CN107406280B - 热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，该系统包含反应室和等离子体活化水储库，其中反应室包含气体进口、水进口、气体和水出口、接地电极和反应电极，其中水进口和水出口设置成当水流过反应室时在反应室中产生水涡流，反应电极包含热等离子体电极和非热等离子体电极，其中等离子体活化水储库设置成从反应室接收等离子体活化水，并设置成将等离子体活化水返回到反应室。

Description

热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统
发明领域
本发明总体涉及等离子体活化水。更具体而言，本发明涉及用于产生等离子体活化水的热等离子体和非热等离子体方法和系统。
发明背景
水可通过施加等离子体与水接触而被“活化”，例如通过在水内部(水中气泡)或沿着水表面产生等离子体。等离子体活化水(PAW)通常包含过氧化氢、硝酸盐、亚硝酸盐，其中亚硝酸盐与过氧化氢在酸性环境中反应形成过氧亚硝酸盐，该过氧亚硝酸盐在活化后仅在PAW中存在约15分钟的时间。此外，PAW通常具有0-7范围内的pH。PAW的组分和低pH已经证明对细菌、生物膜、酵母及其他微生物具有协同抗微生物效应。PAW可用作天然肥料，它促进种子发芽并刺激植物生长。
现有的PAW生产方法要么采用非热(或冷)等离子体，要么采用热等离子体。将二者结合具有若干优点，但迄今为止从未实现。非热等离子体主要产生气相的反应活性氧物质和反应活性氮物质(ROS，RNS)，它们在水中形成产物。
具体而言，用非热等离子体可有效产生ROS(即过氧化氢)。图1呈现了现有技术中热等离子体和非热等离子体产生的典型pH以及过氧化物、硝酸盐和亚硝酸盐浓度的图示。
至于在水中产生RNS，热等离子体更有效，因为这种等离子体具有较高的温度，所述较高的温度产生更高的浓度，但产生较少的过氧化物，其中高温使过氧化物分解，并且过氧亚硝酸盐是硝酸盐的异构体，非常不稳定，该组分总是迅速分解。
因活化过程而产生的硝酸盐显示出非常好的节能效果，可在生产肥料中的氮组分时用作节能替代品，所述氮组分目前是通过高耗能的哈伯-博世工艺生产的。上述活化过程也显示出生产过氧化物的高效性。
潜在的广泛应用要求对PAW的组成具有良好控制。在要求更高的产率和更快的生产速度的情况下，这对现有方法来说是困难的。
需要一种PAW生产系统和方法，其包括同时采用热等离子体和非热等离子体，其中两种等离子体模式能够独自或同时产生。
发明内容
为满足本领域的上述需求，提供了一种热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，该系统包含反应室和等离子体活化水储库，其中反应室包含气体进口、水进口、气体和水出口、接地电极和反应电极，其中水进口和水出口设置成当水流过反应室时在反应室中产生水涡流，反应电极包含热等离子体电极和非热等离子体电极，其中等离子体活化水储库设置成从反应室接收等离子体活化水，并设置成将等离子体活化水返回到反应室。
根据本发明的一个方面，水储库包含连接水储库和反应室水进口的水导管，其中水导管包含设置成使水从水储库移动到反应室的水泵。
在本发明的另一个方面，水储库包含连接水储库的顶部空间和反应室气体进口的气体导管，其中气体导管包含设置成使气体从水储库移动到反应室的气体泵。一方面，气体导管还包含新鲜空气端口，其中新鲜空气端口设置成将新鲜空气输入气体导管，其中新鲜空气被输入反应室气体进口。
根据本发明的另一方面，反应室包含连接反应室和水储库的等离子体活化水导管，其中等离子体活化水导管包含冷却元件，该冷却元件设置成冷却从反应室向水储库移动的等离子体活化水。一方面，等离子体活化水导管包含等离子体活化水泵，该等离子体活化水泵设置成使等离子体活化水从反应室移动到水储库。又一方面，水导管可包含静态混合器、文丘里混合器或旋流混合器。又一方面，冷却元件用静态混合器替代。
根据本发明的一个方面，非热电极和热电极反向独立开关或一前一后独立开关。
在本发明的又一个方面中，热等离子体电极连接到脉冲AC电压、正DC电压或负DC电压。
根据本发明的另一个方面，非热电极连接到脉冲RF电压、AC-RF电压或DC电压，其中DC电压包括欧姆串联阻抗元件(ohmic series impedance element)。
在本发明的另一方面，反应室包含与非热部分分离的热部分，其中热部分通过反应室导管与非热部分连接，其中热部分包含热电极，其中非热部分包含非热电极。一方面，非热电极与气体进口结合，其中气体进口与反应室的水进口结合，其中当所述水进口的文丘里力将气体拉入水进口时，非热电极使水进口中的水发生等离子体活化。
根据本发明的另一方面，热电极和非热电极在等离子体活化水中产生反应活性氧物质和反应活性氮。
在本发明的另一方面，热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统构造成产生肥料氮物质或过氧化氢物质。
在本发明的另一方面，非热等离子体电极包含多个非热电极，其中能量均匀地分配给所有的所述多个非热电极。
根据本发明的另一方面，接地电极包含金属容器，反应室包含玻璃或绝缘室，其中等离子体电流通过玻璃或绝缘反应室的壁传导，其中等离子体电流包括位移电流或电容电流。一方面，金属容器是金属箔。
附图说明
图1显示了现有技术中热等离子体和非热等离子体产生的典型pH以及过氧化物、硝酸盐和亚硝酸盐浓度的图示。
图2A显示了根据本发明的一个实施方式的PAW反应器，其包含：电极、反应器盖、气体进口、水进口、气体和水出口、接地电极、反应器外壳、水平面。
图2B显示了根据本发明的一个实施方式的PAW反应器，其具有接地电极，该接地电极是支承玻璃反应器外壳的金属容器。
图3A-3C显示了根据本发明的一个实施方式用于生产PAW的闭环反应器系统，其包括：(3A)具有空气泵、水泵和新鲜空气进口的循环系统；(3B)具有位于水/气体进口的一个泵和新鲜空气进口的循环系统；除了不含新鲜空气进口外，(3C)和(3D)与(3A)和(3B)相同；(3E)与(3B)相同，只是带有水泵，其中反应器具有多个产生热等离子体的电极，与多个产生非热等离子体的电极组合；(3F)与(3C)相同，但在反应器中仅含有热电极，不含空气泵，其中非热电极与文丘里端口结合，文丘里端口进入回水端口，回水端口到达主反应器室；(3G)与(3C)相同，但冷却元件被静态混合器取代。
图4显示了根据本发明的一个实施方式的反应室，其包含与非热部分分离的热部分，其中热部分通过反应室导管与非热部分连接，其中热部分包含热电极，其中非热部分包含非热电极。
图5显示了根据本发明的一个实施方式具有绝缘体、非热电极和热电极的电极。
图6A-6D显示了根据本发明的实施方式所得的NO2 -和H2O2的pH值与单位体积的等离子体能量的关系图。
具体实施方式
本发明提供一种PAW生产系统和方法，其包括同时采用热等离子体和非热等离子体，其中两种等离子体模式能够独自或同时产生。根据本发明的一个实施方式，两种等离子体模式的能量和两种等离子体模式的开/关时间(进而等离子体的功率)能够独立控制，这样就能很好地控制反应活性氧物质(ROS)和反应活性氮物质(RNS)产物的浓度以及PAW的pH、ORP和EC值。控制这些变量可以优化各种PAW组分的产率。这样就能完全控制PAW的组成和PAW的调节。
本发明确保通过等离子体产生的反应活性物质得到最佳利用。水与等离子体产生的反应活性气体得到有效混合，因而反应活性物质得到非常好的利用并充分溶解在水中。在本发明的一个实施方式中，合并的气体/水出口和受控的气相循环(如气体的封闭循环)保证了等离子体气体的重复使用，因而在使气体通过反应器之后，反应活性物质没有浪费。在另一个实施方式中，利用水储库为一定量的待活化水提供缓冲，其中PAW生产系统能够根据待处理的水的量调整规模。本发明提供了一种单程活化水或液体的方法。此后续方面提供了一种在单程中活化水的方法，从而在使用的时候直接应用活化后的PAW，因而有可能利用PAW的短时强消毒和氧化性能。
反应器的一个示例性实施方式示于图2A，其包括封闭系统，该封闭系统具有单个或多个电极、接地电极、水进口、气体进口、合并的水和气体出口以及反应器外壳。接地电极可包括位于水内部的金属针状电极。在一个实施方式中，如图2B所示，接地电极是金属容器，它同时支承玻璃反应器外壳。作为位移电流或电容电流，等离子体电流由玻璃壁(例如绝缘壁)传导。在一个实施方式中，金属容器也可以是金属箔。回过来看图2A，水涌入反应器，形成水平面。空气流入反应器，位于高出水平面的空间内。
在反应器内部，在高出水层的气体空间内能够产生两种等离子体模式。这两种模式能够独自或同时产生和控制。在此示例性实施方式中，热等离子体利用位于水上方预定距离处的针状电极产生(图2A)。该电极能够与脉冲AC、正DC或负DC高压连接。此外，非热电极能够连接到脉冲RF电压、AC-RF电压或DC电压，其中DC电压包括欧姆串联阻抗元件。电压必须足够高，以引燃热等离子体，所述热等离子体是脉冲AC或连续电弧。为了控制通过等离子体的电流，一旦等离子体被引燃即可降低所加电压(但不低于熄灭电压)，并且/或者可以采用串联电容器。通过等离子体的电流影响电弧温度，结果影响形成ROS和RNS的速率。通过减小等离子体电流、采用专用电极材料、施加负DC高压或者施加脉冲电压，可以减小电极的最终腐蚀。
对于非热等离子体的产生，采用第二电极或第二组电极，其中该电极可以是针状电极，或者该组电极可以是针状电极阵列，(表面)介质阻挡型电极或电晕线电极。这些电极连接到脉冲或AC-RF高电压，所述电压足够高，以产生非热等离子体。也可施加DC高压，其中需要高欧姆串联阻抗，以维持和稳定非热等离子体。
在本发明的一个实施方式中，通过按照预定的负载周期在热模式和非热模式之间切换电源，利用相同的电极产生热等离子体和非热等离子体。
在另一个实施方式中，反应器是如图3A-3G所示的闭环系统的一部分。在该环系统内，水和空气均循环通过反应器，以控制等离子体活化。循环可以利用如图3A和3C所示的分开的空气泵和水泵来实现，或者利用气体和水出口中的单一泵，如图3B和图3D所示，图3E与图3B相同，其带有水泵，其中反应器具有多个产生热等离子体的电极，与产生非热等离子体的多个电极组合。在后一种情况下，反应器环中的压力会稍微减小。在等离子体活化期间，空气会被消耗，因为均由空气产生的ROS和RNS会部分溶解于水，而ROS和RNS的形成消耗空气。图3A和图3B所示的构造能够利用周期性或连续的新鲜空气剂量实现受控气相循环。对于图3C和图3D所示的构造，必须调节水/空气比，从而存在足够的空气来实现指定的PAW性质。图3F显示了类似于图3C的构造，只是反应器中仅有热电极，并且没有空气泵，其中非热电极与进入回水端口的文丘里端口结合，回水端口通向主反应器室。图3G显示了类似于图3C的构造，只是冷却元件被静态混合器替代或者与静态混合器结合。
图3显示了根据本发明的一个实施方式具有与非热部分分离的热部分的反应室，其中热部分通过反应室导管与非热部分连接，其中热部分包含热电极，其中非热部分包含非热电极。图4显示了根据本发明的一个实施方式具有绝缘体、非热电极和热电极的电极。
为了确保反应活性物质得到良好利用并溶解到水中，通过图1所示的特征确保借由等离子体产生的反应活性气体与水充分混合，所述特征包括将反应器的气体进口和水进口设置为偏离中心，同时出口处于反应器中心相当高的位置，或者在另一种情况下通常处于较低的位置。这导致空气和水的涡流运动，促进了各物质的混合。通过采用合并的水/气体出口，等离子体气体与经过处理的水一起流经出口，使ROS和RNS最大程度接触水。使反应中的空气循环，以再利用从前一个周期出来的气体自由基，从而不浪费通过等离子体产生的反应活性气体。可对反应器的形状和水进口以及空气源进行设置，使得在反应室内产生涡流，以进一步优化等离子体与待处理的水/液体之间的界面以及等离子体与待处理的水/液体的混合。反应器的形状可以是圆锥形，但也可以是文丘里形或者旋流形状。
该方法具有许多可独立调节的参数，它们可用来针对特定应用、所需的速率/处理时间或者针对待处理水的量来实现对PAW工艺的最佳控制。这些参数包括针对两种等离子体模式中的每一种独立调节等离子体功率和等离子体开/关时间(或者负载周期)，调节空气和水的流速，改变储库中的水量，调节循环中的空气更新率，改变反应器中的绝对压力，以及优化水和等离子体界面。
已经制造了示例性原型并成功地利用实验室实验进行了测试。已经利用此原型制备了第一批15升PAW，经花荷(FloraHolland)测试成功地增加了花的瓶插寿命。借助于实验室装置，已经证明该方法能够用来生产具有受控性能的PAW。EFRO项目伙伴的测试表明，所生产的PAW成功地减少了葡萄孢菌对植物的感染(非洲菊/玫瑰)，并且对人体健康有害的细菌的对数下降值高达5(5log reduction)。
图6A-6D显示了根据本发明所得的NO2 -和H2O2的pH值与单位体积的等离子体能量的关系图。
PAW的其他应用包括：脱钙，以防结垢；种子发芽；用来给农作物和植物浇水，作为天然肥料促进植物生长。在一个示例中，当PAW在制备后约15分钟内使用时，表皮葡萄球菌(S.Epidermidis)在5分钟内实现log 8.4的下降值(log 8.4reduction)；金黄色葡萄球菌(S.Aureus)在10分钟内实现log6.5的下降值(log 6.5reduction)。
PAW技术用于对废水、饮用水或任何其他需要净化或消毒的水进行净化和/或消毒。本发明仅仅利用空气、电和水实现了PAW的生产，其中未加入任何其他化学物质。
对于医疗应用，PAW可对人的皮肤、伤口、牙齿根管、医疗器械、设备和表面进行消毒。除了消毒外，由于PAW与温和消毒剂结合时的协同效应，可以实现灭菌。PAW中溶解的ROS和RNS不仅能消毒，还在其他重要的生物过程中发挥作用。将PAW施加到人体皮肤上将使皮肤得到彻底清洁和消毒。这样的话，微生物将被杀死，而不会影响皮肤和健康组织。这能够治疗皮肤病，如脚部真菌感染、银屑病、真菌指甲等。
对于农业应用，本发明能够实现种子、植物、花卉、蔬菜和作物的防护、消毒和发芽，促进植物生长，其中热和非热PAW系统配置成直接对作物输出PAW，其中活化液体/水立即喷洒，或者在PAW已经储存一段时间后喷洒，或者以其他任何形式施加。这确保PAW以其最具活性的形得到使用。PAW能够显著延长剪下的花卉的瓶插寿命。另外，被葡萄孢菌感染的(玫瑰)花蕾能减少约60％。PAW能用作农业和园艺领域现有的杀生物剂和农药的替代品。溶解的RNS能用作植物和作物的肥料。
其他应用可以是废水/饮用水清洁、通过生物薄膜去污，例如用于清洁饮用水的薄膜。具体而言，生产可用作作物和植物肥料的氮组分是非常受关注的应用，因为PAW的能耗比目前使用的哈伯-博世工艺少得多。PAW生产工艺可具体用来生产过氧化氢，过氧化氢用于消毒，并且在化工生产工艺中用作原料。
本文描述了本发明的重要方面。一方面，反应器产生热等离子体和/或非热等离子体来活化水或液体，形成等离子体活化水(PAW)或等离子体活化液体。两种等离子体能够彼此独立地工作或同时工作。另一方面，通过组合热等离子体和非热等离子体，能够控制反应活性物质ROS和RNS及其他等离子体组分的产生，从而控制PAW或活化液体的组成。根据又一方面，等离子体活化气体与液体混合，使得反应活性物质ROS和RNS能够渗透和溶解到液体中，优选采用涡流，但也提供了在液体内鼓泡或者喷洒液体与等离子体混合的方式。此外，可减小或增大压力来促进活化过程。
在一个实施方式中，反应器包括一个或多个电极，在活化过程中，在电极上引燃并维持等离子体。这可以是彼此独立工作或者同时工作的热等离子体和非热等离子体。
根据又一方面，反应器包含单独的水进口和单独的空气进口，其中水流和气流可以根据具体的活化过程进行调节。水进口和空气进口位于反应器中，使得它们产生涡流，以优化等离子体与液体之间的界面。反应器的出口也可独立调节。非热等离子体和热等离子体的组合能够控制，以产生pH在0-7的范围内或者ORP值在200mV至800mV的范围内的PAW。需要指出，PAW的品质和组成不限于这些数值。这种组合还为控制过氧化氢、硝酸盐、亚硝酸盐及其他任何ROS和RNS的生产和生产速率提供了可能性。
根据本发明的又一方面，对反应器的形状加以设计，使等离子体与在处理液体之间发生最佳接触，其中反应器优选为圆锥形反应器、文丘里形反应器和/或旋流形反应器。反应器内的压力可增大或减小，以优化等离子体与被处理液体之间的界面。
另一方面，本发明设计成稀释PAW，以获得所需浓度的任何PAW组分、pH、ORP或EC值。液体或水存储在储库中，泵抽到反应器产生PAW，所述储库可用来存放PAW，直至将其用于所需的应用中。
已经结合若干示例性实施方式描述了本发明，这些实施方式意在就所有方面予以说明，而非限制。因此，本发明在详细的实施方案中可具有许多变化形式，本领域普通技术人员可以从本文所作描述得出这些变化形式。例如，在活化后约15分钟的时间里，PAW具有很强的消毒性能，如使表皮葡萄球菌和金黄色葡萄球菌之类的细菌实现6-8log的下降值。在该约15分钟的时间之后，PAW具有“中等”消毒性能，该性能在其生产之后能够持续至少1.5年的时间(在PAW恰当储存的情况下：冷、暗、与空气隔离)。因此，本发明形成的PAW可具有两种不同的形式：非常强有力的消毒剂，必须在等离子体活化后15分钟内使用；更加温和的消毒剂，在储存得当的情况下，这种消毒剂能够储存至少1.5年，并在此长时间内保持其消毒性能。所有这样的变化形式均被视为落在由以下权利要求及其合法等同技术方案所限定的本发明的范围和精神之内。

Claims (18)

1.一种热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，包含：
反应室，其中所述反应室包含气体进口、水进口、合并的气体和水出口、接地电极和反应电极，其中所述水进口和所述合并的气体和水出口设置成当水流过所述反应室时在所述反应室内形成涡流，其中所述反应电极包含设置在高出水层的气体空间内用于产生热等离子体和非热等离子体的热等离子体电极和非热等离子体电极，其中热等离子体电极和非热等离子体电极设置成独自或同时产生热等离子体模式和非热等离子体模式；以及
等离子体活化水储库，其中所述等离子体活化水储库设置成从所述反应室接收所述等离子体活化水，并设置成使所述等离子体活化水返回所述反应室。
2.根据权利要求1所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述等离子体活化水储库包含连接所述等离子体活化水储库和所述反应室水进口的水导管，其中所述水导管包含水泵，所述水泵设置成使水从所述等离子体活化水储库移动到所述反应室。
3.根据权利要求1所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述等离子体活化水储库包含连接所述等离子体活化水储库的顶部空间和所述反应室气体进口的气体导管，其中所述气体导管包含气体泵，所述气体泵设置成使气体从所述等离子体活化水储库移动到所述反应室。
4.根据权利要求3所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述气体导管还包含新鲜空气端口，其中所述新鲜空气端口设置成将新鲜空气输入所述气体导管，其中所述新鲜空气被输入所述反应室气体进口。
5.根据权利要求1所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述反应室包含连接所述反应室和所述等离子体活化水储库的等离子体活化水导管，其中所述等离子体活化水导管包含冷却元件，所述冷却元件设置成冷却从所述反应室向所述等离子体活化水储库移动的所述等离子体活化水。
6.根据权利要求5所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述等离子体活化水导管包含等离子体活化水泵，所述等离子体活化水泵设置成将所述等离子体活化水从所述反应室移动到所述等离子体活化水储库。
7.根据权利要求6所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述等离子体活化水储库包含选自下组的混合器：静态混合器、文丘里混合器和旋流混合器。
8.根据权利要求5所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述冷却元件被静态混合器替换，或者所述静态混合器和所述冷却元件一前一后布置。
9.根据权利要求1所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述非热等离子体电极和所述热等离子体电极反向独立开关或一前一后独立开关。
10.根据权利要求1所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述热等离子体电极连接到脉冲AC电压、正DC电压或负DC电压。
11.根据权利要求1所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述非热等离子体电极连接到脉冲RF电压、AC-RF电压或DC电压，其中所述DC电压包含欧姆串联阻抗元件。
12.根据权利要求1所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述反应室包含与非热部分分开的热部分，其中所述热部分通过反应室导管与所述非热部分连接，其中所述热部分包含所述热等离子体电极，其中所述非热部分包含所述非热等离子体电极。
13.根据权利要求12所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述非热等离子体电极与所述气体进口结合，其中所述气体进口与所述反应室的所述水进口结合，其中当所述水进口的文丘里力将气体拉入所述水进口时，所述非热等离子体电极使所述水进口中的水发生等离子体活化。
14.根据权利要求1所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述热等离子体电极和非热等离子体电极在所述等离子体活化水中产生反应活性氧物质和反应活性氮物质。
15.根据权利要求1所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统构造成生产选自下组的化合物：肥料氮物质和过氧化氢物质。
16.根据权利要求1所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述非热等离子体电极包含多个非热电极，其中能量均匀地分配给所有的所述多个非热电极。
17.根据权利要求1所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述接地电极包含金属容器，所述反应室包含玻璃反应室或绝缘反应室，其中等离子体电流通过所述玻璃反应室或所述绝缘反应室的壁传导，其中所述等离子体电流包含位移电流或电容电流。
18.根据权利要求17所述的热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统，其中所述金属容器包含金属箔。
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