CN112830455A - 一种微波放电法单态氧发生器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波放电法单态氧发生器及方法，包括微波电源，微波电源与升压变压器连接，升压变压器与单态氧发生管连接；所述单态氧发生管包括内电极管、外电极管、放电介质管，外电极管、放电介质管均套设于内电极管外侧，且放电介质管设置于内电极管和外电极管之间，放电介质管与内电极管、外电极管之间具有间隙，氧气由内电极管和外电极管之间通过经过放电激发形成含有单态氧的气体。

Description

一种微波放电法单态氧发生器及方法

技术领域

本发明属于单态氧制备技术领域，具体涉及一种微波放电法单态氧发生器及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

目前，污水处理多采用臭氧实现氧化水处理以及杀菌消毒等操作。臭氧是以电晕放电产生，其生产设备为臭氧发生器。现有采用电压3000-7000V、频率500-2000HZ对氧气进行电离，把氧气电离成单个氧原子，氧原子进行三位碰撞，形成臭氧，用臭氧的氧化性进行氧化水处理以及杀菌消毒。这种方法氧气生成臭氧的转化率通常为8％-10％，同时有1％左右的单态氧分子产生。臭氧发生器设备出口气体是8％-10％臭氧+1％单态氧+89％-91％氧气的混合气体。臭氧发生器主要还是以产生臭氧为目的。

工业上对氧气进行电晕放电制臭氧已形成成熟技术，并且得到了广泛应用，但发明人发现，臭氧的转化率不高(转化率通常为8％-10％)，造成设备和运行费用(消耗氧气和电能)费用高：生成1克臭氧，需消耗10克氧气和0.008度电，折算人民币0.015元左右。经试验测得1方污水每降低1个COD，需要消耗6克臭氧，直接费用为0.09元。在污水处理中臭氧作为一种辅助手段，其原因是成本高，所以市场也急需一种高效且成本低廉的工艺技术用于污水处理。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种微波放电法单态氧发生器及方法，该发生器内电极管是正极，外电极管为负极，放电介质管作为微波放电介质，在单态氧发生管通入氧气后可对氧分子进行放电激发得到含有单态氧的气体，其单态氧的含量占比更高，同时含有臭氧，用于污水处理时可以得到更好的净化效果。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种微波放电法单态氧发生器，包括微波电源，微波电源与升压变压器连接，升压变压器与单态氧发生管连接；所述单态氧发生管包括内电极管、外电极管、放电介质管，外电极管、放电介质管均套设于内电极管外侧，且放电介质管设置于内电极管和外电极管之间，放电介质管与内电极管、外电极管之间具有间隙，氧气由内电极管和外电极管之间通过经过放电激发形成含有单态氧的气体。

作为进一步的技术方案，所述微波电源输出端子正极与升压变压器输入正极连接，微波电源输出端子负极与升压变压器输入负极连接。

作为进一步的技术方案，所述升压变压器输出正极与内电极管连接，升压变压器输出负极与外电极管连接，且外电极管接地设置。

作为进一步的技术方案，所述微波电源的电源输入端子与三相交流电源连接。

作为进一步的技术方案，所述内电极管、外电极管、放电介质管均为管状结构，内电极管、外电极管、放电介质管三者同轴设置。

作为进一步的技术方案，所述内电极管、外电极管和放电介质管之间以同等间距设置。

作为进一步的技术方案，所述放电介质管与内电极管之间沿轴向设置多个第一支撑弹片，放电介质管与外电极管之间沿轴向设置多个第二支撑弹片。

作为进一步的技术方案，所述第一支撑弹片、第二支撑弹片均包括多个依次连接的V形片体，多个V形片体连接成环状，V形片体两端分别支撑放电介质管侧壁、内电极管/外电极管侧壁。

作为进一步的技术方案，所述外电极管外壁具有容纳空间以容纳冷却水，容纳空间一端与冷却水输入端连通，另一端与冷却水输出端连通。

第二方面，本发明实施例还提供了一种如上所述的微波放电法单态氧发生器的工作方法，包括以下步骤：

由微波电源为单态氧发生管提供电流，由内电极管和外电极管之间通入氧气，内电极管作为微波放电的正极，外电极管作为微波放电负极，放电介质管作为微波放电电介质，实现对氧分子进行放电激发，从而生成单态氧分子，输出含有单态氧的混合气体。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明的单态氧发生器，微波电源给单态氧发生管提供电流，由单态氧发生管的进气端通入氧气，内电极管作为微波放电的正极，外电极管作为微波放电负极，放电介质管作为微波放电电介质，实现对氧分子进行放电激发，从而生成单态氧分子。

本发明的单态氧发生器是用微波放电生成单态氧，以氧气作为原料，生产单态氧分子；用这种方法将氧气通入单态氧发生管，发生管出口气体：7％-9％单态氧，6％臭氧，85％-87％氧气，可以比臭氧发生器得到多出几倍的单态氧，而由于单态氧具有极强的氧化性，用于污水处理氧化水中的有害物质，可以达到环保水处理的目的。同时经测试，测得1方污水每降低1个COD，直接运行费用为0.05元，较现有臭氧发生器运行费用0.09元降低了36％。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的单态氧发生器的结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的单态氧发生管的示意图；

图3是图2中A-A剖视图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1、微波电源；2、升压变压器；3、单态氧发生管；4、三相交流电源；5、正极连接线；6、负极连接线；7、正极连接线；8、负极连接线；9、冷却水输入端；10、冷却水输出端；11、进气端；12、出气端；13、内电极管；14、外电极管；15、放电介质管；16、不锈钢支撑弹片；17、冷却水。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中如出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

单态氧定义：

单态氧是指激发态氧分子。基态氧原子(三线态氧分子)被激发后，原本两个2pπ*轨道中两个自旋平行的电子，既可以同时占据一个2pπ*轨道，自旋相反，也可以分别占据两个2pπ*轨道，自旋相反。两种激发态，S＝0，2S+1＝1，即他们的自旋多重性均为1，是单重态(分别用1Δg和1Σg+表示)。因此，激发态氧分子又称为单线态氧1O₂。单态氧在生物、医疗领域有一定的技术研究，在工业应用领域研究甚少。

单态氧制备方式：

基态氧分子吸收光直接产生1O₂是不可能的，跃迁高度禁阻。可以通过光敏化法、微波放电法和化学方法得到。

1、光敏化法就是在光敏化剂作用下对基态氧进行辐照。常用的光敏化剂是一种荧光性染料(如荧光黄、亚甲基蓝、叶绿素等)，可表示为：

敏化剂----hv--->敏化剂T1

敏化剂T1+3O₂----能量传递--->敏化剂+1O₂。

2、微波放电法制备：3O₂----能量传递--->1O₂+O₃。

3、化学反应制备：H₂O₂+ClO-----EtOH--->1O₂+H₂O+Cl-。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种微波放电法单态氧发生器及方法。

实施例1：

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种微波放电法单态氧发生器，包括微波电源1、升压变压器2、单态氧发生管3、连接电线、设备外壳机柜。外围配套设施有380V50Hz的三相交流电源4、冷却水17。

微波电源、升压变压器、单态氧发生管之间通过连接电线连接，微波电源、升压变压器、单态氧发生管等均设置于设备外壳机柜内。

电网380V的三相交流电源4连接到微波电源1的电源输入端子。微波电源1输出端子正极与升压变压器2输入正极通过正极连接线5连接，微波电源1输出端子负极与升压变压器2输入负极通过负极连接线6连接。

升压变压器2高压输出端通过正极连接线7连接单态氧发生管3的正极，升压变压器2低压输出端通过负极连接线8连接单态氧发生管的负极，同时负极接地。

单态氧发生管3的进气端11通入氧气，对氧分子进行放电激发，从而生成单态氧分子，单态氧由出气端12输出。

本实施例的方案中，微波电源1采用阳极高压2000V-5000V、频率2000MHz-3000MHz的微波电源。电压在2000V-5000V范围内可调，频率在2000MHz-3000MHz范围内可调。

升压变压器2，电压380V升压至2000V-5000V，且电压在2000V-5000V范围内可调。

如图2-图3所示，单态氧发生管3，由内电极管13、外电极管14、放电介质管15等组成。内电极管13是正极(高压电极)，外电极管14为负极(接地电极)，放电介质管15是微波放电的介质。

内电极管13、外电极管14、放电介质管15均为管状结构，且外电极管、放电介质管均套设于内电极管外侧设置，放电介质管设置于内电极管和外电极管之间。

在进一步的方案中，内电极管和放电介质管之间具有间隙，外电极管和放电介质管之间具有间隙。

在更进一步的方案中，内电极管、外电极管和放电介质管之间以同等间距设置。

在可选的实施方案中，内电极管13、放电介质管15之间的间隙尺寸采用2mm，外电极管14、放电介质管15之间间隙尺寸也采用2mm。

氧气由内电极管和外电极管之间的间隙通过，也即氧气可由放电介质管两侧通过；内电极管和外电极管一端为进气端11，另一端为出气端12，氧气由进气端进入内电极管和外电极管之间的间隙，产生的单态氧由出气端输出。

在本实施方案中，内电极管13、外电极管14、放电介质管15三者同轴设置。

在优选的实施方案中，放电介质管15与内电极管13之间设置不锈钢支撑弹片16，放电介质管15与外电极管14之间设置不锈钢支撑弹片16，由于不锈钢弹片的弹性，防止单态氧发生管搬运过程中放电介质管因震动破损。

进一步的方案中，放电介质管15与内电极管13之间沿轴向设置多个不锈钢支撑弹片，放电介质管15与外电极管14之间沿轴向设置多个不锈钢支撑弹片，可以有效对放电介质管进行支撑。

不锈钢支撑弹片以环形设置，具体的，不锈钢支撑弹片包括多个依次连接的V形片体，多个V形片体连接成环状，多个V形片体可以为一体式结构；V形片体呈V字形，其两端分别支撑放电介质管侧壁、内电极管/外电极管侧壁；由放电介质管两侧均设置相应的不锈钢支撑弹片以支撑于放电介质管、内电极管/外电极管之间，进而防止放电介质管因震动而发生破损。

不锈钢支撑弹片可采用316L不锈钢制成，可以保证放电介质管的相应位置，除去放电介质管的壁厚外，内外电极管之间保持3mm间隙通道。

具体连接时，升压变压器2输出正极与单态氧发生管3的内电极管13连接，升压变压器2输出负极与外电极管14连接，外电极管接地设置。

本发明的方案中，单态氧发生管3通过冷却水进行冷却，冷却水由单态氧发生管的冷却水输入端9进入，由冷却水输出端10输出，对单态氧发生管进行循环冷却。

具体的，外电极管外壁具有容纳空间以容纳冷却水，容纳空间一端与冷却水输入端连通，另一端与冷却水输出端连通；冷却水17由冷却水输入端进入后，于外电极管14外壁流通，与外电极管外壁进行热量交换，进而将放电时产生的热量带走，实现对单态氧发生管的冷却。

本实施例中，冷却水17采用纯净水，防止结垢及放电电离对不锈钢外管的损害。

在本实施方案中，内电极管13作为微波放电的正极，其外径尺寸7mm，壁厚尺寸1mm，长度尺寸1000mm(可根据功率大小调整其长度，大功率可采用多只内电极管并联设置)，外径表面光滑，材质采用316L不锈钢。

外电极管14作为微波放电负极，其外径尺寸19mm，壁厚尺寸1mm，长度尺寸1000mm(可根据功率大小调整其长度，大功率可采用多只外电极管并联设置)，材质采用316L不锈钢。

放电介质管15作为微波放电电介质，其外径13mm，壁厚1mm，长度1200mm(可根据功率大小调整其长度，大功率可采用多只放电介质管并联设置)，材质采用石英玻璃。

整套单态氧发生器通电通水通气(氧气)后，通过微波电源1调整频率和电压，随着电压升高，微波放电功率增大，单态氧产量增加。通过试验得知，内电极管13外壁有效放电面积1cm²，放电功率调节到0.5-0.6w、频率调节至3650MHz为最佳，此时单态氧发生管的单态氧产量最高。

本发明的单态氧发生器是用微波放电法制造单态氧。将微波电源的两个电极连接到升压变压器，升压变压器高压连接单态氧发生管的正极，低压连接单态氧发生管的负极，同时负极接地；由单态氧发生管的进气端通入氧气，实现对氧分子进行放电激发，从而生成单态氧分子。这种方法氧气转化成单态氧分子7-9％左右，同时有臭氧的转化率为6％。设备出口气体为：7％-9％单态氧，6％臭氧，85％-87％是氧气。

本发明微波放电法的单态氧发生器，以氧气作为原料，生产单态氧分子。由于单态氧具有极强的氧化性，用于污水处理氧化水中的有害物质，可以达到环保水处理的目的。

由于单态氧比臭氧具有更强的氧化性，将由本发明单态氧发生器得到的混合气体通入污水中进行处理，经测试，测得1方污水每降低1个COD，直接运行费用为0.05元，较现有的臭氧发生器运行费用0.09元降低了36％。而随着单态氧设备生产技术进一步完善，运行费用会进一步降低。

实施例2：

该实施例提出如上所述的微波放电法单态氧发生器的工作方法，包括以下步骤：

由微波电源为单态氧发生管提供电流，由内电极管和外电极管之间通入氧气，内电极管作为微波放电的正极，外电极管作为微波放电负极，放电介质管作为微波放电电介质，实现对氧分子进行放电激发，从而生成单态氧分子，输出含有单态氧的混合气体。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波放电法单态氧发生器，其特征是，包括微波电源，微波电源与升压变压器连接，升压变压器与单态氧发生管连接；所述单态氧发生管包括内电极管、外电极管、放电介质管，外电极管、放电介质管均套设于内电极管外侧，且放电介质管设置于内电极管和外电极管之间，放电介质管与内电极管、外电极管之间具有间隙，氧气由内电极管和外电极管之间通过经过放电激发形成含有单态氧的气体。

2.如权利要求1所述的微波放电法单态氧发生器，其特征是，所述微波电源输出端子正极与升压变压器输入正极连接，微波电源输出端子负极与升压变压器输入负极连接。

3.如权利要求1或2所述的微波放电法单态氧发生器，其特征是，所述升压变压器输出正极与内电极管连接，升压变压器输出负极与外电极管连接，且外电极管接地设置。

4.如权利要求1所述的微波放电法单态氧发生器，其特征是，所述微波电源的电源输入端子与三相交流电源连接。

5.如权利要求1所述的微波放电法单态氧发生器，其特征是，所述内电极管、外电极管、放电介质管均为管状结构，内电极管、外电极管、放电介质管三者同轴设置。

6.如权利要求1所述的微波放电法单态氧发生器，其特征是，所述内电极管、外电极管和放电介质管之间以同等间距设置。

7.如权利要求1所述的微波放电法单态氧发生器，其特征是，所述放电介质管与内电极管之间沿轴向设置多个第一支撑弹片，放电介质管与外电极管之间沿轴向设置多个第二支撑弹片。

8.如权利要求7所述的微波放电法单态氧发生器，其特征是，所述第一支撑弹片、第二支撑弹片均包括多个依次连接的V形片体，多个V形片体连接成环状，V形片体两端分别支撑放电介质管侧壁、内电极管/外电极管侧壁。

9.如权利要求1所述的微波放电法单态氧发生器，其特征是，所述外电极管外壁具有容纳空间以容纳冷却水，容纳空间一端与冷却水输入端连通，另一端与冷却水输出端连通。

10.如权利要求1-9任一项所述的微波放电法单态氧发生器的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

由微波电源为单态氧发生管提供电流，由内电极管和外电极管之间通入氧气，内电极管作为微波放电的正极，外电极管作为微波放电负极，放电介质管作为微波放电电介质，实现对氧分子进行放电激发，从而生成单态氧分子，输出含有单态氧的混合气体。

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