CN112694148B - 一种大气压表面波等离子体水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气压表面波等离子体水处理装置，包括表面波等离子体发生器、放电腔室和水箱，所述放电腔室包括两个同轴嵌套的介质管，内管和外管之间设置有间隙；内管的一端设置有进气口，另一端设置有出气口；外管上设置有气体或者液体的入口和气体或者液体的出口；所述进气口与气源连通；所述进气口设置于表面波等离子体发生器的耦合孔内；所述出气口伸入到水箱的液面下。本发明能够有效地克服等离子体处理水溶液过程中微波被水吸收的问题，这极大地提高了微波的能量耦合效率，能够更好地应用于污水净化、活化水制备和杀菌消毒方面。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面波等离子体水处理装置，属于低温等离子体应用技术领域。
背景技术
由于大气压低温等离子体是在开放的环境下产生等离子体放电，这不仅避免了昂贵的真空设备和运行维护成本，而且能够适应开放环境下的实际应用，所以在生物医学和环境保护领域展现出独特的优势。这些应用主要归因于等离子体放电过程所产生的各种各样的活性粒子，例如带电粒子、自由基、激发态粒子、活性基态分子等，以及紫外线等。研究表明活性粒子传质进入到水溶液中能够对污水净化和杀菌消毒起到关键性作用。在诸多激励方式中，微波等离子体放电具有较高的电子和活性粒子密度，更大的功率密度等优点，这对提高实际应用中的处理效率非常重要。另外，微波等离子体是一种无电极和无高电压的放电，使用寿命更长且更加安全。以表面波模式耦合产生的微波等离子体能够形成大气压等离子体射流，微波放电将不再局限于谐振腔发生器的内部，使其可以作用到待处理物体的表面，从而大大地提高了处理效率。然而，当被处理物是水溶液时，由于水分子是极性分子，所以电磁波极容易被水吸收而转变为热能，导致微波耦合到等离子体的能量效率急剧下降。因此，表面波等离子体射流只能通过大气与水溶液的气相界面发生相互作用，而无法直接进入到液体的内部，这在很大程度上限制了它在水处理方面的功效。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明根据表面波等离子体中电磁波的传播和分布特性设计出一种大气压表面波等离子体水处理装置，使其能够充分地与水溶液发生相互作用，并且最大程度地避免微波能量被水溶液吸收。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种大气压表面波等离子体水处理装置，包括表面波等离子体源、放电腔室和水箱，其中：
表面波等离子体源包括依次连接的微波源、微波传输系统、表面波等离子体发生器，所述表面波等离子体发生器上设置有耦合孔。
所述放电腔室包括两个同轴嵌套的介质管，两个同轴嵌套的介质管分别为内管和外管，内管和外管之间设置有间隙，间隙的两端是封闭端。内管的一端设置有进气口，另一端设置有出气口。所述进气口凸出于外管。与进气口同一侧的外管上设置有气体或液体入口，与进气口同一侧的外管上设置有气体或液体出口。所述进气口与气源连通。
所述进气口一侧的内管穿过表面波等离子体发生器的耦合孔；所述出气口伸入到水箱的液面下。
优选的：所述气源为惰性气体。
优选的：所述惰性气体是氩气或者氦气。
优选的：所述进气口与气源之间设置有流量计。
优选的：所述液体为正十四烯。所述气体为空气。
优选的：所述微波源的频率为2.45 GHz或915MHz，微波源工作模式是连续、脉冲或正弦方式中的任一种。
优选的：所述微波传输系统包括环形器、定向耦合器、波导管，所述微波源、环形器、定向耦合器、波导管、表面波等离子体发生器依次连接。
优选的：所述阻抗匹配系统为可移动的金属挡板，所述可移动的金属挡板一端与放电腔室滑动连接，另一端与表面波等离子体发生器滑动连接。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明表面波等离子体源可以在发生器的外部空间产生微波等离子体放电。放电腔室采用同轴介质管结构，在内管中通入工作气体从而形成表面波等离子体。外管的作用是将水溶液与内管隔离开，保证表面波的传输，并且在同轴管的间隙中通入非极性分子的气体或者液体来降低内管和等离子体的温度。通过将放电腔室插入到水箱溶液中，从而在水溶液的内部形成微波放电，提高微波等离子体的处理效率。
本发明解决了微波等离子体处理水溶液过程中微波易被水分子吸收的问题，可用于活化水制备、污水净化和杀菌消毒方面。
附图说明
图1为本发明的装置系统示意图。
图2为实施例中放电腔室的剖面示意图。
图3为放电腔室安装示意图。
图4为阻抗匹配系统示意图。
其中，1. 微波源，2. 微波传输系统，3.表面波等离子体发生器，4. 阻抗匹配系统，5. 放电腔室，6. 流量计，7. 气源阀门，8. 气源，9. 溶液，10. 液相中表面波等离子体放电，11. 水箱，12. 气体或液体入口，13. 气体或液体出口，14. 进气口，15. 出气口，16.耦合孔，17. 可移动的金属挡板，18. 挡板把手。
实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种大气压表面波等离子体水处理装置，如图1、2所示，包括表面波等离子体源、放电腔室5和水箱，其中：
表面波等离子体源包括依次连接的微波源1、微波传输系统2、表面波等离子体发生器3，所述微波源1的频率为2.45 GHz或915MHz，微波源1工作模式是连续、脉冲或正弦方式中的任一种。所述微波传输系统2可以根据实际情况选取波导元器件，包括有波导管、同轴线、环形器、定向耦合器、功率计、三销钉。如图4所示，阻抗匹配系统4为可移动的金属挡板，所述阻抗匹配系统4为可移动的金属挡板，可移动的金属挡板设置在表面波等离子体发生器3的末端，且所述可移动的金属挡板与表面波等离子体发生器3滑动连接，通过挡板把手18推动可移动的金属挡板17在表面波等离子体发生器3移动，可移动的金属挡板可以改变微波传输系统的特征阻抗，从而使微波的能量耦合效率达到最大。所述表面波等离子体发生器3上设置有耦合孔。
如图2所示，所述放电腔室5包括两个同轴嵌套的介质管，两个同轴嵌套的介质管分别为内管和外管，内管和外管之间设置有间隙，间隙的两端是封闭端。内管的一端设置有进气口14，另一端设置有出气口15。所述进气口14凸出于外管，即根据外管的实际尺寸，内管的进气口14可以凸出外管一截，以便能够穿过表面波等离子体发生器3上的耦合孔。与进气口14同一侧的外管上设置有气体或液体入口12，与进气口14同一侧的外管上设置有气体或液体出口13。气体或液体入口12和气体或液体出口13分别连接连接气体或者液体循环散热系统，用于降低内管和表面波等离子体的温度，冷却内管和表面波等离子体，避免溶液9的温度上升。气体是空气，述液体为非极性分子溶液，为正十四烯。所述进气口14与气源8连通，所述进气口14与气源8之间设置有流量计6，气源8为等离子体放电的工作气体。所述气源8为惰性气体，所述惰性气体是氩气或者氦气。所述放电腔室的外管用于隔离内管与溶液，避免表面波被水溶液吸收，表面波等离子体射流能够进入到水溶液。
如图3所示，所述进气口14一侧的内管穿过表面波等离子体发生器3的耦合孔，耦合孔将发生器的微波能量耦合到插入的内管中，从而在内管中产生等离子体放电，所述出气口15伸入到水箱的液面下。放电腔室在水箱中的位置可以是固定的或是移动的，其材料是耐腐蚀且无极性的绝缘陶瓷材料或者石英。
外管用于隔离内管与水箱中的溶液，保证表面波能够在等离子体中传输而不被溶液吸收。根据外管的实际尺寸，内管在其进气端一侧可以凸出外管一截，以便能够进入发生器上的耦合孔。表面波等离子体是在放电腔室的内管中产生，通过调节外部控制参数来改变等离子体的尺寸，使得等离子体放电能够喷出管口，进入到溶液中。
使用时，将放电腔室出气口15的一端放置到水箱溶液9中。打开气源阀门7和流量计6，接通微波源1并借助于点火提供的种子电子在内管中激励产生大气压表面波等离子体射流。通过调节外部控制参数使得等离子体的长度能够喷出出气口15，在水溶液中形成液相中表面波等离子体放电10，从而能够与溶液直接发生相互作用。所述外部控制参数包括微波源参数、内管的管径、气体流量以及表面波等离子体发生器3和出气口15之间的管长。
可选的，在脉冲模式下，所述电源参数包括微波瞬时输入功率、占空比、脉冲调制频率。在连续模式下，所述电源参数是微波功率。在正弦模式下，所述电源参数包括微波的最大和最小功率、调制频率。
本发明装置能够有效地克服等离子体处理水溶液过程中微波被水吸收的问题，这极大地提高了微波的能量耦合效率，能够更好地应用于污水净化、活化水制备和杀菌消毒方面。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种大气压表面波等离子体水处理装置，其特征在于：包括表面波等离子体源、放电腔室(5)和水箱(11)，其中：
表面波等离子体源包括依次连接的微波源(1)、微波传输系统(2)、表面波等离子体发生器(3)，所述表面波等离子体发生器(3)上设置有耦合孔；
所述放电腔室(5)包括两个同轴嵌套的介质管，两个同轴嵌套的介质管分别为内管和外管，内管和外管之间设置有间隙，间隙的两端是封闭端；内管的一端设置有进气口(14)，另一端设置有出气口(15)；所述进气口(14)凸出于外管；与进气口(14)同一侧的外管上设置有气体或液体入口(12)，与进气口(14)同一侧的外管上设置有气体或液体出口(13)；所述进气口(14)与气源(8)连通；
所述进气口(14)一侧的内管穿过表面波等离子体发生器(3)的耦合孔；所述出气口(15)伸入到水箱的液面下；
表面波等离子体源在发生器的外部空间产生微波等离子体放电；放电腔室采用同轴介质管结构，在内管中通入工作气体从而形成表面波等离子体；外管的作用是将水溶液与内管隔离开，保证表面波的传输，并且在同轴管的间隙中通入非极性分子的气体或者液体来降低内管和等离子体的温度；通过将放电腔室插入到水箱溶液中，从而在水溶液的内部形成微波放电，提高微波等离子体的处理效率。
2.根据权利要求1所述大气压表面波等离子体水处理装置，其特征在于：所述气源(8)为惰性气体。
3.根据权利要求2所述大气压表面波等离子体水处理装置，其特征在于：所述惰性气体是氩气或者氦气。
4.根据权利要求3所述大气压表面波等离子体水处理装置，其特征在于：所述进气口(14)与气源(8)之间设置有流量计(6)。
5.根据权利要求4所述大气压表面波等离子体水处理装置，其特征在于：所述液体为正十四烯；所述气体为空气。
6.根据权利要求5所述大气压表面波等离子体水处理装置，其特征在于：所述微波源(1)的频率为2.45GHz或915MHz，微波源(1)工作模式是连续、脉冲或正弦方式中的任一种。
7.根据权利要求6所述大气压表面波等离子体水处理装置，其特征在于：所述微波传输系统(2)包括环形器、定向耦合器、波导管，所述微波源(1)、环形器、定向耦合器、波导管、表面波等离子体发生器(3)依次连接。
8.根据权利要求7所述大气压表面波等离子体水处理装置，其特征在于：包括阻抗匹配系统(4)，阻抗匹配系统(4)为可移动的金属挡板，可移动的金属挡板设置在表面波等离子体发生器(3)的末端，且所述可移动的金属挡板与表面波等离子体发生器(3)滑动连接。
9.根据权利要求8所述大气压表面波等离子体水处理装置，其特征在于：所述放电腔室的材料是耐腐蚀且无极性的绝缘陶瓷或者石英。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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