CN111389189A

CN111389189A - 一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的装置及方法

Info

Publication number: CN111389189A
Application number: CN202010167381.8A
Authority: CN
Inventors: 王瑞雪; 虎攀; 王慧妍
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2020-07-10

Abstract

本发明提出了一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的装置及方法，该装置主要由纳米摩擦发电机、等离子体发生器和导线三部分组成。其中，纳米摩擦发电机依靠摩擦起电和静电感应原理利用人体运动将机械能转化为电能，从而驱动等离子体发生器产生等离子体；基于表面介质阻挡放电原理的等离子体发生器置于防护服表面上，以空气作为工作气体，在低电压下产生等离子体，对防护服表面危险化学品进行降解。本发明一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的装置及方法的优点是不需要外接电源、简单便携可穿戴、成本低且安全有效，自驱动产生等离子体实现对防护服表面残余或渗透的危化品的高效降解，提高防护服使用的安全性，在生物安全领域也具有潜在应用价值。

Description

一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的装置及方法

技术领域

本发明涉及危险化学品安全领域，具体而言，涉及一种采用纳米摩擦发电机驱动的、可穿戴的表面等离子体降解危险化学品的装置及方法。

背景技术

近年来，危险化学品产量日益增加，在生产、经营、储存、运输和使用过程中发生的泄漏事故也不断增多。在进行应急处置过程中，应急人员要穿戴防护服第一时间深入现场作业，但是目前所用的防护服仅有物理隔离作用，只具备“被动”防御功能，在长时间暴露于危险化学品或者高浓度危险化学品环境中，残留气体的吸附或者渗透会对人体产生危害。本发明提出一种穿戴于防护服表面可对所接触的危险化学品进行降解的装置及方法，赋予防护服“主动”防御功能。

传统危险化学品降解技术主要有物理法、化学法等，存在效率低、腐蚀重、环境危害大等弊病。如过氧化物消毒技术降解危险化学品具有低毒、环境危害小的优点，但是反应慢、产生有毒中间产物亟待解决；光催化法降解危险化学品效率高、危害小，但是催化剂易失活、反应选择性差需要改进。

低温等离子体是一种新型高级氧化技术，已应用于生物医学、材料改性、废水处理等领域，被公认为一种绿色、清洁、高效的处置技术。中国专利CN106620762A公开了一种超薄射流与等离子体组合式洗消净化方法及其装置，通过液体输送管输送的洗消液与气体输送管输送的等离子体在双源喷头处汇流进行洗消，此装置能将等离子体携带的动量传递给洗消液并较好地维持等离子体的抑菌效果；中国专利CN105163476A公开了一种等离子体放电装置，此装置可应用于大气条件下消除一氧化氮、二氧化三氮、金属汞等有毒成分，增加气体内的含氧自由基含量，其结构简单、操作容易、易维护；中国专利CN105491782A提供了一种处理化工有害气体的等离子体装置，化工有害气体受到高温高压的等离子体冲击时，其分子、原子将会重新组合而生成新的物质，从而使有害物质变为无害物质，其装置结构简单合理且效率高，电能消耗低；中国专利CN109401786A提供了一种处理医疗废物的等离子体装置，其密闭式进料装置能够防止医疗废物的病菌、病毒等传染性物质扩散，但此装置只适用于固体密闭填料处理。尽管等离子体在危化品领域表现出高效的降解效率，但存在的主要问题是：激励产生低温等离子体所需电源电压较高，电源体积庞大，这在一定程度上限制了其应用。

纳米摩擦发电机基于摩擦起电效应和静电感应效应，实现自驱动供电，具有结构设计灵活、成本低廉等优点，有望作为等离子体的自驱动电源。中国专利CN1076124148公开了一种纳米摩擦发电机及其制备方法和应用，此装置可实现在复杂形状物体上的附着，并能收集能量进行传感；中国专利CN110661444A提出了基于纳米摩擦发电机的可持续高压源及其应用，此装置通过两个摩擦结构的相互转动持续输出直流电应用于电子仪器、电解实验等；文章(NATURE COMMUNICATIONS|DOI:10.1038/s41467-018-06198-x)中首次报道了纳米摩擦发电机驱动的等离子体研究，但由于所激励的为微等离子体，放电面积较小，且放电装置为射流式，需采用惰性气体作为工作气体，限制了其应用。由于等离子体产生的电压较高，因此如何降低等离子体击穿电压是当前的应用难点。

发明内容

为解决以上问题，本发明的目的在于提供一种可穿戴式的等离子体降解危险化学品的装置及方法，实现对危险化学品高效降解。该发明的特点是不需要外接电源、可穿戴、简单便携、易于操作、成本低且安全高效。利用人体运动，将机械能转化为电能，因此不需要额外电源；通过构建基于表面介质阻挡放电(SDBD)原理的等离子体发生器，降低激励电压，在大气压空气中产生均匀稳定的等离子体，实现对防护服表面残余或渗透的危化品的高效降解，达到对人体的保护作用。此发明的应用领域不局限于降解危险化学品，还可用于灭菌、消毒等生物安全领域。

本发明提供了一种可穿戴式等离子体装置，包括：纳米摩擦发电机、导线以及等离子体发生器，其中等离子体发生器由暴露电极、植入电极、聚酰亚胺胶带以及介质阻挡层组成。

本发明一种可穿戴式等离子体装置，所述的导线分别将等离子体的两个电极(暴露电极和植入电极)与纳米摩擦发电机的两个电极相连，连接无次序；所述的暴露电极位于介质阻挡层的上方，植入电极位于介质阻挡层的下方，两者之间无间隙；所述的聚酰亚胺胶带紧贴于植入电极表面并将其粘接在介质阻挡层的下表面上，避免两电极之间产生电弧，确保等离子体发生器可产生均匀稳定的等离子体；所述的等离子体发生器的暴露电极为梳齿状结构，梳齿数为1-10个，单个电极之间间距为1-5mm；所述的纳米摩擦发电机提供的电压幅值范围为0-1500V，供电频率范围为0-150Hz；所述的暴露电极和植入电极采用导电的金属材料，如铜、铝等，但不仅限以上金属材料；所述的介质阻挡层采用绝缘材料，如石英、陶瓷等，但不仅限于以上绝缘材料。

本发明还提供了一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的方法，该方法包括：

步聚1、将等离子体发生器置于防护服表面，保证二者之间的连接牢固稳定；

步骤2、将纳米摩擦发电机穿戴在手肘或膝盖弯曲处，保证发电机可正常运行且不会脱落；

步骤3、检查纳米摩擦发电机和等离子体发生器之间的连接是否正常，检查导线的绝缘性，确保装置的安全性；

步聚4、穿戴者通过运动产生的机械能驱动纳米摩擦发电机运转产生电能，为置于防护服表面电极结构提供工作电压，空气中产生低温等离子体，对所接触的危险化学品进行降解；

步骤5、处理结束后，关闭纳米摩擦发电机，降解完成。

步骤6、反应结束后，可将收集到的产物借助色谱-质谱联用仪等检测装置进行检测，分析降解效率和效果。

作为本发明的进一步改进，可并联多个纳米摩擦发电机，以激励多个等离子体发生器模块，增大处理面积；

作为本发明的进一步改进，可在装置回路中串联限流电阻，保护人体免受高压伤害。

本发明的有益效果为：

第一，本发明可穿戴于防护服表面，能有效降解防护服上残余物或者渗透物，保护工作人员；

第二，本发明采用纳米摩擦发电机驱动等离子体，将运动的机械能转化为电能，不需要外接电源便可持续产生等离子体，高效便携；

第三，本发明采用基于SDBD原理的等离子体发生器，可在较低电压下产生稳定均匀的等离子体；

第四，本发明以空气为工作气体，规避了使用惰性气体的缺陷，成本低且安全；

第五，此装置结构简单，操作方便，可实现工业化大批量生产应用；

第六，本发明不仅仅只适用于对渗透在防护服表面的危险化学品进行降解，在生物安全领域具有潜在的应用价值。

附图说明

图1为纳米摩擦发电机激励的表面等离子体装置示意图；

图2为等离子发生器的结构示意图；

图3为芥子气模拟剂降解效率图。

图中，1、纳米摩擦发电机；2、导线；3、等离子体发生器；4、暴露电极；5、植入电极；6、聚酰亚胺胶带；7、介质阻挡层。

具体实施方式

下面通过具体的实例对本发明做进一步的详细描述。本发明通过纳米摩擦发电机激励等离子体发生器3产生大气压低温等离子体，将等离子体发生器3置于充满空气的密闭腔体中对危险化学品进行降解。选用化学毒剂芥子气模拟剂为等降解的危险化学品，用于模拟该装置穿戴于防护服上的实际工况。芥子气模拟剂与芥子气具有相同的物理和化学性质，具有代表性。

本发明实施例所述的是一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的装置，如图1所示，该装置包括：纳米摩擦发电机1、导线2以及等离子体发生器3，其中等离子体发生器3由暴露电极4、植入电极5、聚酰亚胺胶带6以及介质阻挡层7组成。导线2分别将等离子体的两个电极(暴露电极4和植入电极5)与纳米摩擦发电机1的两个电极相连，连接无次序。暴露电极4位于介质阻挡层7的上方，植入电极5位于介质阻挡层7的下方，两者之间无间隙。聚酰亚胺胶带6紧贴于植入电极5表面并将其粘接在介质阻挡层7的下表面上，避免两电极之间产生电弧，确保等离子体发生器3可产生均匀稳定的等离子体，如图2所示。

所述的等离子体发生器3的暴露电极4为梳齿状结构，梳齿数为3个，单个电极之间间距为5mm；

所述的纳米摩擦发电机1提供的电压为1100V，供电频率范围为150Hz；

所述的暴露电极4和植入电极5采用铜电极材料；

所述的介质阻挡层7采用绝缘材料石英。

本发明实施例所述的是一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的方法，、包括以下步骤方案来实现：

步聚4、穿戴者通过运动产生的机械能驱动纳米摩擦发电机运转产生电能，为置于防护服表面电极结构提供工作电压，空气中产生低温等离子体，对所接触的芥子气模拟剂(浓度500ppb-1000ppb)进行降解，控制反应时间0-20min；

步骤5、处理结束后，关闭纳米摩擦发电机，降解完成。

步骤6、将收集到的产物借助色谱-质谱联用仪等检测装置进行检测，分析降解效率和效果，经15min等离子体处理后，芥子气模拟剂降解效率达到100％，如图3所示。

Claims

1.一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的装置，其特征在于：主要包括纳米摩擦发电机、导线以及等离子体发生器，其中等离子体发生器由暴露电极、植入电极、聚酰亚胺胶带以及介质阻挡层组成；所述的导线分别将等离子体的暴露电极和植入电极与纳米摩擦发电机的两个电极相连，连接无次序；所述的暴露电极位于介质阻挡层的上方，植入电极位于介质阻挡层的下方，两者之间无间隙；所述的聚酰亚胺胶带紧贴于植入电极表面并将其粘接在介质阻挡层的下表面上；；所述的暴露电极和植入电极采用导电的金属材料；所述的介质阻挡层采用绝缘材料。

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的装置，其特征在于：所述的等离子体发生器的暴露电极为梳齿状结构，梳齿数为1-10个，单个电极之间间距为1-5mm。

3.根据权利要求1所述的一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的装置，其特征在于：所述的纳米摩擦发电机提供的电压幅值范围为0-1500V，供电频率范围为0-150Hz。

4.一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的方法，其特征在于：

步骤5、处理结束后，关闭纳米摩擦发电机，降解完成；

5.根据权利要求4所述的一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的方法，其特征在于：并联多个纳米摩擦发电机，以激励多个等离子体发生器模块，增大处理面积。

6.根据权利要求4所述的一种可穿戴式等离子体降解危险化学品的方法，其特征在于：在装置回路中串联限流电阻。