CN112978847A - 基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置及方法，氮氧分离机用于分离空气中的氧气和氮气，流量控制器连通出氧口以将出氧口排出的气体与空气按预定氮氧配比混合形成混合气体，等离子体发生器连接流量控制器以导入混合气体，等离子体发生器基于混合气体高压放电生成冷等离子体，水溶液活化腔连通等离子体发生器，监测与控制电路基于预定氮氧配比，调节氮氧分离机自出氧口排出的气体流量，基于进气口导入的进气量，监测与控制电路发送水量信号到水阀。经活化后的水溶液可用于喷洒、擦拭、洗涤等消毒应用。

Description

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置及方法

技术领域

本发明属于等离子体消毒领域，特别是一种基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置及方法。

背景技术

细菌、真菌与病毒感染是最常见的三种感染类型，细菌感染相对来说更加普遍，这是由于在我们生活的环境当中时时刻刻都在接触各种细菌。目前对细菌感染性疾病的治疗通常采用抗生素、激素、免疫抑制药物等治疗方法。虽然抗生素、激素的使用在细菌感染性疾病等方面有很好的作用，但是一些抗生素、激素的使用不仅会造成细菌耐药性的普遍增加，还会增加二重感染的发生率，以及各种毒性反应和过敏反应。因此，为了克服以上问题，寻求一种无副作用并且安全高效的消毒技术尤为重要。

近年来大气压等离子体技术的蓬勃发展使其在环境保护、生物医疗、材料表面改性和化学工程等领域得到广泛关注和研究。特别是在生物医学治疗中，越来越多的研究结果显示，其生物医学效应和其产生的活性氧ROS和活性氮RNS粒子密切相关。

研究发现，放电等离子体中产生的活性氧ROS具有很强的氧化特性，它能使细胞受到它们诱导的氧化应激，改变细菌的表面结构和化学状态，破坏细胞膜的完整性，最终影响细菌的形态结构，从而导致细胞凋亡。对于活性氮RNS，在酸性介质中，它们可以转化为强氧化剂，并引起有机污染物及其副产物的亚硝化和硝化作用，一些研究证实，活性氮RNS在生物医学领域如肿瘤细胞凋亡和伤口愈合中具有重要的应用前景。

在现有技术条件下，空气放电产生的等离子体中活性氧ROS和活性氮RNS粒子较少，无法起到很好的消毒作用。研究表明，降低气压或者提高氧气比例能有效提升ROS和RNS粒子产率，但是降低气压需要大型真空泵，体积大、成本高；而使用高压气瓶配置氮氧混合气体，存在笨重、不易移动及携带困难等缺陷。因此，为了满足特定应用领域及环境条件下的需求，实现便携式大气压等离子体活性氧和活性氮的控制具有十分重要的意义。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在问题，本发明提出一种基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置及方法，通过空气中氮氧分离控制，改变环境空气中氮气约80％、氧气约20％的含量配比(氮氧配比约为4)，分离出不同比例的氮气、氧气，再通过等离子体放电控制实现对等离子体活性粒子的调控与增强，来提供更优的消毒效果，不会产生副作用。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置，其包括，

氮氧分离机，其配置成为分离空气中的氧气和氮气，所述氮氧分离机包括输入空气的进气口、出氧口和排氮口，

流量控制器，其连通所述出氧口以将所述出氧口排出的气体与空气按预定氮氧配比混合形成混合气体，

等离子体发生器，其连接所述流量控制器以导入所述混合气体，等离子体发生器基于所述混合气体高压放电生成冷等离子体，等离子体发生器设有控制温度的温度控制器和控制功率的功率控制器，

水溶液活化腔，其连通所述等离子体发生器，所述水溶液活化腔为密闭腔体，其设有用于进水的水阀、位于水下的导入冷等离子体的进气口以及设在水面上方的用于导出气体的出气口，所述出气口连通所述氮氧分离机形成循环气路，

监测与控制电路，其连接所述流量控制器、氮氧分离机、温度控制器、功率控制器和水阀，监测与控制电路用于：

基于所述预定氮氧配比，调节氮氧分离机自所述出氧口排出的气体流量；

发送温度信号和功率信号到温度控制器和功率控制器以控制所述等离子体发生器；

基于进气口导入的进气量，监测与控制电路发送水量信号到所述水阀。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置中，所述氮氧分离机包括膜分离机、分子筛、高梯度磁场氮氧分离机。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置中，所述等离子体发生器连接高压电源，所述高压电源包括正弦电源、脉冲电源或直流高压电源。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置中，所述等离子体发生器的放电方式包括介质阻挡放电、射流放电、电晕放电、微波放电或滑动电弧放电。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置中，水溶液活化腔经由水阀连通水溶液存储器，所述水溶液存储器容纳自来水、超纯水、去离子水、医用生理盐水、酒精溶液或高倍稀释H₂O₂水溶液。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置中，监测与控制电路包括温度或者功率超过阈值的报警单元以及系统发生故障时自动断电的保护装置。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置中，预定氮氧配比为0.1-0.4。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置中，氮氧分离机的进气口连接过滤空气的过滤器、压缩空气的压缩机及冷凝器。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置中，所述水溶液活化腔经由蠕动泵连接出水口。

根据本发明另一方面，一种利用所述的基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的制备方法包括以下步骤：

氮氧分离机将空气及来自循环气路中的气体大致分离为氧气和氮气，

流量控制器连通所述出氧口以将所述出氧口排出的气体与空气按预定氮氧配比混合形成混合气体，其中，基于所述预定氮氧配比，调节氮氧分离机自所述出氧口排出的气体流量，

等离子体发生器基于所述混合气体高压放电生成冷等离子体，所述冷等离子体导入到水溶液活化腔形成等离子体活化水，其中，监测与控制电路发送温度信号和功率信号到温度控制器和功率控制器以控制所述等离子体发生器，基于进气口导入的进气量，监测与控制电路发送水量信号到所述水阀。

有益效果

本发明无需气瓶的氮氧配比控制实现低成本、高消毒效率和小型化，采用内置小型氮氧分离机制备含70％-90％比例氧气的氮氧混合气(氮氧配比约为0.1-0.4)，不仅摆脱了传统高压气瓶笨重、不易携带、不易移动等问题，而且减小了体积和重量，此装置便于携带且操作简单。同时，70％-90％的浓度区间可以取得最高的消毒效率，且更高浓度氧气的制备能耗更高、设备体积更大，所以本发明相比于传统制备高纯氧气的方法更具有消毒应用的优势。采用自循环技术，氮氧分离机只需在装置启动后的一段时间按额定功率工作，产生预定比例的氮氧混合气体，并使该预定比例的氮氧混合气体填充满整个气体循环回路。在等离子体发生器中，电离所消耗的氮气和氧气只占全部混合气体的少数部分，电离产生的等离子体溶于水溶液中，而未被反应的氮氧混合气体通过循环气路继续回到等离子体发生器内重新电离产生等离子体活性气体。循环气路中混合气体的氮氧比例并不会发生太剧烈的变化，仍会维持在70％-90％的比例内，此时，只需根据监测单元所监测的数据，实时补充氮气或氧气，以维持氮氧比在规定的范围内即可。因此，在整个循环回路的氮氧比达到预定目标范围后，氮氧分离机即可从额定功率制气模式转入低功率氮氧比维持模式，间歇投入运行以补充少量所消耗的气体即可。这样就提高了氮氧分离效率，制氧所需功耗和成本更低，通过氮氧分离机自循环制氧易于将周围空气中的氮气、氧气按所需比例进行分离，无需额外费用购买空气、氮气及氧气，系统使用成本低。将等离子体发生器放电产生的气体通入到水溶液活化腔，经过水滤之后排出的气体，通过循环气路，再次通入到氮氧分离机制取氧气，以此实现内循环。相比于输入气体全部为环境空气，循环气路能够提升氮氧分离的能量效率，所需功耗更低，仅用小型、分离能力较低的氮氧分离机就能将气路中氧气维持在较高水平，能够有效缩小装置体积和降低使用成本。调控产生的等离子体活化水溶液用于消毒灭菌，对人体无毒无害、安全可靠，具有医学应用的前景。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1为本发明基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的，不同氮气、氧气混合比例的等离子体活性水对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)灭菌效果图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图2更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，一种基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置包括，

氮氧分离机，其配置成为分离空气中的氧气和氮气，所述氮氧分离机包括输入空气的进气口、出氧口和排氮口，

流量控制器，其连通所述出氧口以将所述出氧口排出的气体与空气按预定氮氧配比混合形成混合气体，

等离子体发生器，其连接所述流量控制器以导入所述混合气体，等离子体发生器基于所述混合气体高压放电生成冷等离子体，等离子体发生器设有控制温度的温度控制器和控制功率的功率控制器，

水溶液活化腔，其连通所述等离子体发生器，所述水溶液活化腔为密闭腔体，其设有用于进水的水阀、位于水下的导入冷等离子体的进气口以及设在水面上方的用于导出气体的出气口，所述出气口连通所述氮氧分离机形成循环气路，

监测与控制电路，其连接所述流量控制器、氮氧分离机、温度控制器、功率控制器和水阀，监测与控制电路用于：

基于所述预定氮氧配比，调节氮氧分离机自所述出氧口排出的气体流量；

发送温度信号和功率信号到温度控制器和功率控制器以控制所述等离子体发生器；

基于进气口导入的进气量，监测与控制电路发送水量信号到所述水阀。

本发明通过空气中氮氧分离控制，打破传统空气中氮气约80％、氧气约20％的含量配比，分离出不同比例的氮气、氧气，再通过等离子体放电控制技术，包括发生器温度控制技术、放电功率控制技术，实现对等离子体活性粒子的调控与增强，来提供更优的消毒效果，现有技术将氮氧分离都是以实现高纯氧气为目标，本发明无需高纯度的O₂，那样的话能耗高且设备体积大，本发明产生O₂浓度为70-90％范围，这个范围灭菌效果最好，甚至比纯氧好。本发明提出了自循环的方式，也就是产生的气体处理水之后，又回到氮氧分离机的进气口，这样的气体比空气的含氧浓度高，在较低的功率下就能产生70-90％氧气浓度范围的氮氧混合气。本发明使用等离子体先处理水，再用水来消毒灭菌，提高了灭菌效果。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的优选实施例中，所述氮氧分离机包括膜分离机、分子筛、高梯度磁场氮氧分离机。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的优选实施例中，所述等离子体发生器连接高压电源，所述高压电源包括正弦电源、脉冲电源或直流高压电源。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的优选实施例中，所述等离子体发生器的放电方式包括介质阻挡放电、射流放电、电晕放电、微波放电或滑动电弧放电。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的优选实施例中，水溶液活化腔经由水阀连通水溶液存储器，所述水溶液存储器容纳自来水、超纯水、去离子水、医用生理盐水、酒精溶液或高倍稀释H₂O₂水溶液。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的优选实施例中，监测与控制电路包括温度或者功率超过阈值的报警单元以及系统发生故障时自动断电的保护装置。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的优选实施例中，预定氮氧配比为0.1-0.4。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的优选实施例中，氮氧分离机的进气口连接过滤空气的过滤器、压缩空气的压缩机及冷凝器。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的优选实施例中，所述水溶液活化腔经由蠕动泵连接出水口。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的优选实施例中，等离子体活化水消毒装置包括氮氧分离机、流量控制器、高压电源、等离子体发生器、水溶液活化腔、循环气路、监测与控制电路，其中氮氧分离机用于将氧气从空气中分离，再通过流量控制器与空气按一定比例混合，准确控制放电气体的氮氧配比；进而在等离子体发生器中，通过高压放电产生低温等离子体，并将等离子体处理后的气体通入到水溶液活化腔，对水溶液进行活化处理；经过水滤之后的气体被循环气路回收，再度通入到氮氧分离机制取氧气，相比于通入空气制氧所需功耗更低；整个装置的气流、气体温度、放电电压等核心技术参数通过电子电路监测并控制，实现性能稳定的等离子体活化水制备。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的优选实施例中，所述等离子体活化水消毒装置采用高浓度的氧气放电活化水，产生的氮氧化物较少，不会显著酸化被处理的水溶液，无有害化学残留，适用于对饮用水进行净化。

基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的优选实施例中，所述用氮氧分离机制取纯氧气体成本较高，而本系统中循环气路与氮氧分离机的配合使用可进一步降低成本，并易于实现。

本实施例中的等离子体发生器采用可选的沿面介质阻挡放电形式产生大气压冷等离子体。沿面介质阻挡放电结构主要由铜高压电极、绝缘介质板、不锈钢六边形网接地电极组成。等离子体放电腔室的绝缘外壳由石英玻璃构成。铜高压电极紧贴在绝缘介质板上面，不锈钢六边形网作为接地电极紧贴在氧化铝陶瓷介质板下面。铜高压电极用来外接高压电源，不锈钢六边形网电极用来接地。

实施例1

通过小型模块化氮氧分离技术将周围环境中的空气依次通过过滤器、压缩机及冷凝器，经过氮氧分离机，将空气中的氮气、氧气进行分离，然后将分离出来氮气经过贮气罐、调压阀、流量计后从排氮口进行排氮；将分离出来的氧气依次经过贮气罐、调压阀、流量计后从出氧口进行出氧。根据所需不同含量的氮气、氧气进行配比，以1L/min的气体流速通入到等离子体发生器腔室中，通过高压电源放电3min，此时产生的大气压冷等离子体中含有不同比例的活性氧和活性氮粒子，并将放电3min期间内产生的活性氧和活性氮气体通入到活化腔中的2ml水溶液中进行活化，然后取活化腔中产生的活化水对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌进行灭活。通过图2可以看出，随着掺杂O₂比例达到70％后，具有很好的消毒效果，超过了纯氧气等离子体活化水的消毒效果。

本实施例中，水溶液为自来水、超纯水、去离子水、生理盐水中的任意一种。

本实施例中，高压电源为脉冲、正弦或直流高压电源中的任意一种。

一种利用所述的基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的制备方法包括以下步骤：

氮氧分离机将空气及来自循环气路中的气体大致分离为氧气和氮气，

流量控制器连通所述出氧口以将所述出氧口排出的气体与空气按预定氮氧配比混合形成混合气体，其中，基于所述预定氮氧配比，调节氮氧分离机自所述出氧口排出的气体流量，

等离子体发生器基于所述混合气体高压放电生成冷等离子体，所述冷等离子体导入到水溶液活化腔形成等离子体活化水，其中，监测与控制电路发送温度信号和功率信号到温度控制器和功率控制器以控制所述等离子体发生器，基于进气口导入的进气量，监测与控制电路发送水量信号到所述水阀。

在一个优选实施方式中，制备方法包括以下步骤：氮氧分离控制通过氮氧分离机，将周围环境空气中的氮气、氧气进行分离，并采用自循环吸收方式，分离出所需比例的氮气、氧气浓度，控制等离子体产生活性氧和活性氮的配比，其中氧气含量介于70％～90％之间的配比条件下进行灭菌；将等离子体发生器放电后产生的气体通入到水溶液活化腔，经过水滤之后排出的气体，通过循环气路，再次通入到氮氧分离机制取氧气；等离子体放电控制包括发生器温度控制、放电功率控制。其中发生器温度控制通过包裹在发生器外侧的温度加热模块或温度制冷模块对放电腔室内的温度进行调控；放电功率控制通过调压器对高压电源输出电压进行调控；等离子体发生器在高压电源作用下产生低温等离子体，并将等离子体气体通入到水溶液活化腔进行活化，生成等离子体活化水应用于消毒处理。

本发明控制产生等离子体的放电气体中氧气浓度介于70％～90％之间，通过发生器温度调控以及放电功率调控，进而控制等离子体发生器中放电产物的种类与浓度，并将调控后产生的活性氧、活性氮气体与活化腔中的水溶液充分反应，生成等离子体活化水用于消毒处理。经过水滤之后的气体被循环气路回收，再度通入到氮氧分离机制取氧气；本发明以环境空气为原料，具有体积小、重量轻、成本低、使用方便、操作简单、性能稳定等优点，满足多种场合下安全高效消毒的应用需求。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置，其包括，

氮氧分离机，其配置成为分离空气中的氧气和氮气，所述氮氧分离机包括输入空气的进气口、出氧口和排氮口，

流量控制器，其连通所述出氧口以将所述出氧口排出的气体与空气按预定氮氧配比混合形成混合气体，

等离子体发生器，其连接所述流量控制器以导入所述混合气体，等离子体发生器基于所述混合气体高压放电生成冷等离子体，等离子体发生器设有控制温度的温度控制器和控制功率的功率控制器，

水溶液活化腔，其连通所述等离子体发生器，所述水溶液活化腔为密闭腔体，其设有用于进水的水阀、位于水下的导入冷等离子气体的进气口以及设在水面上方的用于导出气体的出气口，所述出气口连通所述氮氧分离机形成循环气路，

监测与控制电路，其连接所述流量控制器、氮氧分离机、温度控制器、功率控制器和水阀，监测与控制电路用于：

基于所述预定氮氧配比，调节氮氧分离机自所述出氧口排出的气体流量；

发送温度信号和功率信号到温度控制器和功率控制器以控制所述等离子体发生器；

基于进气口导入的进气量，监测与控制电路发送水量信号到所述水阀。

2.根据权利要求1基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置，其中，优选的，所述氮氧分离机包括膜分离机、分子筛、高梯度磁场氮氧分离机。

3.根据权利要求1基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置，其中，所述等离子体发生器连接高压电源，所述高压电源包括正弦电源、脉冲电源或直流高压电源。

4.根据权利要求1基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置，其中，所述等离子体发生器的放电方式包括介质阻挡放电、射流放电、电晕放电、微波放电或滑动电弧放电。

5.根据权利要求1基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置，其中，水溶液活化腔经由水阀连通水溶液存储器，所述水溶液存储器容纳自来水、超纯水、去离子水、医用生理盐水、酒精溶液或H₂O₂水溶液。

6.根据权利要求1基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置，其中，监测与控制电路包括温度或者功率超过阈值的报警单元以及系统发生故障时自动断电的保护装置。

7.根据权利要求1基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置，其中，预定氮氧配比为0.1-0.4。

8.根据权利要求1基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置，其中，氮氧分离机的进气口连接过滤空气的过滤器、压缩空气的压缩机及冷凝器。

9.根据权利要求1基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置，其中，所述水溶液活化腔经由蠕动泵连接出水口。

10.一种利用如权利要求1-9中任一项所述的基于氮氧配比的等离子体活化水消毒装置的制备方法，所述方法包括以下步骤：

氮氧分离机将空气及来自循环气路中的气体大致分离为氧气和氮气，

流量控制器连通所述出氧口以将所述出氧口排出的气体与空气按预定氮氧配比混合形成混合气体，其中，基于所述预定氮氧配比，调节氮氧分离机自所述出氧口排出的气体流量，

等离子体发生器基于所述混合气体高压放电生成冷等离子气体，所述冷等离子气体导入到水溶液活化腔形成等离子体活化水，其中，监测与控制电路发送温度信号和功率信号到温度控制器和功率控制器以控制所述等离子体发生器，基于进气口导入的进气量，监测与控制电路发送水量信号到所述水阀。

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