CN110913553B

CN110913553B - 一种高效等离子体活化水产生设备

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Publication number: CN110913553B
Application number: CN201911276662.0A
Authority: CN
Inventors: 刘东平; 高万林; 黄峰; 杨柳
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-09-10
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: CN110913553A

Abstract

本发明属于等离子体领域，尤其涉及一种高效等离子体活化水产生设备。包括壳体、水容器、等离子体发生器、气泵、水泵和高压电源；等离子体发生器包括地电极、高压电极和介质管；高压电极外层为介质管，介质管外层为地电极，地电极外层是四氟套管作为绝缘层；等离子体发生器一端固定在水容器底部，另一端通过聚四氟乙烯管连接沸石，沸石固定在水容器底部两端，水容器顶部开设有排气口，水容器外部连接水泵，水泵进水管与水容器相连通，水泵出水管可拆卸固定于壳体上；等离子体发生器的地电极和高压电极分别连接高压电源。本发明设备产生的活化水，对农作物上的有害菌种导致的病害进行防治，减少农药的使用。

Description

一种高效等离子体活化水产生设备

技术领域

本发明属于等离子体领域，尤其涉及一种高效等离子体活化水产生设备。

背景技术

农作物病害防控是等离子体绿色农业的重要应用之一。目前，普遍认为大气压气体放电杀菌最重要机制之一是放电产生的活性物种破坏细菌等微生物的细胞膜，造成细胞膜脂质过氧化，并增加了细胞膜通透性，从而导致细胞的凋亡。活化水中的RNS和ROS物种可直接氧化细胞膜外壁磷脂层；细胞外的H₂O₂分子可渗入细胞膜，与细胞内·NO和·O₂ ^-反应，促进ONOO^-的生成，并导致细胞膜内壁磷脂层的过氧化。此项技术在杀菌上的应用不但具有杀菌效率高，处理时间短，处理温度低等特点，还能够保持被处理食品的新鲜度和品质。因此该技术在食品保鲜、食品安全和作物保护等领域具有良好的应用前景。但是大部分等离子体活化水制备装置工作能耗大、效率低，易导致高温损伤食物、作物，且结构复杂、不适用于推广发展。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种能够替代农药杀菌、驱虫作用的绿色无污染、快速高效的等离子体活化水产生设备。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种等离子体活化水产生设备，包括壳体、水容器、等离子体发生器、气泵、水泵和高压电源；

所述等离子体发生器包括地电极、高压电极和介质管；高压电极由边缘圆形开孔的钢片和钢棒组成，钢棒固定在钢片上；高压电极外层为介质管，介质管两端长于高压电极，介质管外层为地电极，地电极由铜胶带和钨丝组成，地电极与高压电极长度相同；地电极外层是四氟套管作为绝缘层；

所述水容器内部中空，水容器下部设有多个进气口，进气管一端连进气口，另一端连接气泵，水容器下部另设有一个进水口，进水管一端连接进水口，另一端固定于壳体外部；所述等离子体发生器一端固定在水容器底部，等离子体发生器另一端通过聚四氟乙烯管连接沸石，聚四氟乙烯管中间弯折，弯折处固定于水容器上方，沸石固定在水容器底部两端，水容器顶部开设有排气口，水容器外部连接水泵，水泵进水管与水容器相连通，水泵出水管可拆卸固定于壳体上；

等离子体发生器的地电极和高压电极分别连接高压电源。

上述技术方案中，进一步地，所述介质管是由外径不等的两个石英管拼接而成，上侧石英管有10mm外径大于下侧石英管。

上述技术方案中，进一步地，所述高压电极由高压电极上端支撑、高压电极下端支撑固定于介质管内，高压电极上端支撑为圆环形的四氟柱，高压下端支撑是一个拐角状四氟通道。

上述技术方案中，进一步地，水容器外部对应于等离子体发生器的位置设有高压绝缘壳。

上述技术方案中，进一步地，所述沸石以沸石固定板固定在水容器内部。

上述技术方案中，进一步地，所述高压电源的放电频率7-10kHz，电压6-12kV。

上述技术方案中，进一步地，所述水容器底部固定有排水管；水容器外部设有非接触式液位控制外贴式液位传感器。

上述技术方案中，进一步地，所述气泵连接气泵电源，所述气泵电源为0-24V可调电源；所述水泵连接水泵电源，所述水泵电源为0-12V可调电源。

上述技术方案中，进一步地，所述壳体底部固定有脚轮。

上述技术方案中，进一步地，高压电极采用钢、铜制成的金属棒状材料；地电极采用锡箔纸、铜箔纸、银箔、金箔等柔性薄导电材料；介质管采用石英制成的绝缘材料；高压绝缘壳由尼龙制成。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.利用多个介质阻挡放电装置产生等离子体活性物质，经由沸石通入水中，增加了气泡接触面积，能耗低，处理量大，有效提高了气泡内放电产生活性物质产生效率，提高水溶液活化效率。

2.当等离子体发生器处于工作状态时，被处理的水溶液充当冷却液，对放电装置进行温度控制，降低活性物质因高温导致的损耗；同时通过装置内的水容器外部的液位检测器对水位进行控制。

3.利用等离子体水喷雾设备产生的活化水，对农作物上的有害菌种导致的病害进行防治，通过减少农药的使用，进而降低农药对环境的污染，同时能够促进作物生长。

附图说明

图1为本发明设备整体结构示意图；

图2为本发明设备整体剖视图；

图3为本发明水容器剖视图；

图4为本发明等离子体发生器结构示意图；

图中，1.壳体，2.水容器，3.等离子体发生器，4.气泵，5.水泵，6.高压电源，7.地电极，8.高压电极，9.介质管，10.进气口，11.进水口，12.进水管，13.聚四氟乙烯管，14.沸石，15.排气口，16.出水管，17.高压电极上端支撑，18.高压电极下端支撑，19.高压绝缘壳，20.沸石固定板，21.排水管，22.气泵电源，23.水泵电源，24.脚轮，25.介质管固定件，26.继电器，27.电源转换器，28.塞子。

图5大气压下单根等离子发生器电功率图；

图6不同气体流量下杀菌结果图；

图7不同菌液浓度下杀菌结果图；

图8不同气待处理溶液体积下杀菌结果图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

一种等离子体活化水产生设备，包括壳体1、水容器2、等离子体发生器3、气泵4、水泵5和高压电源6；

所述等离子体发生器为DBD放电装置，包括地电极7、高压电极8、介质管9和四氟套管；高压电极是由两个相同的边缘含有8个圆孔的钢片固定8根1mm的钢棒组成的；高压电极外层为介质管，介质管是由外径不等的石英管拼接而成，上侧石英管有10mm外径大于下侧石英管，介质管两端长于高压电极，以防止爬电，介质管外层为地电极7，地电极由铜胶带和钨丝组成，地电极与高压电极长度相同；地电极外层是四氟套管作为绝缘层；

所述水容器为内部中空的长方体，长方体左侧开3个14mm的孔，右侧开四个14mm的孔，七个孔的四周都均匀分布4个螺纹孔，将3孔侧面固定板和4孔侧面固定板分别利用螺丝固定在水容器的左右两侧，侧面固定板上的孔是在直径为20mm的盲孔上穿一个直径为14mm的孔，与水容器上的螺纹孔对应，分别在7个孔的周围均匀分布四个相等的螺纹孔，将7个等离子体发生器3外径大的一侧置于侧面固定板的盲孔处，利用7个介质管固定件25分别将等离子体发生器固定在侧面固定板上，介质管固定件上侧开螺纹孔，将长的钢制螺丝穿过螺纹孔固定在高压电极上，利用高压线将螺丝连接起来，以高压绝缘壳罩住介质管固定件用来对高压绝缘；高压线穿过绝缘壳连接在高压电源上；等离子体发生器介质管外径小的一侧通过聚四氟乙烯管13连接沸石14，聚四氟乙烯管中间弯折，弯折处固定于水容器上方，沸石利用沸石固定板20固定在水容器底部，沸石固定板两侧弯折，并有螺纹孔，利用螺丝将沸石固定板固定住，通过沸石产生大量密集的微气泡，将等离子体活性气体更好的与水接触、反应；地电极直接从反应器引出，将7根等离子体发生器的地电极连接在一起，水容器底部有一个圆形螺纹孔，将一段有螺纹的排水管固定在这个螺纹孔上；水容器顶部上盖处设有排气口15固定一根气管，用以通出排出的废气，同时将地电极引出，连接在高压电源地电极处；

水容器下部设有7个进气口，进气管一端连进气口10，另一端连接气泵4，水容器下部另设有一个进水口11，进水管12一端连接进水口11，另一端配有塞子28并固定于壳体外部，进水管12是一个J型通道；水容器外部连接水泵5，水泵进水管与水容器相连通，水泵出水管16可拆卸固定于壳体上；水泵出水管的出水端连接有喷头。

壳体分上下两层，以控制板隔开，上层一侧放置气泵4、气泵电源22和水泵电源23，另一侧放置继电器26以及电源转换器27，高压电源6和水容器2固定在壳体下层。壳体底部固定有4个脚轮24，用以方便推动装置。

使用时首先开机，气泵开始工作，向水容器内部通气，防止水容器内在加入待处理液体后倒流至放电管内部，影响正常放电，从进水管向水容器中注入待处理液体，例如水，注入水容器内部，注水完成后水容器内等离子体发生器开始放电，活化约90s后后，可以正常使用，取下水泵出水管，出水管的喷头产生的水雾可调节，针对不同的作物高度、面积可随时进行调整出水量、喷雾大小等，产生的活化水对作物起到害虫驱除、疫病防治等作用。在使用过程中，随着水容器内液位高度的降低，非接触式液位控制外贴式液位传感器保持工作，用以提示水容器内水量。如遇紧急断电等意外情况，可通过水容器最底部的排水孔将内部未排出的水及时排出。

实验例

功率测定实验

实验条件为在大气压条件下，利用本发明专利中等离子体活化水产生设备中相同的放电管，对其施加交流电压7-11kV，改变三种不同的气体流量，对单根等离子体发生器的放电功率进行测量，测定结果如图1所示，在后续实验完善过程中，最优实验条件为8Kv的施加电压，此条件下单根等离子体发生器放电功率约为12w，在本发明专利中的等离子体活化水产生设备中，等离子体发生器为7根，因此在设备工作过程中，用于制备等离子体活化水的功率约为94w，不足100w的功率是同类设备中相对耗能较低的设备。

杀菌实验

根据实验存在的三种实验件，气体流量、菌液浓度、待处理溶液体积，进行了一系列对照实验，分别观察撒三种实验条件对杀菌效果的影响。实验设置如下：

1.改变待处理溶液体积对杀菌效果的影响

实验条件为在大气压条件下，利用本发明专利中等离子体活化水产生设备中相同的放电管，对其施加交流电压8kV，改变三种不同的气体流量，对气泵施加5、12、24V的交流电压，菌液浓度选择为10⁶cfu/mL，待处理溶液体积为1.5L。将配置完成的大肠杆菌菌液利用移液枪每次取10μL置于体积为2.5mL的无菌离心管内，放电时间(处理溶液时间)分别为15、30、45、60、90s，利用移液枪取1mL制备完成的等离子体活化水加入滴入过菌液的离心管内，利用超声时两者充分混合后，取混合液进行涂板观察，利用平板法对最终的杀菌结果进行检测。实验结果如图2所示，随着气体流量的增加，杀菌效果更好。

2.改变菌液浓度对杀菌效果的影响

实验条件为在大气压条件下，利用本发明专利中等离子体活化水产生设备中相同的放电管，对其施加交流电压8kV，改变三种不同的气菌液浓度，10⁴cfu/mL、10⁶cfu/mL、10⁸cfu/mL，气体流量选择为对气泵施加24V的交流电压，待处理溶液体积为1.5L。将配置完成的大肠杆菌菌液利用移液枪每次取10μL置于体积为2.5mL的无菌离心管内，放电时间(处理溶液时间)分别为15、30、45、60、90s，利用移液枪取1mL制备完成的等离子体活化水加入滴入过菌液的离心管内，利用超声时两者充分混合后，取混合液进行涂板观察，利用平板法对最终的杀菌结果进行检测。实验结果如图3所示，菌液浓度越低，杀菌效果更好，且本设备制备的等离子体活化水适宜杀灭的浓度范围为0-10⁶cfu/mL。

3.改变气体流量对杀菌效果的影响

实验条件为在大气压条件下，利用本发明专利中等离子体活化水产生设备中相同的放电管，对其施加交流电压8kV，改变三种不同的待处理溶液体积，分别为1.5L、2.5L、3.5L，气体流量选择为对气泵施加24V的交流电压，菌液浓度选择为为10⁶cfu/mL。将配置完成的大肠杆菌菌液利用移液枪每次取10μL置于体积为2.5mL的无菌离心管内，放电时间(处理溶液时间)分别为15、30、45、60、90s，利用移液枪取1mL制备完成的等离子体活化水加入滴入过菌液的离心管内，利用超声时两者充分混合后，取混合液进行涂板观察，利用平板法对最终的杀菌结果进行检测。实验结果如图4所示，待处理溶液体积越小，杀菌效果更好，且本设备制备的等离子体活化水适宜杀灭的浓度范围为1-2.5L。

Claims

1.一种等离子体活化水产生设备，其特征在于，包括壳体（1)、水容器（2）、等离子体发生器（3）、气泵（4）、水泵（5）和高压电源（6）；

所述等离子体发生器包括地电极（7）、高压电极（8）和介质管（9）；高压电极由边缘圆形开孔的钢片和钢棒组成，钢棒固定在钢片上；高压电极外层为介质管，介质管两端长于高压电极，介质管外层为地电极，地电极由铜胶带和钨丝组成，地电极与高压电极长度相同；地电极外层是四氟套管作为绝缘层；

所述水容器内部中空，水容器下部设有多个进气口（10），进气管一端连进气口，另一端连接气泵，水容器下部另设有一个进水口（11），进水管（12）一端连接进水口，另一端固定于壳体外部；所述等离子体发生器一端固定在水容器底部，等离子体发生器另一端通过聚四氟乙烯管（13）连接沸石（14），聚四氟乙烯管中间弯折，弯折处固定于水容器上方，沸石固定在水容器底部两端，水容器顶部开设有排气口（15），水容器外部连接水泵，水泵进水管与水容器相连通，水泵出水管（16）可拆卸固定于壳体上；

等离子体发生器的地电极和高压电极分别连接高压电源。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体活化水产生设备，其特征在于，所述介质管是由外径不等的两个石英管拼接而成，上侧石英管有10 mm外径大于下侧石英管。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体活化水产生设备，其特征在于，所述高压电极由高压电极上端支撑（17）、高压电极下端支撑（18）固定于介质管内，高压电极上端支撑为圆环形的四氟柱，高压下端支撑是一个拐角状四氟通道。

4.根据权利要求1所述的一种等离子体活化水产生设备，其特征在于，水容器外部对应于等离子体发生器的位置设有高压绝缘壳（19）。

5.根据权利要求1所述的一种等离子体活化水产生设备，其特征在于，所述沸石以沸石固定板（20）固定在水容器内部。

6.根据权利要求1所述的一种等离子体活化水产生设备，其特征在于，所述高压电源的放电频率7-10 kHz，电压6-12 kV。

7.根据权利要求1所述的一种等离子体活化水产生设备，其特征在于，所述水容器底部固定有排水管（21）；水容器外部设有非接触式液位控制外贴式液位传感器。

8.根据权利要求1所述的一种等离子体活化水产生设备，其特征在于，所述气泵连接气泵电源（22），所述气泵电源为0-24V可调电源；所述水泵连接水泵电源（23），所述水泵电源为0-12V可调电源。

9.根据权利要求1所述的一种等离子体活化水产生设备，其特征在于，所述壳体底部固定有脚轮（24）。