CN103635434B - 具有气体通道的水下毛细管等离子体装置 - Google Patents

具有气体通道的水下毛细管等离子体装置 Download PDF

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Abstract

提供一种具有气体通道的水下毛细管等离子体装置。该水下毛细管等离子体装置包括配置成供应电源的供电单元、配置成接收从供电单元供应的电源并在流体内引起毛细管等离子体放电的放电电极、和配置成将辅助气体注入到放电电极中的气体供应单元。由于水下毛细管等离子体装置配备有气体通道，所以能从通过等离子体放电引起的水分解产生等离子体种，并且能根据注入的辅助气体产生各种化学反应种，从而有效地去除水下污染物。此外，当如在此所描述地注入气体时，由等离子体放电所产生的反应种在流体中的浓度和寿命可提高和延长，从而能使得利用等离子体的净化效果最大化。此外，当如以上所描述地供应辅助气体时，与当不注入辅助气体时相比较，甚至能由较小的供电产生等离子体，从而降低用于流体的净化的能量消耗。

Description

具有气体通道的水下毛细管等离子体装置
技术领域
本发明涉及一种水下毛细管等离子体装置，尤其地涉及用于通过给水下毛细管等离子体放电电极配备气体通道来有效地净化污水的技术。
背景技术
近年来，为了污水的净化和细菌的去除，已进行了对各种方法的研究。例如，这些方法包括利用臭氧的方法、向污水添加诸如次氯酸（HClO）之类的化学药品的方法、利用紫外线的方法、利用热处理的方法等。
然而，这样的方法具有的问题是，不能获得方法的有效净化性能，可能需要过高的成本以处置污水，或者可能引起料不到的副作用。因此，存在对有效净化污水和去除诸如细菌之类的微生物的方法的不断增强的需求。
发明内容
技术问题
因此，设计本发明以解决现有技术的问题，并且本发明的目的是提供一种水下毛细管等离子体装置，该水下毛细管等离子体装置具有能够稳定地净化污水和有效地利用水下毛细管等离子体放电的气体通道。
技术解决方案
根据本发明的方面，提供一种水下毛细管等离子体装置，该水下毛细管等离子体装置包括配置成供应电源的供电单元、配置成接收从供电单元供应的电源并在流体内引起毛细管等离子体放电的放电电极、和配置成将辅助气体注入到放电电极中的气体供应单元。
有利技术效果
根据本发明的示例性实施例，由于水下毛细管等离子体装置配备有气体通道，所以能从通过等离子体放电引起的水分解产生等离子体种，并且能根据注入的辅助气体产生各种化学反应种，从而有效地去除水下污染物。此外，当如在此所描述地注入气体时，由等离子体放电所产生的反应种在流体中的浓度和寿命可提高和延长，从而能使得利用等离子体的净化效果最大化。此外，当如以上所描述地供应辅助气体时，与当不注入辅助气体时相比较，甚至能由较小的供电产生等离子体，从而降低用于流体的净化的能量消耗。
附图说明
图1示出根据本发明的一个示例性实施例的水下毛细管等离子体装置100的方框图。
图2示出根据本发明的水下毛细管等离子体装置100的放电电极104和气体供应单元106的第一示例性实施例的示意图。
图3示出根据本发明的水下毛细管等离子体装置100的放电电极104和气体供应单元106的第二示例性实施例的示意图。
图4示出根据本发明的水下毛细管等离子体装置100的放电电极104和气体供应单元106的第三示例性实施例的示意图。
图5示出根据本发明的水下毛细管等离子体装置100的放电电极104和气体供应单元106的第四示例性实施例的示意图。
图6示出当将气体供应到气体供应单元106中时在流体内产生的反应种的浓度的示意图。
图7示出当将氮气（N2）供应到气体供应单元106中时在流体内产生的反应种的浓度的示意图。
图8示出当将空气供应到气体供应单元106中时在流体内产生的反应种的浓度的示意图。
图9示出当将各种各样的气体注入到气体供应单元106中时对流体中的总的Cl含量进行比较的图表。
图10示出通过根据注入到气体供应单元106中的气体对大肠杆菌的细胞数量进行比较所获得的结果的图表。
具体实施方式
在下文中，将参考附图更详细地描述本发明的优选示例性实施例。然而，在此提出的说明仅是为了例证的优选示例，而不用于限制本发明的范围。
为了描述本发明的具体实施例，考虑与本发明相关的现有技术的详细说明，以产生本发明的要点。
在描述本发明中，当考虑详细说明时省略关于本发明的已知功能或结构的详细说明，以使本发明的要点清楚。另外，考虑本发明的功能或结构定义在此所使用的术语，并且在此所使用的术语可根据用户或操作者的意图或实践改变。因此，可为此基于贯穿说明书的内容确定这些术语的定义。
因此，应当由所附权利要求及其合法等同来确定本发明的范围。因此，应意识到的是，本发明的范围完全包括可对本发明属于的技术领域的技术人员变得显而易见的其他实施例。
图1示出根据本发明的一个示例性实施例的水下毛细管等离子体装置100的方框图。
如图1所示，根据本发明的一个示例性实施例的水下毛细管等离子体装置100包括供电单元102、放电电极104和气体供应单元106。
供电单元102用于接收电源（例如普通交流（AC）电源），将电源转换成具有预定大小的电压的直流（DC）或AC电源，并输出DC或AC电源。虽然在如图1所示的该示例性实施例中示出了配置成将外部输入电源转换成具有预定电压的DC电源的电路的一个示例性实施例，但是本发明的供电单元102还可用于配置成输出AC电源的电路。在该示例性实施例中，供电单元102可配置成包括变压器108和整流器110，这两者都配置成放大输入电源的电压。然而，这仅是为了例证的一个示例，供电单元102可配置成根据要输入的电源的种类和电压、要输入的电源的种类等而具有合适的形状。
通过接收从供电单元102供应的电源，以及使得毛细管等离子体114在污染流体112内放电，放电电极104用于净化诸如污水之类的流体112。由这样的毛细管等离子体放电产生的等离子体使得在流体112中的水分子分解，以产生诸如OH-、O、H、H2O2、HO2、HClO、Cl2、HCl等的反应种。在该情况下，产生的反应种用于去除在流体中的污染物（即，挥发性有机化合物、微生物、藻类等）。
气体供应单元106用于将辅助气体注入到其中毛细管等离子体放电借助于放电电极104发生的流体112中。这样的辅助气体的示例可包括臭氧（O3）、氧气（O2）、氮气（N2）、氩气（Ar）、氦气（He）、空气及其混合物。在此，还可将液相的过氧化氢（H2O2）用于气体供应单元106。如此注入的辅助气体供应到在放电电极104中产生的等离子体中，从而帮助产生等离子体并利用等离子体净化流体112。也就是说，当如以上所描述地注入辅助气体时，与当不注入辅助气体时相比较，流体112中的反应种在流体中的浓度和寿命可提高和延长。因此，可使流体112通过等离子体的净化效果最大化。另外，当如以上所描述地供应辅助气体时，与当不注入辅助气体时相比较，甚至能由较小的供电产生等离子体，从而降低用于流体的净化的能量消耗。
图2示出根据本发明的水下毛细管等离子体装置100的放电电极104和气体供应单元106的第一示例性实施例的示意图。
如图2所示，放电电极104配置成包括金属尖端200和介电管202。
金属尖端200电连接至供电单元102的输出端，并可由例如选自由钨、钼、钛和不锈钢（SUS）组成的组中的至少一种的金属材料形成。通过考虑金属尖端200的形状和尺寸、金属材料的可加工性或成本等，可以确定这样的形成金属尖端200的材料。例如，金属尖端200可由具有良好的可加工性的不锈钢形成，并且其中产生等离子体的金属尖端200的端部部分可由具有高的耐磨性的钨形成。
介电管202形成圆柱形，以围绕金属尖端200，并且从金属尖端200的端部突出一特定长度（d）。也就是说，所形成的金属尖端200的端部部分使得端部部分可从介电管202向内凹进长度（d）。通过考虑在介电管202内产生的细泡沫和在细泡沫中发生的放电效应，可以合适地确定长度（d），因此该长度（d）可在近似2mm至4mm的范围内。这样的介电管202例如可由氧化铝或石英（Quartz）形成。介电管202可形成有近似2mm至4mm的直径（a）。
同时，根据本发明，气体供应单元106包括配置成将辅助气体供应到流体中的气体供应管204。根据该示例性实施例，气体供应管204在纵向方向上穿过金属尖端200形成，因此配置成将辅助气体直接供应到在金属尖端200的端部部分产生的等离子体中。气体供应管204可形成有近似0.7mm至1.2mm的直径（b）。
图3示出根据本发明的水下毛细管等离子体装置100的放电电极104和气体供应单元106的第二示例性实施例的示意图。
像在第一示例性实施例中一样，该示例性实施例同样配置成包括金属尖端300、介电管302和气体供应管304。如图3所示，与第一示例性实施例相比较，气体供应管304的形状与气体供应管204的形状不同。在该示例性实施例中，气体供应管304的与流体接触的端部部分直径渐缩。也就是说，在图3中，建立c＞b的关系（其中，c表示气体供应管304的内径，并且b表示气体供应管304的气体出口部分的直径）。如上所述，当气体供应管304的端部部分直径渐缩时，在相应部分处可提高辅助气体的流动速率，这使得能够更平稳地将辅助气体供应到等离子体中。
图4示出根据本发明的水下毛细管等离子体装置100的放电电极104和气体供应单元106的第三示例性实施例的示意图。
像在第一和第二示例性实施例中一样，该示例性实施例同样配置成包括金属尖端400、介电管402和气体供应管404。然而，与第一和第二示例性实施例相比较，介电管402的形状与介电管202和302的形状不同。也就是说，在该示例性实施例的情况下，所形成的与流体接触的介电管402的端部406使得介电管402的端部406可在从构成介电管402的圆柱形的内周表面横跨至外周表面的方向上倾斜。当如上所述在介电管402的端部部分形成倾斜面时，可减小由等离子体导致的介电管402磨损。同时，气体供应管404在图4中示出为使得气体供应管404的形状与根据第二示例性实施例的气体供应管204的形状相同。然而，这仅是为了例证的一个示例，在此还可使用具有如图2所示的形状的气体供应管。
图5示出根据本发明的水下毛细管等离子体装置100的放电电极104和气体供应单元106的第四示例性实施例的示意图。
根据该示例性实施例，气体供应管404不是穿过金属尖端500的内部形成，而是形成圆柱形以围绕介电管502。当气体供应管404如上所述形成时，辅助气体不直接注入到在金属尖端500的端部部分产生的等离子体中，而是以这样的辅助气体围绕等离子体的方式供应。
图6至10示出根据本发明的水下毛细管装置100的效果的示意图。
首先，图6示出当将气体供应到气体供应单元106中时在流体内产生的反应种的浓度的示意图，图7示出当将氮气（N2）供应到气体供应单元106中时在流体内产生的反应种的浓度的示意图，并且图8示出当将空气供应到气体供应单元106中时在流体内产生的反应种的浓度的示意图。如图6至8所示，可看到的是，当将氮气或空气供应到气体供应单元106中时，O和OH的浓度提高。
图9示出当将各种各样的气体注入到气体供应单元106中时对流体中的Cl含量进行比较的图表。在图9中，O2_O3表示当注入从氧气产生的臭氧气体时在流体中的Cl含量，并且空气_O3（Air_O3）表示当注入从空气产生的臭氧气体时在流体中的Cl含量。如图9所示，可看到的是，与当不注入气体（无气体，Non-gas）时相比较，当注入诸如氧气、氮气、空气或臭氧之类的气体时，用作消毒剂的Cl的总含量提高。
图10示出通过根据注入到气体供应单元106中的气体对大肠杆菌的细胞数量进行比较所获得的结果的图表。如图10所示，可看到的是，当不供应气体时，流体中的大肠杆菌的细胞数量不减少（无气体，w/ogas），然而，当分别以50sccm的速率供应氮气或以50sccm的速率供应臭氧时，在流体中的大肠杆菌的细胞数量从在经过近似15秒之后的时间点突然减少。
如上所述，根据本发明的具有气体通道的水下毛细管等离子体装置可广泛地用于压载水的净化、用于医疗器械、餐具、加湿器等的水的杀菌及诸如废水处理之类的其他应用。
尽管以上已参考理想的示例性实施例更详细地描述了本发明，但本发明属于的相关技术领域的技术人员应理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下可对上述示例性实施例作出各种变化和变型。
因此，只要所有这样的变型在所附权利要求及其等同的范围内，则本发明意图包含所有这样的变型。
附图中的主要部件的简要说明
100：水下毛细管等离子体装置
102：供电单元
104：放电电极
106：气体供应单元
200、300、400：金属尖端
202、302、402：介电管
204、304、404：气体供应管

Claims (8)

1.一种水下毛细管等离子体装置，其包括：
一供电单元，该供电单元配置成供应一电源；
一放电电极，该放电电极配置成接收由该供电单元供应的电源，并在一流体内引起毛细管等离子体放电；以及
一气体供应单元，该气体供应单元配置成将辅助气体注入到借助于该放电电极发生毛细管等离子放电的该流体中；
其中，该放电电极包括：
一金属尖端，该金属尖端电连接至该供电单元的输出端；以及
一圆柱形介电管，该圆柱形介电管围绕该金属尖端，并从该金属尖端的端部突出一特定长度；
为减小由等离子体导致的该介电管磨损，与流体接触的该介电管的端部形成为，使得该介电管的端部从构成该介电管的圆柱形的内周表面横跨至外周表面的方向上倾斜。
2.根据权利要求1所述的水下毛细管等离子体装置，其中，该金属尖端由选自由钨、钼、钛和不锈钢组成的组中的至少一种材料形成。
3.根据权利要求1所述的水下毛细管等离子体装置，其中，该介电管由选自由氧化铝和石英组成的组中的至少一种材料形成。
4.根据权利要求1所述的水下毛细管等离子体装置，其中，该气体供应单元包括穿过该金属尖端形成的气体供应管。
5.根据权利要求4所述的水下毛细管等离子体装置，其中，所形成的该气体供应管使得该金属尖端的与该流体接触的端部部分直径渐缩。
6.根据权利要求1所述的水下毛细管等离子体装置，其中，该气体供应单元包括围绕该介电管形成的圆柱形气体供应管。
7.根据权利要求1所述的水下毛细管等离子体装置，其中，该气体供应单元将包括选自由臭氧、氧气、氮气、氩气、氦气和空气组成的组中的至少一种的气体供应到该流体中。
8.根据权利要求1所述的水下毛细管等离子体装置，其中，该气体供应单元配置成将液相的过氧化氢注入到该流体中。
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