定性。大气固氮主要在闪电的作用下完成，但其每年固定的含氮化合物大概为1.71亿吨。铵盐和硝酸盐是农业和工业中生产生活的重要成分，仅靠生物固氮和大气固氮的方式进行固氮仍有大量的氮资源没有被利用，并不能满足随着人工增长和科技进步所提高的生产生活需求。

4、为了解决上述问题，工业固氮是目前常用的人工固氮方法，通常利用h-b(harber-bosch)法将氮、氢的混合气体在高温、高压、催化剂作用的条件下相互作用合成氨，但是此过程需消耗大量的能源完成合成过程，工艺复杂会产生大量的副产物，处理困难且易造成污染。随着等离子体科学的发展，近年来等离子体源在空气中放电合成氮氧化物的方法成为了等离子体固氮的主流。不过目前，人们对于非平衡等离子体的固氮机制及主要影响因素尚未完全定论，其在固氮能耗方面与传统的h-b法仍然有着巨大的差距，需要更进一步的理论突破或者新的思路转变，从而进一步推进等离子体固氮在实际中的应用。

5、中国氮肥利用率仅约为30％-35％，损失率平均达45％，因此过量施肥现象尤为严重，这不仅造成了资源的浪费，还导致了农业氨污染现象的愈发严重。氮肥的过量使用和低利用率，以及畜牧业中动物粪便堆积不及时处理均是氨气浓度过高的重要原因，因此如何提高氮肥利用率，减少氨气挥发尤为关键。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种基于低温等离子体的氨气回收和氮肥制备装置及方法。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明提供基于低温等离子体的氨气回收和氮肥制备装置，包括通过连接阀门连接的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体设有第一等离子体发生装置、输水阀门以及与外部环境连通的第一抽气装置，所述第二腔体设有第二等离子体发生装置、与大棚或储粪池的环境空间连通的第二抽气装置、浇灌或喷淋装置以及出气阀门，第一腔体和第二腔体之间还设有输水装置，所述浇灌或喷淋装置将第一腔体和第二腔体内混合后的产物输送至大棚或储粪池。

4、在第一腔体内，通过第一等离子体发生装置对通过输水阀门进入腔体内的水进行放电产生等离子体活化水，在第二腔体内，第二等离子体发生装置对空气放电产生·oh和氮氧化物，氮氧化物与·oh，h2o等反应生成hno3、hno2，之后进一步与通过第二抽气装置从大棚或储粪池的环境空间抽取的挥发氨气进行反应生成硝酸铵，两个腔体内分别进行等离子体放电反应，之后打开连接第一腔体和第二腔体的阀门，通过输水装置将等离子体活化水送进第二腔体内，冲刷第二腔体的侧壁保证第二腔体的反应产物完全溶于其中，最后通过浇灌或喷淋装置将混合后的液体浇灌或喷淋出去。

5、本装置通过第一腔体产生的等离子体活化水起到对氨气挥发的抑制效果、第二腔体起到对挥发氨气的捕获效果，结合了气液两相的双重作用，生成硝酸铵实现双倍固氮，既提高了固氮效率，也降低了氮元素的流失率，提高了对氮肥的利用率。

6、进一步地，还包括控制系统，所述控制系统以控制模块为核心构建，所述控制模块分别与第一抽气装置、第二抽气装置、第一等离子体发生装置、第二等离子体发生装置、输水阀门、浇灌或喷淋装置、出气阀门、第一腔体和第二腔体之间的连接阀门和输水装置电性连接，以控制其工作状态及时序，所述控制模块为单片机。

7、进一步地，所述第一抽气装置和第二抽气装置均为气泵。

8、进一步地，第一等离子体发生装置和第二等离子体发生装置采用针板放电、针针放电、表面微放电等发生方式，第一等离子体发生装置和第二等离子体发生装置的供电端采用光伏发电系统，第一等离子体发生装置和第二等离子体发生装置均可根据放电需求进行阵列化拓展。

9、本发明还提供一种基于低温等离子体的氨气回收和氮肥制备方法，包括下列步骤：

10、s1、在大棚或畜禽饲养区等场景中设置如权利要求1-4任一所述的基于低温等离子体的氨气回收和氮肥制备装置；

11、s2、开启第一腔体的第一抽气装置、连接阀门以及第二腔体的出气阀门，更新装置内的环境气体，随后关闭第一抽气装置、连接阀门和出气阀门；

12、s3、通过输水阀门向第一腔体内注入定量的水溶液，由第一等离子体发生装置对水溶液进行放电，得到等离子体活化水；

13、s4、第二等离子体发生装置在第二腔体内进行放电，之后通过第二抽气装置将大棚或储粪池中的挥发氨气吸收进第二腔体内，一定时间后关闭第二抽气装置；

14、s5、静置一段时间后，打开连接阀门，通过输水装置将第一腔体内的等离子体活化水输送到第二腔体内，完全溶解第二腔体内的反应产物，得到混合溶液；

15、s6、将混合溶液通过浇灌或喷淋装置喷淋到大棚或储粪池；

16、s7、一定时间间隔后，重复步骤s2-s6。

17、本方法的效果作用是：第一腔体生成的等离子体活化水(paw)的成分包括水、过氧化氢、硝酸盐、亚硝酸盐、超氧阴离子、自由基、单线态氧和臭氧，可抑制氨气的挥发，起到处理氨源，减少氨气的挥发量的作用，与氨气作用生成的产物为硝酸铵，农业中大量氮资源以氨气形式流失，第二腔体捕获农业挥发氨，生成可再利用的硝铵态氮肥即硝酸铵，通过等离子体活化水浇灌或喷淋到大棚或储粪池，既提高了固氮效率，也降低了氮元素的流失率，整体提高氮元素的利用率。

18、进一步地，步骤s5中，第一腔体和第二腔体静置至室温后开启连接阀门。

19、进一步地，步骤s6中，应当对土壤/储粪池进行ph值检测，浇灌或喷淋后ph维持在5～7.2范围内。

20、进一步地，若土壤/储粪池ph值＞11.5，应该将上述的反应产物在更短的液相放电时间下多次浇灌/喷淋在土壤/储粪池中，防止在反应时放出的过多热反而促进其挥发氨气。

21、进一步地，步骤s7中，在再次施肥或者储粪池储蓄量变多，或者环境中氨气浓度明显上升时再次重复s2-s6步骤。

22、本发明具有以下有益效果：

23、1、本发明通过气液两相双重作用，实现对氮肥的高效利用，提高氮元素的利用率的问题，在提高固氮效率的同时，降低氮元素的流失率；

24、2、本发明在不增加成本的前提下，不仅可以减轻农业氨污染，还可以提高固氮效率，实现双重作用，实现了氮肥的高效循环利用。