CN108439346B - 脉冲电晕放电水雾合成双氧水装置设计及参数调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了脉冲电晕放电水雾合成双氧水装置设计及参数调控方法，该装置包括气液入口控制单元、气液混合发生单元、高压激励单元、气液分离单元、O2、O3分离单元、O₂循环单元、H₂O₂分离单元、吸光度检测单元、数据采集与控制单元、以及用于测得气液压力的压力传感器和测得气液流量的流量传感器。本装置采用线线阵列式高压脉冲电晕放电，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，由于线线阵列式反应器制作简单，可减小自身电容，减少能耗损失，因此本发明适用于大规模制取双氧水。

Description

脉冲电晕放电水雾合成双氧水装置设计及参数调控方法

技术领域

本发明涉及等离子体合成化学品技术领域，尤其涉及脉冲电晕放电水雾合成双氧水的装置和方法。

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。所以放电等离子体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。

发明内容

本发明旨在解决现有非平衡等离子体活化氢氧分子合成H₂O₂的产率很低的问题。

为了实现上述目标，本发明采用以下的技术方案：

(一)脉冲电晕放电水雾合成双氧水的装置，其特征在于：

该装置包括气液入口控制单元、气液混合发生单元、高压激励单元、气液分离单元、O₂、O₃分离单元、O₂循环单元、H₂O₂分离单元、吸光度检测单元、数据采集与控制单元以及用于测得气液压力大小的压力传感器以及测得气液流量大小的流量传感器；

其中，所述气液混合发生单元包含气液雾化单元和电晕放电单元；所述O₂循环单元包含O₂储存器以及气泵；所述电晕放电单元包括线线式阵列反应器；所述气液雾化单元包括雾化喷嘴；所述高压激励单元包括PDM高压脉冲激励电源；所述装置末端包含O₃储存、H₂O₂储存以及溶液存储；所述气液入口控制单元出口与气液混合发生单元中气液雾化单元入口相连；

所述数据采集与控制单元入口与吸光度检测单元、高压激励单元出口相连，

所述数据采集与控制单元出口与高压激励单元入口、液源、电晕放电单元相连；所述数据采集与控制单元中包括中央控制器MCU；

所述气液分离单元出口与吸光度检测单元、O₂、O₃分离单元以及H₂O₂分离单元入口相连；

所述吸光度检测单元出口与数据采集单元入口相连；

所述O₂、O₃分离单元一个出口与O₂循环单元中O₂储存器入口相连，所述O₂储存器出口与气泵入口相连，所述气泵出口与气液入口控制单元中气源入口相连；所述O₂、O₃分离单元的另一个出口与O₃储存入口相连；

所述H₂O₂分离单元的一个出口与溶液存储入口相连，所述溶液存储的出口与液源入口通过液泵相连；液源的出口连接到气液入口控制单元的入口；H₂O₂分离单元的另一个出口与H₂O₂储存入口相连；

所述中央调控单元出口分别与气液入口控制单元、O₂循环单元、O₂、O₃分离单元以及H₂O₂分离单元入口相连；

所述气液入口控制单元、气液分离单元、O₂、O₃分离单元、O₂循环单元以及H₂O₂分离单元内设置有阀门；

所述溶液入口控制单元与O₂循环单元中分别设置有液泵和气泵；

所述气液混合发生单元中设置有流量传感器、压力传感器；

所述数字采集与控制单元包含带有电压电流探头的数字示波器。

(二)上述装置参数调控的方法，其特征在于：包括以下步骤:

(1)打开气液入口单元阀门通入液源，打开气源阀门通入气源，启动液泵驱动器混合泵入溶液存储中的溶液与气源、液源混合至喷嘴处；

(2)调节液泵驱动器和气泵驱动器以及液泵转速和阀门来调控水雾射流的含水率与雾化液滴颗粒大小，保持雾化喷嘴打开一段时间；

(3)在PDM模式下MCU通过调控可编程AD/DC电源的电压，使可编程AD/DC电源调控PDM高压脉冲激励电源放电时的电源供电电压和占空比；

(4)MCU检测线线式阵列反应器的输入端电压电流，计算出其输入电能，通过PDM高压脉冲激励电源的供电电压、电流计算出PDM高压脉冲激励电源的供电电能；MCU根据接受到的数据采集与控制单元处理后的数据，重新利用牛顿爬山算法对高压脉冲电源激励反应器电压进行相应占空比的调控；

该步骤具体包括以下步骤：

(41)供电电压处理子程序：自动读取数字示波器上存储的“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；

(42)放电电流处理子程序：计算运行过程中的平均微放电强度和有效放电总时间；

(43)供电能量计算子流程：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；根据得到的数据，进行单个供电周期平均能量；

(45)等效参数计算子程序：计算线线式阵列反应器的等效电容；

(46)吸光度产率能效比子程序：计算活性物种产率能效比；

本发明的有益效果：本装置采用线线阵列式高压脉冲电晕放电，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。由于线线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，且采用电晕放电，电流小，功耗低。本装置制取双氧水液源优选为去氧化水或超纯水溶液，气源优选为氧气，原料易获取，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方法。

附图说明

图1是本发明的装置框架图；

图2是本发明一个具体实施例的装置结构图；

图3是本发明方法的系统工作流程图；

图4是本发明一个具体实施例的装置主体结构图；

图5是本发明一个具体实施例的雾化单元结构示意图；

图6是负电极层、正电极层、模组示意图；

图7是本发明电晕放电反应区结构示意图；

图8是电晕放电反应区侧视图；

图9是本发明一个具体实施例的反应区域截面示意图；

图10是本发明一个具体实施例的反应器截面示意图；

图11整体结构框架图；

图12是本发明一个具体实施例的参数处理流程图；

图13是本发明一个具体实施例放电电流处理子程序流程图；

图14是本发明一个具体实施例供电能量计算子程序流程图；

图15是本发明一个具体实施例的活性物种相对产率能效比计算子程序流程图；

图16是本发明的牛顿爬山算法示意图；

图17是本发明本发明一个具体实施例的吸光度检测电路；

图18是本发明的数据采集与控制单元中的MCU整体结构工作图；

图19是调控示意图；

图20电磁阀工作原理图。

具体实施例

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

(一)构建脉冲电晕放电水雾合成双氧水的装置，

图2示出了本实施例的装置结构图；在图2本装置采用单级循环电晕水雾合成双氧水方法，如图所示为单级整体处理单元，其中阀门V1控制初始端液源，阀门V2控制合成的双氧水流入吸光度比色皿中进行吸光度检测后，再流入H₂O₂分离器中，阀门V3控制H₂O₂分离器中分离后剩余溶液循环利用，阀门V4控制气源，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，阀门V6控制O₃、O₂分离器中分离的O₃进入O₃储存器中储存待后续利用，阀门V7控制O₃、O₂分离器中分离的O₂通过气泵泵入O₂储存器中待循环利用，阀门V8控制O₂储存器中O₂排出进行循环利用。M1为液泵，将初始端溶液或者H₂O₂分离器中分离后剩余溶液循环泵入，M2为气泵，将O₂储存器中O₂泵入气源中。HV为高压脉冲电源。PM1、PM2、PM3为压力传感器，PM1与PM2测量雾化喷嘴中的压力，PM3测量氧气储存器入口处压力。FM1为流量传感器，测量泵入喷嘴中溶液的流速，FM2为流量传感器，测量泵入喷嘴中气体的流速。其中，本装置设置有数据采集与控制单元，采集输入端放电参数以及吸光度检测参数，并控制该装置各器件运行状态，使装置智能高效。

为了进一步说明本发明实施例的气液雾化单元中设置喷嘴形成水雾射流夹角，参照图5并结合具体的实施例对本发明做一些详细的阐述。

图5示出了本发明一个具体实施例的雾化单元结构示意图；

在图5中，容器长为L，宽为W，气液混合发生单元中雾化单元高为H₁，其中电晕放电单元高为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：

式(1)中θ为喷嘴形成水雾射流夹角。

为了进一步说明气液雾化单元的原理，结合具体的实施例对本发明做一些详细的阐述。

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，水和气体的比例等参数密切相关。本图2示出的本发明装置的一个实施例中，先固定雾化喷嘴内外压力差，压力差通过压力传感器PM1与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，水和气的体积流量可通过调节液泵M1驱动器的转速和调节阀V4的开关改变，水和气的流量可通过流量传感器检测。

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15-60μm。其中通过流量传感器得知气液体积流量Q_V，则可得流速V：

其中，ρ为溶液密度，S为管道横截面积，本装置建议流速控制在2.0-3.5m/s。

为了进一步说明本发明线线阵列式脉冲正电晕放电原理，参照图6、图7、图8并结合具体的实施例对本发明做一些详细的阐述。

图6示出了负电极层、正电极层、模组示意图；

在图6中，在负电极层、正电极层的四个角上分别有一个螺孔，将负电极层和正电极层的螺孔用螺丝拧起来就组成一个模组。

图7示出了电晕放电反应区结构示意图；在图7中，在电晕放电反应区的两侧是由绝缘材料做成的盖板，由若干正电极层引出的电极线、若干负电极层引出的电极线从两侧盖板的小孔穿出分别接到高压电源的正负端。如果从电晕放电反应区直接引出的正负电极线，会加大人身、设备危险系数，在电晕放电反应区的两侧加上盖板就可以防止出现以上情况。

图8示出了电晕放电反应区侧视图；在图8中负电极层与正电极层交错排列，其中需要注意，低压电极紧贴电晕放电反应区前后、上下侧面，高压电极处在中间，把高压电极放在中间是为了防止实际过程中发生漏电、触电现象。线线阵列式反应器电极间距d，由于电极本身截面直径远远小于容器长宽，可忽略不计，则可得负电极层的电极数目N₁为：

式(3)中W为电晕放电单元的宽度，d为线线阵列式反应器电极间距；

正电极层数目N₂为：

式(4)中W为电晕放电单元的宽度，d为线线阵列式反应器电极间距；

则在一个由一个负电极层和一个正电极层构成的模组中电极数目N₃为：

N₃＝N₁+N₂ (5)

式(5)中N₁为负电极层的电极数目，N₂为正电极层数目N₂；

式(6)中W为电晕放电单元的宽度，d为线线阵列式反应器电极间距；

则电晕放电反应区的模组数目N₄为：

式(7)中H2为电晕放电单元高，b为负电极层与正电极层之间的距离：

b＝d cosβ (8)

式(8)中β相邻正负电极连线与铅垂线的夹角，d为线线阵列式反应器电极间距；

由于电晕放电反应区的最底层必须是负电极层，所以电晕放电反应区的电极数目N为:

N＝N₄N₃+N₁ (9)

式(10)中b为负电极层与正电极层之间的距离，N₁为负电极层的电极数目，

N₃为一个由一个负电极层和一个正电极层构成的模组中电极数目，N₄为电晕放电反应区的模组数目，W为电晕放电单元的宽度，d为线线阵列式反应器电极间距，H₂为电晕放电单元高。

为了进一步说明电晕放电单元结构及原理，参照图9、图10并结合具体的实施例对本发明做一些详细的阐述。

在本发明中，采用线线阵列式脉冲正电晕放电，PDM高压脉冲激励电源的调节输出高压范围为6-30kV。同时，采用线线式阵列反应器，减小反应器自身电容，避免能耗损失，其材料选用钨钼合金。

图9示出了本发明的一个具体实施例的反应区域截面图，在图9中，相邻水平面上电极分别接脉冲PDM高压脉冲激励电源和地，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H₂O₂制作装置。

图10示出了本发明的一个具体实施例的反应器截面示意图，在图10中由线线阵列式反应器相邻电极间距d范围为3.00-9.00cm，且相邻三个电极间形成正三角形。

为了进一步说明空气电晕放电原理，以下结合本发明做一些详细的阐述。

本发明空气电晕放电的主要原理为：在PDM高压脉冲激励电源的激励下，负电极电晕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，此时出现脉冲电晕电流，负离子则扩散到间隙空间。此后又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电晕电流。在电晕放电的过程中主要产生以下三种强氧化物质：

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 (11)

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 (12)

其中M表示第三种参与的分子。

其产生H₂O₂的主要原理为：

本装置采用电晕放电等离子体的主要反应包括电子碰撞、光解和二次反应。电晕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)等活性物质，主要反应式如下：

e+O₂→O(¹D)+O(¹D)+e(T_e＝0-5eV) (13)

e+H₂O→e+H+OH(T_e＝1-2eV) (14)

O₂+hv→O+O(¹D)(λ＝200-220nm) (15)

H₂O+hv→OH+H(λ＝145-246nm) (16)

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 (17)

通过反应式电子碰撞和紫外光解产生的OH自由基相互结合生成H₂O₂，

反应式如下：

OH+OH→H₂O₂ (18)

为进一步说明本发明的气源和液源的选取原理，以下做出详细的阐述。

(1)液源的选取原理

本装置通过气液混合雾化方式制取H₂O₂，其原料比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 (19)

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ph值为6-7的微弱酸溶液，优选地，采用去离子水、超纯水。

(二)气源的选取原理

本装置选取氧气或空气作为气相原料(气源)，建议采用氧气，其原理如下，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的电子碰撞：

e+O₂→O(¹D)+O(¹D)+e(T_e＝0-5eV) (20)

e+H₂O→e+H+OH(T_e＝1-2eV) (21)

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 (23)

N₂ ^*+O₂→N₂+2O(¹D) (24)

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 (25)

N+OH→NO+H (26)

O₂+O+M→O₃+M (27)

NO+O₃→NO₂+O₂ (28)

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) (29)

O₃+hv→O₂+O(¹D)(λ≤320nm) (30)

NO₂+hv→NO+O₂(λ≤420nm) (31)

NO₂+hv→N₂+O(¹D)(λ≤337nm) (32)

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⁺ (33)

e^- _aq+NO_x ^-y→(NOx)^-(y+1) (34)

(NOx)^-(y+1)+H2O→2OH^-(y+1)+NO_X (35)

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 (36)

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。

本发明气源可选空气和氧气，优选地，选择氧气。

为进一步说明本发明的整体结构框架图，，参照图11并结合具体的实施方案对本发明做一些详细的阐述。

图11示出了本发明的整体结构框架图，在图11中，由可编程电源控制PDM高压激励电源，调控其占空比，再供给反应器激励其放电，检测其输入端电压电流计算出其输入电能，通过供电电压电流计算出其供电能量，再进过系列测试单元如吸光度检测单元以及光电传感，通过数据采集与控制，由反馈信息控制电源电压电流、占空比等放电参数。

数据采集与控制单元工作流程为通过按钮打开总电源后，将MCU模块、键盘输入模块和液晶显示模块等系统初始化，由方波产生单元产生方波，三角波转化单元形成三角波，将两者产生的电压输入电压比较器，进行占空比的调节，并输入PDM电源中作为后端的双氧水发生单元的激励电源使装置开始正常工作。在装置的后端利用液泵将反应产生的H₂O₂等活性物质，用虹吸的方法抽入比色皿中进行相对吸光度的测量并将数据处理后传输给MCU。在MCU中，由重新利用牛顿爬山算法进行相应占空比的调控，最终反馈给电源，再次进行相应的电压和频率等的调控。

为进一步说明活性物质相对产率能效比并结合具体的实施方案对本发明做一些详细的阐述。

活性物质的相对产率的能效比定义为，经过放电反应器处理之后，特定体积的溶液中活性物质的浓度的改变量与一个调功周期内消耗的能量的比值。因此，活性物质相对产率能效比可以通过下式求出：

其中Eer是能量效率(单位mg·J-1)C0和C1是初始和处理过后的溶液中，活性物质浓度的改变量。Vl是处理的溶液体积(单位L)，Em,j是一个调功周期内消耗的能量。

由于电晕放电的光谱不易测得，因此直接通过对活性物种的产率的测量来进行能量效率的评估。通过相对吸光度的测量，可以根据公式(2)获得相对透光率T

A＝lg(1/T) (38)

定义吸收光谱的透光率为：

T＝I_t/I₀ (39)

其中It是未被吸收的透光强度,I0是入射光初始强度

简化得：

A＝lg(I₀/I_t) (40)

根据比尔-朗伯定义：一束平行的单色光通过浓度为C、长度为d的均匀介质时，未被吸收的透光强度It与入射光初始强度I0之间的关系为：

I_t＝I₀exp(-εdc) (41)

其中ε是摩尔吸光系数，通常用光子流量强度表示光强度，即I＝nc。定义光的吸收度(吸光度)表达式为：

A＝lg(I₀/I_t)＝2.303εdc (42)

因此，可以利用吸收光谱法来获得初始和处理过后的溶液中活性物质的浓度。由上述公式可以推出，活性物质的吸光度与物质浓度呈正相关，所以可以通过活性物质吸光度的改变量的监测来获得C₀和C₁。

为获取一个调功周期内消耗的能量，先将反应器的激励电源调节到PDM供电模式，在PDM模式下设定放电条件，包括PDM电源供电电压以及占空比的大小。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E_T。使用紫外-吸光光度计测量放电区域内活性物质的相对吸光度，最终通过牛顿爬山算法进行活性物质的相对产率能效比评估，从而确定最佳反应条件。

图12示出了本发明一个具体实施例的参数处理流程图；在图12中，参数处理程序是将读取并保存的数据进行计算处理，通过供电电压处理子程序、放电电流处理子程序、供电能量计算子程序、等效参数计算子程序、吸光度产率能效比子程序，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、活性物种产率能效比。

第一个进行的是供电电压处理子程序，在这一部分，读取数字示波器上存储的“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13是放电电流处理子程序，该部分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。

为进一步说明供电能量计算子程序并结合具体的实施方案对本发明做一些详细的阐述。

图14是供电能量计算子程序，该子程序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。

在图14中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Em,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。

为进一步说明活性物种相对产率能效比(Eer)计算子程序并结合图15具体的实施方案对本发明做一些详细的阐述。

图15示出了活性物种相对产率能效比计算子程序；

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，计算得到活性物种相对产率能效比，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。根据活性物种相对产率的变化规律，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Eer对应的放电条件，确定相应的参数范围。

为进一步说明牛顿爬山算法并结合图16和具体的实施方案对本发明做一些详细的阐述。

图16示出牛顿爬山法的XX-E_er图，横轴表示一个调功周期的供电能量E_m,j，纵轴表示活性物种相对产率Eer。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放电产生Eer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Eer达到B点；

(2)检测到之前提高供电能量使得反应器的活性物种相对产率能效比增加，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活性物种相对产率能效比减小，改变原来的方向加扰动变量，使反应器的Eer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，以及占空比的大小，使用这种方法可以确定最佳的活性物种相对产率能效比，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Eer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。

为进一步说明吸光度检测电路并结合图17和具体的实施方案对本发明做一些详细的阐述。

图17示出了本发明一个具体实施例的吸光度检测电路，

在图17中吸光度检测电路的工作原理是通过LED给予比色皿灯光，其透射光强通过光电传感器接受转化为电学信号，再经过放大、整流、RMS转换后输送给MCU进行数据处理。

为了进一步说明本发明数据采集与控制单元的MCU控制方式，参照图17、18并结合具体的实施例对本发明做一些详细的阐述。

图18示出了本发明的数据采集与控制单元中的MCU整体结构工作图；

在图18中，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。

图19示出了本实施例的调控示意图，在图19中，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GP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ADC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GP口连接，显示屏可以使用的型号为LCD1602，LCD12864，LCD16864，LCD12232等。

整个控制系统包括与MCU的ADC端相连的压力传感器、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ADC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、电磁阀开关情况等参数。同时，通过反馈信号利用MCU控制电磁阀开关情况。

为了进一步电磁阀控制原理，参照图20并结合具体的实施例对本发明做一些详细的阐述。

在图20中，本装置采用电磁阀开关，由中央控制器自动控制开启和关闭状态，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。

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系列等压力变送器。

本装置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。

以上所述仅为本发明的示例实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.脉冲电晕放电水雾合成双氧水的装置，其特征在于：

该装置包括气液入口控制单元、气液混合发生单元、高压激励单元、气液分离单元、O₂、O₃分离单元、O₂循环单元、H₂O₂分离单元、吸光度检测单元、数据采集与控制单元以及用于测得气液压力大小的压力传感器以及测得气液流量大小的流量传感器；

其中，所述气液混合发生单元包含气液雾化单元和电晕放电单元；所述O₂循环单元包含O₂储存器以及气泵；所述电晕放电单元包括线线式阵列反应器；所述气液雾化单元包括雾化喷嘴；所述高压激励单元包括PDM高压脉冲激励电源；所述装置末端包含O₃储存、H₂O₂储存以及溶液存储；所述气液入口控制单元出口与气液混合发生单元中气液雾化单元入口相连；

所述数据采集与控制单元入口与吸光度检测单元、高压激励单元出口相连，

所述数据采集与控制单元出口与高压激励单元入口、液源、电晕放电单元相连；所述数据采集与控制单元中包括中央控制器MCU；

所述气液分离单元出口与吸光度检测单元、O₂、O₃分离单元以及H₂O₂分离单元入口相连；

所述吸光度检测单元出口与数据采集单元入口相连；

所述O₂、O₃分离单元一个出口与O₂循环单元中O₂储存器入口相连，所述O₂储存器出口与气泵入口相连，所述气泵出口与气液入口控制单元中气源入口相连；所述O₂、O₃分离单元的另一个出口与O₃储存入口相连；

所述H₂O₂分离单元的一个出口与溶液存储入口相连，所述溶液存储的出口与液源入口通过液泵相连；液源的出口连接到气液入口控制单元的入口；H₂O₂分离单元的另一个出口与H₂O₂储存入口相连；

所述中央调控单元出口分别与气液入口控制单元、 O₂循环单元、O₂、O₃分离单元以及H₂O₂分离单元入口相连；

所述气液入口控制单元、气液分离单元、O₂、O₃分离单元、O₂循环单元以及H₂O₂分离单元内设置有阀门；

所述溶液入口控制单元与O₂循环单元中分别设置有液泵和气泵；

所述气液混合发生单元中设置有流量传感器、压力传感器；

所述数据采集与控制单元包含带有电压电流探头的数字示波器。

2.根据权利要求1所述的脉冲电晕放电水雾合成双氧水的装置，其特征在于：所述PDM高压脉冲激励电源的调节输出高压范围为6-30 kV。

3.根据权利要求2所述的脉冲电晕放电水雾合成双氧水的装置，其特征在于：所述PDM高压脉冲激励电源的材料选用钨钼合金。

4.根据权利要求1~3任一项权利要求所述的脉冲电晕放电水雾合成双氧水的装置，其特征在于：所述线线式阵列反应器的相邻电极间距范围为3.00-9.00cm。

5.根据权利要求1所述的脉冲电晕放电水雾合成双氧水的装置，其特征在于：所述雾化喷嘴的水雾射流夹角范围为90°-135°。

6.根据权利要求5所述的脉冲电晕放电水雾合成双氧水的装置，其特征在于：所述中央调控单元MCU通过电磁阀开关自动控制各个阀门的开启和关闭状态。

7.根据权利要求1~6任一项权利要求所述脉冲电晕放电水雾合成双氧水装置参数调控方法，其特征在于：包括以下步骤:

（1）打开气液入口单元阀门通入液源，打开气源阀门通入气源，启动液泵驱动器混合泵入溶液存储中的溶液与气源、液源混合至喷嘴处；

（2）调节液泵驱动器和气泵驱动器以及液泵转速和阀门来调控水雾射流的含水率与雾化液滴颗粒大小，保持雾化喷嘴打开一段时间；

（3）在PDM模式下MCU通过调控可编程AD/DC电源的电压，使可编程AD/DC电源调控PDM高压脉冲激励电源放电时的电源供电电压和占空比；

（4）MCU检测线线式阵列反应器的输入端电压电流，计算出其输入电能，通过PDM高压脉冲激励电源的供电电压、电流计算出PDM高压脉冲激励电源的供电电能； MCU根据接受到的数据采集与控制单元处理后的数据，重新利用牛顿爬山算法对高压脉冲电源激励反应器电压进行相应占空比的调控；

该步骤具体包括以下步骤：

（41）供电电压处理子程序：读取数字示波器上存储的“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；

（42）放电电流处理子程序：计算运行过程中的平均微放电强度和有效放电总时间；

（43）供电能量计算子流程：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；根据得到的数据，进行单个供电周期平均能量；

（45）等效参数计算子程序：计算线线式阵列反应器的等效电容；

（45）吸光度产率能效比子程序：计算活性物种产率能效比；

（5）打开阀门控制产生溶液与液源进入气液分离单元以及O₂、O₃进入O₂和O₃分离器，控制含有双氧水的溶液进入溶液存储中；

（6）通过阀门控制O₃进入O₃储存，通过阀门控制O₂、O₃分离器中分离出的O₂进入O₂储存器；当O₂存储的压力与大气压形成压差，通过阀门控制将O₂泵入气源循环使用；

（7）打开O₂和O₃分离器阀门取样采集进行吸光度检测，通过检测溶液中活性物质双氧水透射光强来检测双氧水产率；用虹吸的方法抽入吸光皿中进行相对吸光度的测量并将数据传输给中央调控单元MCU；

（8）中央调控单元MCU控制将储存的双氧水溶液通入H₂O₂分离器进行分离并提纯；检测双氧水浓度若达标将双氧水通入储存器中；若不达标重复此步骤（1）~步骤（7）直到达标。

8.根据权利要求7所述的脉冲电晕放电水雾合成双氧水装置参数调控方法，其特征在于：所述液源为pH值为6-7微弱酸溶液。

9.根据权利要求7所述的脉冲电晕放电水雾合成双氧水装置参数调控方法，其特征在于：所述气源为氧气。

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