CN108217605A - 光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，基于单级循环介质阻挡放电水雾合成双氧水，包括气液入口控制单元、O₂循环单元、双氧水发生单元、数据采集与控制单元、O₂‑O₃分离单元、高压激励单元、气液分离单元、H₂O₂分离单元、O₃储存器、H₂O₂储存器和溶液存储器；采用棒状阵列式高压脉冲介质阻挡放电，且通过电气参数调控，调节最佳放电环境，由于棒状阵列式反应器制作简单，减小自身电容，减少能耗损失，其大面积放电区域可适用于大流量生产，本装置制取双氧水原料为氯化钠溶液和氧气，易获取，产率高，适用于大规模制取双氧水。

Description

光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置

技术领域

本发明涉及放电等离子体的环境应用领域，具体涉及一种光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置。

背景技术

近年来，放电等离子体的环境应用已成为科学研究的前沿，并成为越来越热门的课题。作为一种高级氧化工艺(AOPs)，放电等离子体具有更显著的特点，相比于生物降解吸收的过程，其具有效率高、速度快的优点。此外，在大气压或更高的气压下可以产生放电等离子体(APP)，不必使用昂贵的真空设备，有更多的经济和应用价值。所以APPs在空气净化、水处理、臭氧合成、表面处理、生物医药、材料改性等领域具有很好的应用前景。空气中的放电等离子体伴随着紫外线(UV)辐射和电子碰撞，可以产生大量的活性物种，例如羟基自由基(OH)，氧自由基(O)，氮氧化物(NOx)，臭氧(O₃)和其他活性物种。等离子体在环境应用中，羟基自由基(OH)，氧自由基(O)非常重要。

目前，过氧化氢(H₂O₂)通常被认为是绿色化学中的重要试剂，因为水是H₂O₂中涉及氧化反应的唯一副产物，且双氧水具有氧化性，是一种重要的化工原料，被广泛应用于纸浆漂白、电子工业、污水处理、化学合成等领域。目前全世界绝大多数的H₂O₂采用蒽醌法生产，用蒽醌法生产双氧水存在工艺复杂，设备投资大以及环境污染等严重问题。采用钯、金等贵金属负载催化剂将氢氧直接合成H₂O₂已经有许多研究，但该过程存在着高选择性与高转化率不可兼得，生成的如O₂需要分离弊端。非平衡等离子体已经广泛用于材料处理及环境保护领域，在化学转化及合成领域也有很好的应用前景。用非平衡等离子体活化氢氧分子合成的H₂O₂虽早在上世纪60年代就有文献报道，但生成H₂O₂的产率很低。

发明内容

发明目的：本申请公开一种光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，采用棒状阵列式高压脉冲介质阻挡放电，且通过电气参数调控，调节最佳放电环境，在水雾喷雾中建立了非平衡等离子体处理系统，采用喷嘴喷射水雾射流，扩散区域广，处理流量大。由于棒状阵列式反应器制作简单，可减小自身电容，减少能耗损失，其大面积放电区域可适用于大流量生产，本装置制取双氧水原料为氯化钠溶液和氧气，易获取，产率高。本装置适用于大规模制取双氧水，是一种环境友好型的合成H₂O₂装置。

本申请技术方案如下。

光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，基于单级循环介质阻挡放电水雾合成双氧水，包括气液入口控制单元、O₂循环单元、双氧水发生单元、数据采集与控制单元、O₂-O₃分离单元、高压激励单元、气液分离单元、H₂O₂分离单元、O₃储存器、H₂O₂储存器和溶液存储器；

双氧水发生单元包括气液雾化单元和介质阻挡放电单元，O₂循环单元包括O₂储存器和气泵；数据采集与控制单元包括光谱仪，光谱仪与介质阻挡放电单元相连接；数据采集与控制单元基于光谱仪获得介质阻挡放电单元活性物质的相对产率能效比，基于相对产率能效比调整介质阻挡放电单元放电条件(放电条件包括电源供电电压、调功周期的频率，供电频率以及功率密度)。

数据采集与控制单元连接气液入口控制单元、O₂循环单元、O₂-O₃分离单元和H₂O₂分离单元；气液入口控制单元出口与气液雾化单元的入口相连，高压激励单元出口与介质阻挡放电单元入口相连；双氧水发生单元出口与气液分离单元、数据采集与控制单元入口相连，数据采集与控制单元出口与高压激励单元入口相连；O₂-O₃分离单元的O₂出口与O₂储存器入口相连，氧气储存器出口与气泵入口相连，气泵出口与气液入口控制单元上的气源入口相连；O₂-O₃分离单元的O₃出口与O₃储存器入口相连；H₂O₂分离单元的第一出口通过容易存储器与气液入口控制单元的液源入口相连；H₂O₂分离单元的第二出口与H₂O₂储存器入口相连，气液分离单元出口与O₂-O₃分离单元和H₂O₂分离单元入口相连。

气液入口控制单元、气液分离单元、O₂-O₃分离单元、O₂循环单元和H₂O₂分离单元内设置有阀门；溶液入口控制单元设置有液泵；双氧水发生单元中设置有流量传感器、压力传感器；

液源流入气液入口控制单元通过第一阀门V1控制；

气液分离单元与H₂O₂分离单元之间设置第二阀门V2；

溶液存储器与气液入口控制单元之间设置第一阀门V3；

气源流入气液入口控制单元量通过第四阀门V4控制；

H₂O₂分离单元与H₂O₂储存器之间设置有第五阀门V5；

第六阀门V6控制O₂-O₃分离单元中分离的O₃进入O₃储存器中储存；

第七阀门V7控制O₂-O₃分离单元中分离的O₂进入O₂储存器；

第八阀门V8控制O₂储存器中O₂排出量；

液泵M1将液源溶液或者H₂O₂分离器中分离后剩余溶液循环泵入气液入口控制单元，气泵M2将O₂储存器中O₂泵入气源中；

第一压力传感器PM1与第二压力传感器PM2用于测量雾化喷嘴中的压力，第三压力传感器PM3测量氧气储存器入口处压力；第一流量传感器FM1测量泵入喷嘴中溶液的流速，第二流量传感器FM2测量泵入喷嘴中气体的流速；过滤器F过滤掉溶液中杂质。

根据权利要求1所述的光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，

工作过程包括以下步骤：

S01，打开第一阀门V1通入NaCl溶液或水，同时打开第四阀门V4气源通出O₂，打开液泵M1，由液泵M1混合泵入溶液与O₂至气液雾化单元的喷嘴处；

S02，控制液泵M1与气泵M2分别控制液体与气体压力，调节液泵M1转速与第四阀门V4分别控制液体与气体流量，调控水雾射流的含水率与雾化液滴颗粒大小；

S03，过滤器F过滤掉溶液中杂质，气液混合通过喷嘴形成水雾射流，均匀分布于反应区域；

S05，保持气液雾化单元的喷嘴打开，使水雾射流均匀分布反应区域且排出容器中空气，打开高压电源激励反应器放电，产生H₂O₂和O₃，同时，通过高压探头，电压电流探头连接示波器光纤探头连接光谱仪调控高压电源输出电压电流以及占空比进行数据采集和控制；

S06，气液分离单元产生的O₃与O₂通过容器口分别进入O₂分离器和O₃分离器，剩余含有双氧水溶液进入H₂O₂分离单元中储存；

S07，打开第六阀门V6，O₃进入O₃储存器，打开第七阀门V7，O₂-O₃分离器中分离出的O₂先进入O₂储存器，检测压力传感器PM3，待O₂储存器中压力与外界大气压有一定压差，打开第八阀门V8和气泵，将O₂泵入气源中。

S08，待储存一定量的双氧水溶液，打开第二阀门V2进入H₂O₂分离单元，将双氧水与氯化钠分离并提纯，检测双氧水浓度，若达标则打开第五阀门V5，双氧水进入H₂O₂储存器中存储；若未达标则继续进行提纯操作，直至达标，剩余溶液通过打开第三阀门V3，循环至溶液入口夜源。

介质阻挡放电单元的容器长为L，宽为W，双氧水发生单元中雾化单元高为H₁，其中介质阻挡放电单元高为H₂，介质阻挡放电单元能够积液的高度为H₃，由气液雾化单元的喷嘴形成水雾射流夹角θ以及高度H₁，可得：

介质阻挡放电单元的棒状阵列式反应器电极间距d，电极与容器间距a，由于电极本身截面直径远远小于容器长宽，可忽略不计，则可得水平面反应器电极数为N₁：

由电极位置间距及位置关系可得铅锤面电极垂直间距b：

b＝cos30°·d (3)

则锤面上反应器电极数为N₂其满足式(4)关系：

介质阻挡放电单元基于棒状阵列式直流正介质阻挡放电或高压脉冲介质阻挡放电，调节输出高压范围为6-30kV；介质阻挡放电单元的棒状电极包括外层的石英空心管和中心的合金棒，外层和合金棒之间的空隙由硅胶填充，相邻水平面上电极分别接直流高压电源和地，交错阵列放置，每个电极与其上方和下方的电极构成等边三角形的三个顶点排列，相邻电极间距d范围为3.00-9.00cm。

介质阻挡放电单元放电过程为：在高压电源的激励下，负电极介质阻挡放电在尖端电极附近聚集起空间电荷，当电子引起碰撞电离后，形成电子雪崩过程，电子被驱往远离尖端电极的空间，并形成负离子，在靠近电极表面则聚集起正离子；电场继续加强时，正离子被吸进电极，此时出现脉冲介质阻挡放电电流，负离子则扩散到间隙空间；重复开始下一个电离及带电粒子运动过程；循环电离及带电粒子运动过程，以致出现许多脉冲形式的介质阻挡放电电流。

较优地，合金棒材质为钼、钨或镍铬合金。

数据采集与控制单元示控制过程为：通过第一压力传感器PM1、第二压力传感器PM2测得雾化喷嘴的气液压力大小；第一流量传感器FM1、第二流量传感器FM2测得气液流量大小、通过控制第一液泵M1转速控制液相流量，同时固定气相流量，从而调节水雾射流含水率以及雾珠粒径大小；通过第三压力传感器PM3检测氧气储存器与外界压差，控制第七阀门V7、第八阀门V8和气泵M2开关。

较优地，气液入口控制单元的液相原料为NaCl溶液或水；选取氧气作为气相原料。

获得介质阻挡放电单元活性物质的相对产率能效比具体包括以下步骤：

光谱仪测试获得的相对光谱强度对介质阻挡放电单元(DBD)的放电效果进行评估；

高压激励单元采用功率密度调制(Power Density Modulation:PDM)模式(高压激励单元采用功率密度调制(Power Density Modulation:PDM)模式)，在PDM模式下调整放电参数，基于放电起止点计算单个供电周期能量平均值E_d,a，根据测得的调功周期累加计算得到供电能量E_mj；

用放电区域内羟基自由基基(·OH)的相对光谱强度除以一个调功周期消耗能量表示相对光量子产率能效比E_er；来自放电区域的活性物质的相对光量子产率能效比通过下式求出：

其中I是放电区域的发射光谱的相对强度，E_m,j是一个调功周期内消耗的能量，m表示调功周期、j表示调功周期的次数；等离子体区域中活性物质的相对浓度与其发射光谱的相对强度呈正相关；通过使用相对光量子产率E_er来评价该情况下的反应条件；

牛顿爬山法通过不断调节放电反应系统的放电条件来比较调整前后DBD产生E_er的变化情况，根据变化情况来调整放电条件，包括可编程AC/DC电源的输出电压、PDM电源的供电电压、供电能量的参数,使放电反应器工作在最佳能效比。

本发明的有益效果包括：本装置采用棒状阵列式高压脉冲介质阻挡放电，且通过电气参数调控，调节最佳放电环境，在水雾喷雾中建立了非平衡等离子体处理系统，采用喷嘴喷射水雾射流，扩散区域广，处理流量大。由于棒状阵列式反应器制作简单，可减小自身电容，减少能耗损失，其大面积放电区域可适用于大流量生产，本装置制取双氧水原料为氯化钠溶液和氧气，易获取，产率高，适用于大规模制取双氧水，是一种环境友好型的合成H2O2装置。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；

图1为本申请光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置结构示意图；

图2为本申请光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置组件连接关系结构示意图；

图3为本申请光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置工作流程图；

图4光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置主体结构图；

图5雾化单元结构示意图；

图6介质阻挡放电单元结构侧视图；

图7介质阻挡放电单元结构正视图；

图8反应区域截面示意图；

图9反应器截面示意图；

图10a棒状电极正视图；

图10b棒状电极侧视图；

图11放电条件参数处理流程示意图；

图12放电电流处理流程图；

图13供电能量计算子流程图；

图14光量子产率能效比计算子流程图；

图15牛顿爬山算法示意图

图16调控示意图；

图17数据采集与控制单元系统工作图；

图18电磁阀工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效，且为了使该评价方法易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，基于单级循环介质阻挡放电水雾合成双氧水，包括气液入口控制单元、O₂循环单元、双氧水发生单元、数据采集与控制单元、O₂-O₃分离单元、高压激励单元、气液分离单元、H₂O₂分离单元、O₃储存器、H₂O₂储存器和溶液存储器；

双氧水发生单元包括气液雾化单元和介质阻挡放电单元，O₂循环单元包括O₂储存器和气泵；数据采集与控制单元包括光谱仪，光谱仪与介质阻挡放电单元相连接；数据采集与控制单元基于光谱仪获得介质阻挡放电单元活性物质的相对产率能效比，基于相对产率能效比调整介质阻挡放电单元放电条件(放电条件包括电源供电电压、调功周期的频率，供电频率以及功率密度)。数据采集与控制单元包括光谱仪、示波器和MCU，光谱仪和示波器与介质阻挡放电单元相连接；数据采集与控制单元的MCU对装置的阀门流量计压力计进行控制和数据读取。

数据采集与控制单元连接气液入口控制单元、O₂循环单元、O₂-O₃分离单元和H₂O₂分离单元；气液入口控制单元出口与双氧水发生单元中气液雾化单元入口相连，高压激励单元出口与介质阻挡放电单元入口相连；双氧水发生单元出口与气液分离单元、数据采集与控制单元入口相连，数据采集与控制单元出口与高压激励单元入口相连；O₂-O₃分离单元的O₂出口与氧气储存器入口相连，氧气储存器出口与气泵入口相连，气泵出口与气液入口控制单元上位气源入口相连；O₂-O₃分离单元的O₃出口与O₃储存器入口相连；H₂O₂分离单元的第一出口与气液入口控制单元的液源入口相连；H₂O₂分离单元的第二出口与H₂O₂储存器入口相连。

气液入口控制单元、气液分离单元、O₂-O₃分离单元、O₂循环单元和H₂O₂分离单元内设置有阀门；气液入口控制单元与O₂循环单元中分别设置有液泵和气泵。双氧水发生单元中设置有流量传感器、压力传感器。

液源流入气液入口控制单元的开关通过第一阀门V1控制；

气液分离单元与H₂O₂分离单元之间设置第二阀门V2；

溶液存储器与气液入口控制单元之间设置第一阀门V3；

气源流入气液入口控制单元的开关通过第四阀门V4控制；

H₂O₂分离单元与H₂O₂储存器之间设置有第五阀门V5；

第六阀门V6控制O₂-O₃分离单元中分离的O₃进入O₃储存器中储存；

第七阀门V7控制O₂-O₃分离单元中分离的O₂进入O₂储存器；

第八阀门V8控制O₂储存器中O₂排出量；

液泵M1将液源溶液或者H₂O₂分离器中分离后剩余溶液循环泵入气液入口控制单元，气泵M2将O₂储存器中O₂泵入气源中；

第一压力传感器PM1与第二压力传感器PM2用于测量雾化喷嘴中的压力，第三压力传感器PM3测量氧气储存器入口处压力；第一流量传感器FM1测量泵入喷嘴中溶液的流速，第二流量传感器FM2测量泵入喷嘴中气体的流速；过滤器F过滤掉溶液中杂质。

如图2所示，采用单级循环介质阻挡放电水雾合成双氧水装置，工作过程具体包括以下步骤，

S01，第一阀门V1控制氯化钠溶液或水流入，第二阀门V2控制合成的双氧水流入H₂O₂分离器中，第三阀门V3控制H₂O₂分离器中分离后剩余溶液循环利用，第四阀门V4控制气源，第五阀门V5控制H₂O₂分离器中分离的双氧水进入H₂O₂储存器中储存待后续利用，第六阀门V6控制O₂-O₃分离单元中分离的O₃进入O₃储存器中储存待后续利用，第七阀门V7控制O₂-O₃分离单元中分离的O₂进入O₂储存器中待循环利用，第8阀门V8控制O₂储存器中O₂排出进行循环利用；液泵M1将初始端溶液或者H₂O₂分离器中分离后剩余溶液循环泵入，气泵M2将O₂储存器中O₂泵入气源中；高压电源HV为高压直流电源或高压脉冲电源；第一压力传感器PM1与第二压力传感器PM2测量雾化喷嘴中的压力，第三压力传感器PM3测量氧气储存器入口处压力；第一流量传感器FM1测量泵入喷嘴中溶液的流速，第二流量传感器FM2测量泵入喷嘴中气体的流速；过滤器F过滤掉溶液中杂质。

如图3所示，本装置工作流程图首先打开第一阀门V1通入NaCl溶液或水，并且打开第四阀门V4气源通出O₂，再打开液泵M1，由液泵M1混合泵入溶液与O₂混合至喷嘴处，同时控制液泵M1与气泵分别控制液体与气体压力，调节液泵M1转速与第四阀门V4分别控制液体与气体流量，从而调控水雾射流的含水率与雾化液滴颗粒大小，过滤器F过滤掉溶液中杂质，气液混合通过喷嘴形成水雾射流，均匀分布于反应区域。保持喷嘴打开一段时间，使水雾射流均匀分布反应区域且排出容器中空气，再打开高压电源激励反应器放电，产生H₂O₂和O₃活性物质，同时，通过高压探头，电压电流探头连接示波器光纤探头连接光谱仪调控高压电源输出电压电流以及占空比进行数据采集和控制。产生物质与原物质首先进入气液分离单元，产生的O₃与O₂通过容器口排出进入O₂、O₃分离器，剩余含有双氧水溶液进入容器中储存。打开第六阀门V6，O₃进入储存器中待后续利用，打开第七阀门V7，O₂、O₃分离器中分离出的O₂先进入氧气储存器，检测压力传感器PM3，待储存器中压力与外界大气压有一定压差，打开第八阀门V8和气泵，将氧气泵入气源中，以达到循环利用的目的。待储存一定量的双氧水溶液，打开阀门V2进入H₂O₂分离器，将双氧水与氯化钠分离并提纯，检测双氧水浓度，若达标则打开阀门V5，双氧水进入储存器中待后续利用；若未达标则继续进行提纯操作，直至达标，其中，剩余溶液通过打开阀门V3，循环至溶液入口夜源处进行循环利用。

光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置主体结构图如图4所示，其中雾化单元结构示意图如图5所示，介质阻挡放电单元结构侧视图如图6所示，介质阻挡放电单元结构正视图如图7所示。介质阻挡放电单元的容器长为L，宽为W，双氧水发生单元中雾化单元高为H₁，其中介质阻挡放电单元高为H₂，其正下方储存容器高为H₃。由喷嘴形成水雾射流夹角θ以及高度H₁，可得：

由棒状阵列式反应器电极间距d，电极与容器间距a，由于电极本身截面直径远远小于容器长宽，可忽略不计，则可得水平面反应器电极数为N₁：

由电极位置间距及位置关系可得铅锤面电极垂直间距b：

b＝cos30°·d (3)

则锤面上反应器电极数为N₂,以及，其满足下列关系：

由N₁、N₂可得电极总数N为：

N＝N₁N₂ (5)。

介质阻挡放电单元基于棒状阵列式直流正介质阻挡放电或高压脉冲介质阻挡放电，调节输出高压范围为6-30kV。介质阻挡放电单元的棒状电极如图10a和图10b所示，包括外层的石英空心管和中心的钼、钨或镍铬合金棒构成，外层和中心之间的空隙由硅胶填充，石英为阻挡介质，钼、钨或镍铬合金棒作为放电电极，反应区域截面图如图8所示，相邻水平面上电极分别接直流高压电源和地，交错阵列放置，使放电反应区间大，反应时间充分，有利于产生大量H₂O₂与O₃，适合作为大型制H₂O₂应用装置。反应器截面示意图如图9所示，每个电极与其上方和下方的电极构成等边三角形的三个顶点排列，相邻电极间距d范围为3.00-9.00cm。

介质阻挡放电单元放电过程为：在高压电源的激励下，负电极介质阻挡放电在尖端电极附近聚集起空间电荷，当电子引起碰撞电离后，形成电子雪崩过程，电子被驱往远离尖端电极的空间，并形成负离子，在靠近电极表面则聚集起正离子。电场继续加强时，正离子被吸进电极，此时出现脉冲介质阻挡放电电流，负离子则扩散到间隙空间；重复开始下一个电离及带电粒子运动过程；如此循环，以致出现许多脉冲形式的介质阻挡放电电流。在介质阻挡放电的过程中主要产生强氧化物质：强氧化物质包括.高能粒子、氧原子和.臭氧；

a.高能粒子：在强电场的作用下，电极尖端将产生一定能量的电子，电子能量与微放电发生时，电极所加电场强度有关。

b.氧原子：具有一定能量的电子与空气中的氧分子碰撞引起氧气分子的解离，产生氧原子，反应式如下：

e+O₂→2O+e (7)

c.臭氧：具有一定能量的氧原子和氧气分子碰撞，反应生成臭氧，反应式如下：

O+O₂+M→O₃+M (8)

其中M表示参与的分子。

本实施例产生H₂O₂的原理为：

本装置采用介质阻挡放电等离子体的主要反应包括电子碰撞、光解和二次反应。介质阻挡放电等离子体内电子平均电子能量大约为1-10eV，这足以分解水分子H₂O和氧气分子O₂，并且放电区域伴随着强烈的紫外辐射。因此，通过电子碰撞和紫外光解，产生羟基自由基(OH)、氧原子(O)和氢自由基(H)的活性物质，反应式为：

e+O₂→O(¹D)+O(¹D)+e(T_e＝0-5eV) (9)

e+H₂O→e+H+OH(T_e＝1-2eV) (10)

O₂+hv→O+O(¹D)(λ＝200-220nm) (11)

H₂O+hv→OH+H(λ＝145-246nm) (12)

由于扮演热能载体的第三分子M(N₂或H₂O)的参与，放电区域的某些O将与O₂发生反应生成O₃，反应式如下：

O+O₂+M→O₃+M (13)

通过反应式(4)生成的OH自由基相互结合生成H₂O₂，反应式如下：

OH+OH→H₂O₂ (14)

数据采集与控制单元使用的MCU示意图如图16所示，数据采集与控制单元通过MCU控制所有电磁阀开关，控制流体流入与流出；示意图如图16所示，MCU可以选择STC公司的STC12C、STM32、STC89系列单片机。推荐使用封装为SOP-20，单片机内置了8位ADC和通用I/O口，速度均可达到100kHZ，8路ADC模块可以用作按键检测、液泵转速检测、流量检测、压力检测以及电磁阀开关检测。可将压力传感器、流量传感器检测到的气液流量以及压力转化为电压信号采集并传送到MCU的A/D口，之后MCU根据采集而来的信号控制整个系统的运行。显示屏与I/O口连接，显示屏可以使用的型号为LCD1602，LCD12864，LCD16864，LCD12232。如图16所示，MCU的管脚压力传感器、流量传感器、电磁阀V1-V8，液泵M1、开关按键以及MCU电源、显示单元、高压电源开关控制；总开关按键控制整体装置的运行，闭合后装置便开始正常工作。压力传感器、流量传感器将采集的信号转化为电压信号，输送给MCU并进行AD转换，再输送给显示屏。显示单元与单片机输出端口相连，主要显示机器是否正常工作、当前气液流量、气液压力、电磁阀开关参数。同时，通过反馈信号利用MCU控制电磁阀开关情况。

本装置数据采集与控制单元的MCU所控制的系统工作图如图17所示。通过压力传感器PM1、PM2测得气液压力大小、流量传感器FM1、FM2测得气液流量大小从而通过控制液泵M1转速控制液相流量，同时固定气相流量，从而调节水雾射流含水率以及雾珠粒径大小。此外，通过压力传感器检测氧气储存器与外界压差，控制电磁阀开关和气泵M2开关。本装置通过MCU控制所有电磁阀开关，控制流体流入与流出。

数据采集与控制单元示控制过程为：通过第一压力传感器PM1、第二压力传感器PM2测得气液压力大小；第一流量传感器FM1、第二流量传感器FM2测得气液流量大小、通过控制第一液泵M1转速控制液相流量，同时固定气相流量，从而调节水雾射流含水率以及雾珠粒径大小；通过压力传感器检测氧气储存器与外界压差，控制电磁阀开关和气泵M2开关。

气液入口控制单元的液相原料为NaCl溶液或水；选取氧气作为气相原料。

本申请通过气液混合雾化方式制取H₂O₂，其原料为NaCl溶液与O₂，其中选取NaCl溶液作为液相发生原料比NaOH碱性溶液产率高，因为H₂O₂是弱酸，在浓NaOH溶液中与OH^-反应生成HO₂ ^-，其反应式如下：

H₂O₂+OH^-→HO₂ ^-+H₂O (20)

因此，所产生的H₂O₂通过与NaOH反应而消耗，导致非常低的H₂O₂产率。

由于H₂O₂的产生速率强烈依赖于液体表面的等离子-液体相互作用如溅射、高电场诱导的水合离子发射和蒸发，所以本装置采用NaCl溶液或水。

本申请选取氧气作为气相原料，由于空气中含有大部分氮气，在放电过程中会产生NO、NO₂有害活性物质，其反应机理如下：

放电过程中主要反应包括电子碰撞、光解和二次反应。放电等离子体中电子平均能量在1-10eV左右。主要的反应是在不同的电子能量下电子的碰撞：

e+O₂→O(¹D)+O(¹D)+e(T_e＝0-5eV) (21)

e+H₂O→e+H+OH(T_e＝1-2eV) (22)

放电等离子体产生过程伴随着二次反应，H₂O和O₂分子被解离：

O(¹D)+H₂O→2OH (24)

N₂ ^*+O₂→N₂+2O(¹D) (25)

在等离子体区域，激发态O能与N₂分子反应，N与产生的OH反应。一些O能与O₂生成O₃，一些O₃与NO生成NO₂，反应方程式如下：

O(¹D)+N₂→NO+N (26)

N+OH→NO+H (27)

O₂+O+M→O₃+M (28)

NO+O₃→NO₂+O₂ (29)

此外，在高强度紫外辐射的环境中，主要是光解反应，如下：

H₂O+hv→OH+H(λ＝145-246nm) (30)

O₃+hv→O₂+O(¹D)(λ≤320nm) (31)

NO₂+hv→NO+O₂(λ≤420nm) (32)

NO₂+hv→N₂+O(¹D)(λ≤337nm) (33)

产生NO_X的另一个途径，是水合电子(e_aq)和OH参与反应。这个过程可能涉及的主要反应式如下：

OH+NO→NO₂ ^-+H⁺ (34)

e^- _aq+NO_x ^-y→(NOx)^-(y+1) (35)

(NOx)^-(y+1)+H2O→2OH^-(y+1)+NO_X (36)

以上公式中，x＝1或2，y＝0或1。

生成的NO₂与H₂O发生反应生成酸性物质HNO_X，主要的反应式如下：

3NO₂+H₂O→2NO₃ ^-+2H⁺+NO (37)

而且NO₂溶于水中形成HNO₃，溶液中含有NO^3-，使溶液酸性增强，而H₂O₂成弱酸性，将抑制H₂O₂的产生，降低其产率。

气液雾化单元的雾化喷嘴工作原理为当水经过喷嘴排出，流经喷嘴孔边际时展开成液体层，因为空气动力的不安稳，将液体层簖裂变成拉长了的管孔状的粗细的圆柱体，然后变成液滴，液滴的直径巨细取决于液体层的厚度和均匀度，安稳的液体和决裂进程。

经过内部压力，将内部的液体挤压进喷嘴中，雾化喷嘴内部放置有一块叶片，高速活动的液体经过叶片的旋流腔构成雾，叶片的巨细厚薄.喷头的喷孔孔径，必定要与喷嘴配合，使液体冲击反弹后构成直径15-60微米左右的雾化颗粒，并经过喷嘴出口喷出构成喷雾。

本实施例中，采用喷嘴型号选用PNR公司的AA系列、AE系列、AL系列，其实心圆锥形喷雾区域可均匀较全面覆盖反应区域，有利于介质阻挡放电均匀化，且喷嘴水雾射流夹角范围宽，本装置设置角度范围为90°-135°，形成水雾射流量多喷洒区域广，适合用于大量制取双氧水。

雾化喷嘴利用压缩空气的喷散作用来使物料雾化的，空气雾化喷嘴是空气流和液体流互相影响而产生薄雾使液体和气体均匀混合，产生微细液滴尺寸的喷雾或粗液滴喷雾。通过调节气体压力或降低液体压力可得到不同颗粒大小的液滴喷雾，从而调整的气体流动率液体流率比并控制含水率。

雾化后的雾珠粒径大小与喷嘴内外的压强差，水合气体的比例参数密切相关。本装置中，先固定雾化喷嘴内外压力差，压力差通过液体压力计PM1与气体压力计PM2分别控制液相与气相压力，再通过改变含水率大小调节水雾的雾珠粒径大小。其中，水合气的体积流量可通过调节液泵M1和调节阀V4改变，水合气的流量可分别通过液体流量计和气体流量计测量。

水雾环境中放电产生的活性物质主要存在气相中，雾珠比表面积较大有利于气相中活性物质与雾珠产生扩散与传质作用。本装置中，含水率控制在5％-10％产生活性物质效果最佳，控制雾珠粒径范围为15-60微米。

O₂-O₃分离单元中分离氧气与臭氧是利用热交换器和冷媒质将臭氧和氧气的混合气体的温度降低至臭氧的沸点温度和氧气的沸点温度之间，使臭氧转化为液态，而氧气仍然为气态，从而对氧气和臭氧的混合气体进行分离。

本实施例将浓度为达标的双氧水溶液进行分离提纯，其原理为用纯水萃取，经精制、浓缩可提高双氧水的浓度，其中萃取后剩余溶液经再生处理循环使用。此法工业上生产技术已经非常成熟，技术先进，自动化程度高，成本和能耗较低，适合大规模工业化生产双氧水。

光谱仪获得介质阻挡放电单元活性物质的相对产率能效比具体包括以下步骤：

光谱仪测试获得的相对光谱强度对介质阻挡放电单元(DBD)的放电效果进行评估；

用放电区域内羟基自由基(·OH)的相对光谱强度除以一个调功周期消耗能量表示相对光量子产率能效比(E_er)；来自放电区域的活性物质的相对光量子产率能效比可以通过下式求出：

其中I是放电区域的发射光谱的相对强度，E_m,j是一个调功周期内消耗的能量，m表示调功周期、j表示调功周期的次数；等离子体区域中活性物质的相对浓度与其发射光谱的相对强度呈正相关；通过使用相对光量子产率E_er来评价活性物质的产率；

高压激励单元采用功率密度调制(Power Density Modulation:PDM)模式(高压激励单元采用功率密度调制(Power Density Modulation:PDM)模式)，在PDM模式下调整放电参数，包括PDM电源供电电压、调功周期的频率，供电频率以及功率密度。通过找到的放电起止点计算单个供电周期能量平均值E_d,a，根据测得的调功周期以及供电周期累加计算得到总供电能量E_T；使用光谱仪测量放电区域内活性物种的相对光谱强度通过牛顿爬山算法进行相对光量子产率能效比评估，确定最佳反应条件。

牛顿爬山法通过不断调节放电反应系统的放电条件来比较调整前后DBD产生E_er的变化情况，根据变化情况来调整放电条件，包括可编程AC/DC电源的输出电压、PDM电源的供电电压、供电能量的参数,使放电反应器工作在最佳能效比。

如图11，放电条件参数处理过程是将读取并保存的数据进行计算处理，通过供电电压处理流程、放电电流处理流程、供电能量计算流程、等效参数计算子流程、量子产率能效比子流程，分别得到供电电压峰-峰值、有效放电时间、微放电平均强度、系统运行时间内总供电能量、单个供电周期平均能量、反应器等效电容、量子产率能效比。

第一个进行的是供电电压处理子流程，在这一部分，只需自动读取PC机上存储的“供电电压”采集通道的数据，之后得到供电电压的峰-峰值进行显示输出。

图12是放电电流处理流程示意图，得到装置运行过程中的平均微放电强度和有效放电总时间。图13是供电能量计算流程图，得到装置运行过程中的单个供电周期的能量平均值和总供电能量。根据得到的数据，进行单个周期的李萨如图形重构。由于李萨如图形是两个正交矢量在做周期性振荡时合成的曲线，两个矢量的振动频率相同，能够合成封闭的图形。但是在振动过程中，矢量的模是不固定，因此每个周期合成的图形大小会有差异。在进行供电能量计算时，需要对每个周期李萨如图形的面积进行计算，因此要进行图形的重构并对每个周期进行分离，确立图形分离的规则。重构过程如下：

以“积分电压”为横坐标数据，“供电电压”为纵坐标数据，进行图形重构。此时得到的是所有供电周期堆叠的李萨如图形。由于单个供电周期对应的是单个李萨如图形，因此需进行单个周期图形分离。确立单个供电周期李萨如图形重构的数据选取范围规则是：在绘制李萨如图时，选择施加的电压上升到零的两个相邻点的时间作为一个周期。

在对单个供电周期的李萨如图形进行分离重构后，对重构的李萨如图形进行供电电压与积分电压的积分计算，得到李萨如图形的面积S_d,i。根据李萨如的面积，结合得到的单个供电周期的能量E_d,i、一个调功周期内的供电周期个数n_dm,j和调功周期的供电能量E_m,j。之后根据运行时间内总供电周期个数N_on,t对每个供电周期的能量进行累加，得到系统运行时间内的总供电能量。对E_d,a和E_T进行输出显示。

图14是相对光量子产率能效比(E_er)计算子程序，根据“供电能量处理子程序”中经过处理存储的“调功周期供电能量E_m,j”数据，计算得到相对光量子产率能效比，并对结果进行显示输出。

通过前面的步骤得到放电参数后，进而与牛顿爬山算法相结合，设计了最佳放电效果评估方法。根据光量子产率的变化规律，得到在最佳放电效果时对应的放电参数。根据牛顿爬山算法找出最佳E_er对应的放电条件，确定相应的参数范围。

如图15所示是牛顿爬山法的XX-E_er图，横轴表示一个调功周期的供电能量E_m,j，纵轴表示相对光量子产率E_er。牛顿爬山法又称扰动观察法，通过不断调节放电反应系统的放电条件来比较调整前后DBD产生E_er的变化情况，再根据变化情况来调整放电条件，包括可编程AC/DC电源的输出电压、PDM电源的供电电压、供电能量的参数,使放电反应器工作在最佳能效比附近。可以分析牛顿爬山法具体工作情况如下：

(1)在A点加一个扰动变量，如改变供电能量，使反应器的E_er达到B点；

(2)检测到之前提高供电能量使得反应器的相对光量子产率能效比增加，继续原来的方向增加扰动变量，使反应器工作在C点；

(3)继续原来的方向加扰动变量，使反应器工作在M点；

(4)继续原来的方向加扰动变量，使反应器工作在D点；

(5)此时检测到之前的扰动变量使得反应器的相对光量子产率能效比减小，改变原来的方向加扰动变量，使反应器的E_er重新达到M点；

(6)继续原来的方向加扰动变量，使反应器工作在C点；

(7)最后，反应器在C点，M点，D点三个工作点间波动。

算法中的扰动变量选取：供电电压、调功周期的频率，供电频率以及功率密度，使用这种方法可以确定最佳的相对光量子产率能效比，而且可以得到所对应的放电条件，因此可以确定最佳放电参数调节范围。

在牛顿爬山算法中，根据扰动变量的步长所确定的M点不一定是E_er的最高点，在确定了最佳参数调节范围C到D后，用优选法对扰动变量的步长进行重新设定，根据下列步骤找出最高点：

(1)在(C,M)区间内取中点P1，(M,D)区间内取中点P2；

(2)当P1对应的函数值大于P2对应的函数值时，相对光量子产率能效比的极大值在(P1,M)区间内，(M,P2)的区间舍去；

(3)反之，极大值在(M,P2)区间内，舍去(P1,M)区间；

(4)当P1和P2对应的函数值相等时，极大值在(P1,P2)范围内，舍去(C,P1)和(P2,D)的区间；

(5)在剩余的区间内重新取中点，找到P3，P4，以步骤(1)到(4)的方式继续进行迭代计算；直到剩余区间范围小于设定值时，算法结束。

本装置采用电磁阀开关，由数据采集与控制单元自动控制开启和关闭状态，Gems公司A系列、B系列、C系列电磁阀，可用于高流量场合，耐酸性或碱性溶液，高速响应，工作寿命长。其原理为通电时，电磁线圈产生电磁力，直接吸合磁芯，磁芯变位，阀门打开；断电时，磁力消失，磁芯靠弹簧复位，阀门关闭。电磁阀开关工作原理如图18所示。

压力传感器工作原理半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力(压力)使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号，从而从输出电信号可得出当前压力大小。本装置可采用Gems公司的CAD1200/1600系列、2200/2600系列、6700系列压力变送器。

本实施例使用流量传感器原理是基于法拉第电磁感应定律，当导电液体以平均流速且垂直于磁场方向通过两电极时，电极间产生相应的电动势，根据电场强度与流过的体积流量关系得出。本装置可采用Gems公司的RFO型电子流量计、RFA型电子流量计等。

本装置使用过滤器，目的除去进入喷嘴前溶液中杂质或者大颗粒物，采用不锈钢网状过滤网多层安装。

本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征在于，

基于单级循环介质阻挡放电水雾合成双氧水，包括气液入口控制单元、O₂循环单元、双氧水发生单元、数据采集与控制单元、O₂-O₃分离单元、高压激励单元、气液分离单元、H₂O₂分离单元、O₃储存器、H₂O₂储存器和溶液存储器；

双氧水发生单元包括气液雾化单元和介质阻挡放电单元，O₂循环单元包括O₂储存器和气泵；数据采集与控制单元包括光谱仪，光谱仪与介质阻挡放电单元相连接；数据采集与控制单元基于光谱仪获得介质阻挡放电单元活性物质的相对产率能效比，基于相对产率能效比调整介质阻挡放电单元放电条件；

数据采集与控制单元连接气液入口控制单元、O₂循环单元、O₂-O₃分离单元和H₂O₂分离单元；气液入口控制单元出口与气液雾化单元的入口相连，高压激励单元出口与介质阻挡放电单元入口相连；双氧水发生单元出口与气液分离单元、数据采集与控制单元入口相连，数据采集与控制单元出口与高压激励单元入口相连；O₂-O₃分离单元的O₂出口与O₂储存器入口相连，氧气储存器出口与气泵入口相连，气泵出口与气液入口控制单元上的气源入口相连；O₂-O₃分离单元的O₃出口与O₃储存器入口相连；H₂O₂分离单元的第一出口通过容易存储器与气液入口控制单元的液源入口相连；H₂O₂分离单元的第二出口与H₂O₂储存器入口相连，气液分离单元出口与O₂-O₃分离单元和H₂O₂分离单元入口相连。

2.根据权利要求1所述的光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征在于，

液源流入气液入口控制单元通过第一阀门(V1)控制；

气液分离单元与H₂O₂分离单元之间设置第二阀门(V2)；

溶液存储器与气液入口控制单元之间设置第一阀门(V3)；

气源流入气液入口控制单元通过第四阀门(V4)控制；

H₂O₂分离单元与H₂O₂储存器之间设置有第五阀门(V5)；

第六阀门(V6)控制O₂-O₃分离单元中分离的O₃进入O₃储存器中储存；

第七阀门(V7)控制O₂-O₃分离单元中分离的O₂进入O₂储存器；

第八阀门(V8)控制O₂储存器中O₂排出量；

液泵(M1)将液源溶液或者H₂O₂分离器中分离后剩余溶液循环泵入气液入口控制单元，气泵(M2)将O₂储存器中O₂泵入气源中；

第一压力传感器(PM1)与第二压力传感器(PM2)用于测量雾化喷嘴中的压力，第三压力传感器(PM3)测量氧气储存器入口处压力；第一流量传感器(FM1)测量泵入喷嘴中溶液的流速，第二流量传感器(FM2)测量泵入喷嘴中气体的流速；过滤器(F)过滤掉溶液中杂质。

3.根据权利要求1所述的光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征在于，

工作过程包括以下步骤：

S01，打开第一阀门(V1)通入NaCl溶液或水，同时打开第四阀门(V4)气源通出O₂，打开液泵(M1)，由液泵(M1)混合泵入溶液与O₂至气液雾化单元的喷嘴处；

S02，控制液泵(M1)与气泵(M2)分别控制液体与气体压力，调节液泵(M1)转速与第四阀门(V4)分别控制液体与气体流量，调控水雾射流的含水率与雾化液滴颗粒大小；

S03，过滤器F过滤掉溶液中杂质，气液混合通过喷嘴形成水雾射流，均匀分布于反应区域；

S05，保持气液雾化单元的喷嘴打开，使水雾射流均匀分布反应区域且排出容器中空气，打开高压电源激励反应器放电，产生H₂O₂和O₃，同时，通过高压探头，电压电流探头连接示波器光纤探头连接光谱仪调控高压电源输出电压电流以及占空比进行数据采集和控制；

S06，气液分离单元产生的O₃与O₂通过容器口分别进入O₂分离器和O₃分离器，剩余含有双氧水溶液进入H₂O₂分离单元中储存；

S07，打开第六阀门(V6)，O₃进入O₃储存器，打开第七阀门(V7)，O₂-O₃分离器中分离出的O₂先进入O₂储存器，检测压力传感器(PM3)，待O₂储存器中压力与外界大气压有一定压差，打开第八阀门(V8)和气泵(M2)，将O₂泵入气源中；

S08，待储存一定量的双氧水溶液，打开第二阀门(V2)进入H₂O₂分离单元，将双氧水与氯化钠分离并提纯，检测双氧水浓度，若达标则打开第五阀门(V5)，双氧水进入H₂O₂储存器中存储；若未达标则继续进行提纯操作，直至达标，剩余溶液通过打开第三阀门(V3)，循环至溶液入口夜源。

4.根据权利要求1所述的光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征在于，

介质阻挡放电单元的容器长为L，宽为W，双氧水发生单元中雾化单元高为H₁，介质阻挡放电单元高为H₂，介质阻挡放电单元能够积液的高度为H₃，由气液雾化单元的喷嘴形成水雾射流夹角θ和高度H₁，可得式(1)：

介质阻挡放电单元的棒状阵列式反应器电极间距为d，电极与容器间距a，则水平面反应器电极数为N₁：

由电极间距d及位置关系可得铅锤面电极垂直间距b：

b＝cos30°·d (3)

则锤面上反应器电极数为N₂，满足式(4)关系：

5.根据权利要求4所述的光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征在于，

介质阻挡放电单元基于棒状阵列式直流正介质阻挡放电或高压脉冲介质阻挡放电，调节输出高压范围为6-30kV；介质阻挡放电单元的棒状电极包括外层的石英空心管和中心的合金棒，外层和合金棒之间的空隙由硅胶填充，相邻水平面上电极分别接直流高压电源和地，交错阵列放置，每个电极与其上方和下方的电极构成等边三角形的三个顶点排列，相邻电极间距d范围为3.00-9.00cm；

介质阻挡放电单元放电过程为：在高压电源的激励下，负电极介质阻挡放电在尖端电极附近聚集起空间电荷，当电子引起碰撞电离后，形成电子雪崩过程，电子被驱往远离尖端电极的空间，形成负离子，在靠近电极表面则聚集起正离子；电场继续加强时，正离子被吸进电极，此时出现脉冲介质阻挡放电电流，负离子则扩散到间隙空间；重复开始下一个电离及带电粒子运动过程；循环电离及带电粒子运动过程，出现多脉冲形式的介质阻挡放电电流。

6.根据权利要求5所述的光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征在于，

合金棒材质为钼、钨或镍铬合金。

7.根据权利要求1所述的光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征在于，

数据采集与控制单元控制过程为：通过第一压力传感器(PM1)、第二压力传感器(PM2)测得雾化喷嘴的气液压力大小；第一流量传感器(FM1)、第二流量传感器(FM2)测得气液流量大小、通过控制第一液泵M1转速控制液相流量，同时固定气相流量，从而调节水雾射流含水率以及雾珠粒径大小；通过第三压力传感器(PM3)检测氧气储存器与外界压差，控制第七阀门(V7)、第八阀门(V8)和气泵(M2)开关。

8.根据权利要求1所述的光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征在于，

气液入口控制单元的液相原料为NaCl溶液或水；选取氧气作为气相原料。

9.根据权利要求1所述的光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征在于，

获得介质阻挡放电单元活性物质的相对产率能效比具体包括以下步骤：

光谱仪测试获得的相对光谱强度对介质阻挡放电单元的放电效果进行评估；

高压激励单元采用功率密度调制模式，在PDM模式下调整放电参数，通过找到的放电起止点计算单个供电周期能量平均值E_d,a，根据测得的调功周期累加计算得到供电能量E_mj；

用放电区域内羟基自由基的相对光谱强度除以一个调功周期消耗能量表示相对光量子产率能效比E_er；来自放电区域的活性物质的相对光量子产率能效比通过下式求出：

其中I是放电区域的发射光谱的相对强度，E_m,j是一个调功周期内消耗的能量，m表示调功周期、j表示调功周期的次数；等离子体区域中活性物质的相对浓度与其发射光谱的相对强度呈正相关；通过使用相对光量子产率E_er来评价反应条件。

10.根据权利要求9所述的光电检测棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征在于，

牛顿爬山法通过不断调节放电反应系统的放电条件来比较调整前后DBD产生相对光量子产率能效比E_er的变化情况，根据变化情况来调整放电条件，使介质阻挡放电单元工作在最佳能效比。