CN108238590A - 棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置及方法。本装置包括：可调供电单元、双氧水发生单元、电信号转换单元和数据分析控制单元，双氧水发生单元由水雾产生单元、棒状阵列介质阻挡放电单元和气液分离单元相互连通构成；棒状阵列介质阻挡放电单元包括由箱体和棒状电极构成的反应器；箱体内设置有若干平行于箱体底面且相互平行的多排棒状电极；同排的电极连接电源的正极或负极，上下相邻排的电极分别连接电源的正极和负极。本装置结构新颖，处理效果显著，实现了快速制取双氧水的功能，同时反应器体积大幅度减少，能够做到随产随用，此外还不会产生环境污染，有广阔的应用前景。

Description

棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置及方法

技术领域

本发明涉及一种棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置。

背景技术

双氧水(H₂O₂)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。双氧水具有氧化作用，可用于织物、纸浆、草滕竹制品的漂白、有机合成及高分子合成、有机及无机过氧化物的生产、电镀工业、三废处理、食品和医药工业等等。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，反应器体积大，单次加工时间长，还存在催化剂粉碎、结块、蒽醌降解、氢效低、催化剂中毒、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需要分离等弊端。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。由于板板式介质阻挡放电反应器制作简单，制取H₂O₂的原料——水雾和O₂，能够大量而简易的获取，所以用板板式介质阻挡放电反应器合成H₂O₂可以做到随用随制，节约成本，不再局限于大规模工厂生产，是一种环境友好型的合成H₂O₂方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，可以快速制取双氧水，同时反应器体积小，不会污染环境。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征是，包括：可调供电单元、双氧水产生单元、电信号转换单元和数据分析控制单元；

所述双氧水发生单元由水雾产生单元、棒状阵列介质阻挡放电单元和气液分离单元相互连通构成；

所述水雾产生单元将从外接气源和外接液源输入的气体和液体产生均匀的有一定流速的水雾；

所述棒状阵列介质阻挡放电单元采用介质阻挡放电处理所述水雾产生单元的水雾产生双氧水和臭氧；

所述可调供电单元为棒状阵列介质阻挡放电单元提供高压脉冲激励；

所述电信号转换单元将棒状阵列介质阻挡放电单元产生的光谱相对强度、电压和电流信号分别转化为数字信号输入至所述数据分析控制单元中；

所述数据分析控制单元分析收到的所述电信号转换单元的信号，分析出单位能量产生双氧水量的相对量，并通过控制所述可调供电单元调整所述棒状阵列介质阻挡放电单元的供电电压、频率和功率密度，获得最大能效比；

所述气液分离单元将所述棒状阵列介质阻挡放电单元输出的水雾通入积液中，将水雾中的气液分离；

棒状阵列介质阻挡放电单元包括由箱体和棒状电极构成的反应器；箱体内设置有若干平行于箱体底面且相互平行的多排棒状电极；同排的电极连接电源的正极或负极，上下相邻排的电极分别连接电源的正极和负极；

棒状电极的每个电极均由外层的石英空心管和中间的钼、钨或镍铬合金棒构成，石英空心管与钼、钨或镍铬合金棒之间空隙由硅胶填充，石英空心管作为阻挡介质，钼、钨或镍铬合金棒作为放电电极。

还包括一气液控制循环单元，由所述气液控制循环单元由所述数据分析控制单元控制，对输入所述水雾产生单元的气体流量和液体流量进行调整。

还包括一储气单元，所述储气单元储存所述气液分离单元工作后产生的气体。

还包括一储液单元，所述储液单元储存所述气液分离单元工作后产生的双氧水。

所述外接气源为所述水雾产生单元提供氧气。

所述数据分析控制单元根据光谱仪测试获得的相对光谱强度对棒状阵列介质阻挡放电单元的放电效果进行评估，通过下式计算来自放电区域的活性物质的相对光量子产率E_er：

其中，I是放电区域的发射光谱的相对强度，E_m,j是调功周期的供电能量；

通过相对光量子产率E_er评价活性物种的产率。

水雾产生单元产生的水雾快速穿过阻挡介质间的空隙的同时，采用电压脉冲上升和下降时间为纳秒级的高压脉冲激励驱动棒状阵列介质阻挡放电单元产生放电，产生放电生成物。

水雾产生单元采用单个或多个超声雾化器。

气液分离单元包括一可容纳积液的箱体，箱体内下方设置一填充物质，填充物质与箱体一端侧壁之间由一淹没在积液内的细网分隔；水雾由箱体上方的入口进入箱体内，并通过一始终位于积液的液面之下的水雾入口通入积液中。

一种棒状阵列小流量自动能量适配水雾合成双氧水方法，其特征是，

水雾产生单元将从外接气源和外接液源输入的气体和液体产生均匀的有一定流速的水雾；

棒状阵列介质阻挡放电单元采用介质阻挡放电处理水雾产生单元的水雾产生双氧水和臭氧；

可调供电单元为棒状阵列介质阻挡放电单元提供高压脉冲激励；

电信号转换单元将棒状阵列介质阻挡放电单元产生的光谱相对强度、电压和电流信号分别转化为数字信号输入至所述数据分析控制单元中；

数据分析控制单元分析收到的所述电信号转换单元的信号，分析出单位能量产生双氧水量的相对量，并通过控制所述可调供电单元调整所述棒状阵列介质阻挡放电单元的供电电压、频率和功率密度，获得最大能效比；

气液分离单元将所述棒状阵列介质阻挡放电单元输出的水雾通入积液中，将水雾中的气液分离；

棒状阵列介质阻挡放电单元包括由箱体和棒状电极构成的反应器；箱体内设置有若干平行于箱体底面且相互平行的多排棒状电极；同排的电极连接电源的正极或负极，上下相邻排的电极分别连接电源的正极和负极；棒状电极的每个电极均由外层的石英空心管和中间的钼、钨或镍铬合金棒构成，石英空心管与钼、钨或镍铬合金棒之间空隙由硅胶填充，石英空心管作为阻挡介质，钼、钨或镍铬合金棒作为放电电极；

水雾产生单元产生的水雾快速穿过石英空心管之间的空隙，采用电压脉冲上升和下降时间为纳秒级的高压脉冲激励驱动棒状阵列介质阻挡放电单元放电，产生放电生成物。

本发明所达到的有益效果：

本装置实现了快速制取双氧水的功能，同时反应器体积大大减少，能够做到随产随用，此外还不会产生环境污染。同时本装置结构新颖，处理效果显著，能有效快速产生H202，有广阔的运用前景。

附图说明

图1整体装置框架图；

图2整体装置示意图；

图3系统工作流程图；

图4参数处理主程序；

图5反应器输入电压测试示意图；

图6反应器供电电流测试示意图；

图7紫外传感器测试示意图；

图8水位采集测试示意图；

图9供电能量计算子程序；

图10光量子产率能效比计算子程序；

图11牛顿爬山算法示意图；

图12a、图12b棒状阵列介质阻挡放电单元反应器正示意图和侧示意图；

图13a、图13b棒状电极正示意图和侧示意图；

图14气液分离单元结构正视图；

图15气液分离单元结构右视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

1整体装置结构

如图1和图2所示，本发明主要包括：外接气源、外接液源、气液控制循环单元、水雾产生单元、棒状阵列介质阻挡放电单元、可调供电单元、双氧水发生单元、电信号转换单元、数据分析控制单元、气液分离单元、储液单元和储气单元。

其中，所述双氧水发生单元由水雾产生单元、棒状阵列介质阻挡放电单元和气液分离单元相互连通构成；外接气源与气液控制循环单元相连；外接液源与水雾产生单元相连；储气单元与气液控制循环单元相连；气液分离单元与气液控制循环单元相连；气液控制循环单元与水雾产生单元相连；水雾产生单元与棒状阵列介质阻挡放电单元相连；棒状阵列介质阻挡放电单元与可调供电单元相连；棒状阵列介质阻挡放电单元与电信号转换单元相连；可调供电单元与电信号转换单元相连；数据分析控制单元与电信号转换单元相连；气液分离单元与电信号转换单元相连；数据分析控制单元与气液控制循环单元相连；数据分析控制单元与可调供电单元相连；棒状阵列介质阻挡放电单元与气液分离单元相连；气液分离单元与储液单元相连。

本装置中，水雾产生单元利用输入的气体和液体产生均匀的有一定流速的水雾；气液控制循环单元通过调整输入水雾产生单元的气体流量和液体流量，控制产生的水雾流速和浓度；棒状阵列介质阻挡放电单元采用介质阻挡放电放电处理水雾产生双氧水和臭氧；电信号转换单元能够将OH产生的光谱相对强度，棒状介质阻挡放电的电压和电流转化为数字信号；数据分析控制单元能够根据电信号转换单元发生的信息，根据算法分析出单位能量产生双氧水量的相对量，通过调整供电电压、频率和功率密度，获得最大能效比，同时控制气液阀门的开关情况；气液分离单元将棒状阵列介质阻挡放电单元输出的水雾通入积液中，将水雾中的气液分离；可调供电单元为棒状阵列介质阻挡放电单元提供高压脉冲激励；储气单元负责储存工作后产生的臭氧、氧气等气体的混合物；外接气源为装置提供高浓度氧气；储液单元负责储存工作后产生的双氧水；

气液控制循环单元包括电极M1、M2，阀门V1、阀门V2、阀门V3和阀门V4。

结合图2和图3，电极M1、M2，阀门V1、V4开启后水雾产生单元工作，等待15秒后可调供电单元工作，接着通过棒状阵列介质阻挡放电单元处理产生的水雾，处理过后电信号转换单元传递数据给数据分析控制单元对数据进行分析，分析结果进行一次条件判断，若为最佳条件则阀门V3、V4开启来调节水位高度直至符合要求，水位高度达到要求后阀门V5开启，储液单元收集产物。若不为最佳条件则通过数据分析控制单元调控电源参数然后反馈给电信号转换单元采集数据重新进行条件判断。

2电信号转换单元

电信号转换单元包括供电电压检测电路、供电电流检测电路、光电信号转换电路和水位信号转换电路。

2.1电压信号和电流信号转换

结合图5和图6所示的供电电压检测电路和供电电流检测电路。在这一部分为了实时显示当前设备的工作功率，本发明检测了电源的输入电压和电流。

本发明采用的测量电压的方法是电阻分压器法，将高电压波形转换成低电压波形，由高压臂和低压臂组成。输入电压VRH加在整个装置上，而输出电压则取自低压电阻R2。将R2两端的电压信号通过电容C1，起到消除直流分量的作用。另外，由于该电路检测的是高压信号，为了防止出现瞬时高压尖峰通过分压电路，造成检测电路短路，损坏元器件情况，在C1后端并联一个TVS管D1，用于导入大电压，吸收浪涌功率，保护测试电路。采集到的电压信号经过精密整流电路进行整流，再通过真有效值(RMS)转换电路对交流信号进行真有效值转换。真有效值转换芯片可选择AD637、AD736或AD737等。之后将交流信号变为直流信号，然后输入到数据分析控制单元，数据分析控制单元可以是内置ADC模块的MCU，进行信号的处理。如图5所示，R1、R2分别代表高电压臂和低电压臂的电阻，假定被测电压为U，R2两端电压为U_R2。根据电流连续性原理：

如图6为供电电流检测电路。在本方案中，采用一个电流互感器来感应装置的放电电流。电流互感器为均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管，其输出电压正比于被测电流随时间的变化率。将介质阻挡放电反应器的地线直通过测量线圈所在的平面，感应放电电流。电流互感器输出电压的表达式为：

式中:i为被测电流,h为骨架高度,N为线圈匝数,μ₀为真空磁导率,Rb、Ra分别为骨架内、外径；用电流互感器测量得到的微小电流的感应出的电压太弱，所以要对采集而来的信号进行放大处理。

式(2)中，是一个常数，用互感系数M表示：

由于电流互感器输出电压与被测电流的微分成正比，所以需要对其输出的电压信号进行积分处理才能得到与回路电流成正比的输出电压。电流互感器输出的电压信号先经过一个电压跟随器U2再进行后续处理，电压跟随器U2的作用是降低后续电路对采集信号的干扰。另外，由于互感器感应到的电压信号很小，因此将其输出的电压信号先经过一个放大电路U3进行信号的放大，再经过积分电路U4。信号经过积分电路U4后已转变为一个与感应到的电流信号呈正比的电压信号，在将信号传输到MCU之前，采集到的电压信号经过精密整流电路进行整流，再通过真有效值(RMS)转换电路对交流信号进行真有效值转换。真有效值转换芯片可选择AD637、AD736或AD737等。。所以放电电流检测电路的工作流程为：先用电流互感器感应系统中的放电电流，将电流信号转化为电压信号，然后通过电压跟随器U2对进行隔离，下一步由U3对电压信号进行放大，将放大的信号经过精密整流电路进行整流，再通过真有效值(RMS)转换电路对交流信号进行真有效值转换。之后将交流信号变为直流信号输入到数据分析控制单元，数据分析控制单元可以是内置ADC模块的MCU，对数据进行采集和处理。

图中积分电路U4与周围器件构成的电路起到对电流互感器输出电压进行积分的作用

电流互感器输出的电压信号经过积分电路后，得到的电压信号与其感应到的电流信号呈一次函数关系。将此信号送到MCU中，可以设置感应电流与电压的关系，可以得到放电回路中的放电电流。

2.2光电信号转换电路

结合图7所示，为了测量放电区域的活性物质种类和浓度，本发明利用紫外传感器71探测反应器放电区域的活性物中的光谱强度，将光学信号转化为电信号，用紫外传感器71输出的电压信号表示活性物种产生的相对浓度。由于介质阻挡放电过程中产生的活性物种会发出多种波长的光谱，而本发明中主要关注·OH的光谱，因此在紫外传感器71前放置滤光片72对光谱进行初步滤除。滤光片72采用紫外带通型滤光片，紫外带通型滤光片可以选择ET313/25BP(中心波长313nm，带宽25nm)，ET325/20BP(中心波长325nm，带宽20nm)，XBPA310，ZBPA310(中心波长310nm，带宽10nm)。将紫外传感器的电压信号通过电压跟随器U7进行隔离，由于紫外传感器输出的信号的频率较高，所以电压跟随器U7使用响应时间较快电流型运算放大器用作电压跟随器，此处电压跟随器的作用与图5中描述的相同。由于后级运算放大器的输入阻抗无穷大，造成电荷的积累，因此需要与大地之间接一个接地电阻R12作为能的释放通道，为了防止高压振荡，接地电阻R12与电压跟随器U7输出端所连接的电阻R13进行匹配，阻值相等。电压跟随器U7输出端经反馈电阻R11与其反相输入端连接。紫外传感器输出的电压信号含有直流分量，如果将其直接通过后级的放大电路，可能会造成放大饱和失真，因此使用电容C6隔离紫外传感器输出信号中的直流分量。下一步使用反相放大电路U8对取得的信号幅值进行放大。之后经过整流电路对将交流信号变为直流信号,再通过真有效值(RMS)转换电路对交流信号进行真有效值转换。真有效值转换芯片可选择AD637、AD736或AD737等。之后将信号输入数据分析控制单元，数据分析控制单元可以是内置ADC模块的MCU，对数据进行采集和显示。

放大电路对应的方程式为：

式中，V表示紫外传感器输出的电压信号经过电压跟随器的电压值，U8o表示放大电路输出的电压值，R₁₁为反馈电阻R11的阻值，R₁₂为接地电阻R12的阻值。

2.3水位信号转换电路

如图8和图14所示，为了测量水位是否达到预期要求，本发明利用水位采集模块中的电极81对气液分离单元中的水位进行数据采集，将水位信息转化为电信号。电压比较器U9采用双电源工作，当水位符合要求时，数据分析控制单元或MCU接收到高电平，当水位不符合要求时，数据分析控制单元或MCU接收到低电平。

3数据分析控制单元

3.1单元设备

MCU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等。可将电信号转换单元转换过的电压、电流、水位和光电信号传送到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。

3.2数据分析

数据分析控制单元根据光谱仪测试获得的相对光谱强度对介质阻挡放电装置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。因此，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是调功周期的供电能量。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。因此，可以通过使用相对光量子产率E_er来评价活性物种的产率。

将高压激励单元的激励电源调节到功率密度调制(Power Density Modulation:PDM)供电模式，在PDM模式下设定放电条件，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。通过找到的放电起止点计算单个供电周期能量平均值Ed,a，然后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ET。使用光谱仪测量放电区域内活性物种的相对光谱强度，最终通过牛顿爬山算法进行相对光量子产率能效比评估，从而确定最佳反应条件。

如图4，参数处理程序是将读取并保存的数据进行计算处理，通过供电电压检测电路、供电电流检测电路、供电能量计算子程序、等效参数计算子程序、量子产率能效比子程序，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。

图9是供电能量计算子程序，该部分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。根据上一部分的小电路部分取得到的数据，进行单个周期的李萨如图形重构。由于供电电流测试电路中，电流互感器输出电压与被测电流的微分成正比，所以需要对其输出的电压信号进行积分处理就能得到与回路电流成正比的输出电压。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“输入电压”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Sd,i。根据李萨如的面积，结合得到的单个供电周期的能量Ed,i、一个调功周期内的供电周期个数ndm,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Non,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Ed,a和ET进行输出显示。

图10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的供电能量E_m,j数据，计算得到相对光量子产率能效比E_er，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相对光量子产率能效比E_er对应的放电条件，确定相应的参数范围。

如图11所示是牛顿爬山法的XX-Eer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介质阻挡放电产生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。

3.3控制设备

可进行控制的设备有气液阀门、可调供电单元的高压脉冲电源，其中设备控制气液阀门的开关，以及高压脉冲电源的供电电压、占空比以及频率这些参数，

4棒状阵列介质阻挡放电单元

棒状阵列介质阻挡放电单元(以下也简称为介质阻挡放电反应器或反应器)如图12a、图12b所示，包括箱体121、棒状电极122。箱体的上部进口123与水雾产生单元的出气口相连通，箱体的下部出口124与气液分离单元的进气口相连通，箱体121内设置有若干平行于箱体底面且相互平行的棒状电极122。同排的电极连接电源的正极或负极，上下相邻排的两电极连接电源的正极和负极，每个电极结构如图13a、图13b所示，由外层的石英空心管131和中间的钼、钨或镍铬合金棒132构成，中间空隙由硅胶填充，石英是阻挡介质，钼、钨或镍铬合金棒作为放电电极。该反应器拥有可延伸的层与层之间的放电区域，通道中的气体流速可以用气体流量和放电通道的横截面积计算得到，公式可以表示为：

其中v是指通道中的气体流速，Q表示气体流量(L·Min-1)，Ac是放电通道的横截面积。D、L为放电通道截面的长和宽。

Ac＝D·L (9)

气体的最佳流速在2.0-3.5m/s之间，

当在前一单元的作用下，一定流速的水雾进入此单元时，使用高压电源激励介质阻挡放电反应器放电，放电电压在5KV-30KV之间，反应器放电时可以产生大量强氧化性的自由基，能够合成大量的H202并与水雾结合，形成双氧水。

介质阻挡放电电极间的最小放电距离d、大气压强p与击穿电压V_B之间遵循帕邢(Paschen’sLaw)定律，即：

式中的A和B为常数，V_B为击穿电压，p为大气压强，d为介质层之间的放电间隙,r为二次电子发射系数；f(pd)代表以pd为变量的帕邢函数。水雾产生单元产生的一定流速的水雾，快速穿过石英介质层之间的空隙。使用电压脉冲上升和下降时间为纳秒级的高压脉冲电源驱动介质阻挡放电结构。在高约化电场的作用下，使电离产生的电子发生加速、碰撞和电离等连锁反应，引起雪崩效应，最终产生介质阻挡放电。水雾的原子或分子与电子之间的碰撞，原子与原子之间碰撞，光与原子或分子的相互作用等，都可以发生电离，产生电子-离子对；电子或离子碰撞废气。由此，在废气中发生介质阻挡放电时，会产生各种各样的放电生成物，包括高能电子、正负离子、自由基、臭氧(O₃)和紫外线。

介质阻挡放电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) (11)

e+H₂O→e+H+OH(T_e＝1-2eV) (12)

介质阻挡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 (13)

N₂ ^*+O₂→N₂+2O(¹D) (14)

在等离子体区域，激发态O能与N₂分子反应，一些O能与O₂生成O₃，方程式如下：

O₂+O+M→O₃+M (15)

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) (16)

O₂+hv→O+O(¹D)(λ＝200-220nm) (17)

O₃+hv→O₂+O(¹D)(λ≤320nm) (18)

而在以上过程中产生的OH相互结合，生成双氧水的主要物质H₂0₂，方程式如下：

OH+OH→H₂O₂ (19)

5水雾产生单元

单个超声雾化器所生成雾滴直径可用下式计算：

式中d为液滴直径；γ为雾化液体的表面张力；ρ为液体密度；f₁为超声率。水雾的液体颗粒直径为0.1um-20.0um。

在本装置的设计中水雾产生单元可采用单个或多个超声雾化器，以满足大小流量的需求。

6气液分离单元

结合图14和图15所示，水雾141由位于上方的进气口142进入气液分离单元中，通入下方积液，气泡通过不锈钢细网143被分割，使其与积液充分接触，达到使水雾中的液体与积液充分溶合的目的，同时气体因密度远小于液体而向上运动，混入上方气体。同时由于气液分离单元中有填充物质144，填充物质144高度高于内外气压相同时的液体在水雾入口外的液面高度，因此保证水雾入口始终在液体的液面之下。

对于使用的不锈钢细网，其网口直径在0.1mm-2.0mm范围内。

7气相原料选取原理

本装置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,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)

NO₂溶于水中形成HNO₃，溶液中含有NO₃-，使溶液成酸性，而H₂O₂成弱酸性，将抑制H₂O₂的产生，降低其产率。

8液相原料选取原理

本装置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 (34)

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。

所以本装置采用NaCl溶液或水等中性液体，其有利于H₂O₂产生。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征是，包括：可调供电单元、双氧水发生单元、电信号转换单元和数据分析控制单元；

所述双氧水发生单元由水雾产生单元、棒状阵列介质阻挡放电单元和气液分离单元相互连通构成；

所述水雾产生单元将从外接气源和外接液源输入的气体和液体产生均匀的有一定流速的水雾；

所述棒状阵列介质阻挡放电单元采用介质阻挡放电处理所述水雾产生单元的水雾产生双氧水和臭氧；

所述可调供电单元为棒状阵列介质阻挡放电单元提供高压脉冲激励；

所述电信号转换单元将棒状阵列介质阻挡放电单元产生的光谱相对强度、电压和电流信号分别转化为数字信号输入至所述数据分析控制单元中；

所述数据分析控制单元分析收到的所述电信号转换单元的信号，分析出单位能量产生双氧水量的相对量，并通过控制所述可调供电单元调整所述棒状阵列介质阻挡放电单元的供电电压、频率和功率密度，获得最大能效比；

所述气液分离单元将所述棒状阵列介质阻挡放电单元输出的水雾通入积液中，将水雾中的气液分离；

棒状阵列介质阻挡放电单元包括由箱体和棒状电极构成的反应器；箱体内设置有若干平行于箱体底面且相互平行的多排棒状电极；同排的电极连接电源的正极或负极，上下相邻排的电极分别连接电源的正极和负极；

棒状电极的每个电极均由外层的石英空心管和中间的钼、钨或镍铬合金棒构成，石英空心管与钼、钨或镍铬合金棒之间空隙由硅胶填充，石英空心管作为阻挡介质，钼、钨或镍铬合金棒作为放电电极。

2.根据权利要求1所述的棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征是，

还包括一气液控制循环单元，由所述气液控制循环单元由所述数据分析控制单元控制，对输入所述水雾产生单元的气体流量和液体流量进行调整。

3.根据权利要求1所述的棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征是，

还包括一储气单元，所述储气单元储存所述气液分离单元工作后产生的气体。

4.根据权利要求1所述的棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征是，

还包括一储液单元，所述储液单元储存所述气液分离单元工作后产生的双氧水。

5.根据权利要求1所述的棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征是，所述外接气源为所述水雾产生单元提供氧气。

6.根据权利要求1所述的棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征是，所述数据分析控制单元根据光谱仪测试获得的相对光谱强度对棒状阵列介质阻挡放电单元的放电效果进行评估，通过下式计算来自放电区域的活性物质的相对光量子产率E_er：

其中，I是放电区域的发射光谱的相对强度，E_m,j是调功周期的供电能量；

通过相对光量子产率E_er评价活性物种的产率。

7.根据权利要求1所述的棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征是，

水雾产生单元产生的水雾快速穿过阻挡介质间的空隙的同时，采用电压脉冲上升和下降时间为纳秒级的高压脉冲激励驱动棒状阵列介质阻挡放电单元产生放电，产生放电生成物。

8.根据权利要求1所述的棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征是，水雾产生单元采用单个或多个超声雾化器。

9.根据权利要求1所述的棒状阵列自动能量适配水雾合成双氧水装置，其特征是，气液分离单元包括一可容纳积液的箱体，箱体内下方设置一填充物质，填充物质与箱体一端侧壁之间由一淹没在积液内的细网分隔；水雾由箱体上方的入口进入箱体内，并通过一始终位于积液的液面之下的水雾入口通入积液中。

10.一种棒状阵列小流量自动能量适配水雾合成双氧水方法，其特征是，

水雾产生单元将从外接气源和外接液源输入的气体和液体产生均匀的有一定流速的水雾；

棒状阵列介质阻挡放电单元采用介质阻挡放电处理水雾产生单元的水雾产生双氧水和臭氧；

可调供电单元为棒状阵列介质阻挡放电单元提供高压脉冲激励；

电信号转换单元将棒状阵列介质阻挡放电单元产生的光谱相对强度、电压和电流信号分别转化为数字信号输入至所述数据分析控制单元中；

数据分析控制单元分析收到的所述电信号转换单元的信号，分析出单位能量产生双氧水量的相对量，并通过控制所述可调供电单元调整所述棒状阵列介质阻挡放电单元的供电电压、频率和功率密度，获得最大能效比；

气液分离单元将所述棒状阵列介质阻挡放电单元输出的水雾通入积液中，将水雾中的气液分离；

棒状阵列介质阻挡放电单元包括由箱体和棒状电极构成的反应器；箱体内设置有若干平行于箱体底面且相互平行的多排棒状电极；同排的电极连接电源的正极或负极，上下相邻排的电极分别连接电源的正极和负极；棒状电极的每个电极均由外层的石英空心管和中间的钼、钨或镍铬合金棒构成，石英空心管与钼、钨或镍铬合金棒之间空隙由硅胶填充，石英空心管作为阻挡介质，钼、钨或镍铬合金棒作为放电电极；

水雾产生单元产生的水雾快速穿过石英空心管之间的空隙，采用电压脉冲上升和下降时间为纳秒级的高压脉冲激励驱动棒状阵列介质阻挡放电单元放电，产生放电生成物。