CN113104949A - 一种空气等离子体制备活化水的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气等离子体制备活化水的装置及方法，包括滑动弧放电反应器、气流循环装置、密封腔体和容水空间；气流循环装置包括壳体和设置于壳体内的风扇；壳体具进气端和出气端；进气端和出气端分别与密封腔体连通，气流循环装置与密封腔体之间形成密封连通设置；滑动弧放电反应器包括电源和相对设置的两个电极；电源与电极相连；出气端为绝缘耐高温管，或者出气端连接有绝缘耐高温管，电极设置在绝缘耐高温管内；容水空间与密封腔体连通，密封腔体中的等离子气体持续地注入或吹入去离子体水。本发明结构简单，气体在绝缘耐高温管内循环流动反复滑动弧放电电离，形成的较高浓度等离子气体溶解入去离子水中形成活化杀菌水。

Description

一种空气等离子体制备活化水的装置及方法

技术领域

本发明属于杀菌消毒技术领域，具体涉及一种空气等离子体制备活化水的装置及方法。

背景技术

大气等离子体技术是一种新型的杀菌技术，在杀菌消毒领域具有广泛的应用。基于等离子体产生模式不同，该技术存在较多的杀菌形态，是目前研究和应用领域的热点。

等离子体气体是一种新型无残留的绿色杀菌技术，杀菌效果随等离子体放电产生模式的不同存在较大的差异。

目前，介质阻挡放电杀菌的主要成分为臭氧离子且杀菌空间较小，仅限放电区域且杀菌气体对人体有危害。工业应用的滑动弧放电特点是温度高、能量利用率低；一般利用滑动弧的高温直吹的模式达到杀菌目的，且滑动弧放电的电极结构复杂，需要耐高温和水冷却系统，制造成本较高。鉴于工业滑动弧放电等离子体主要用于高温燃烧，产物中的活性物质寿命较短，空气仅经过了一次电离，杀菌效果和效率低，作用区域仅限于放电区域。

目前等离子体活性水的常规制备方式有水中放电，水中添加导电的盐或其他成分，另外一种就是等离子体对液面直吹放电，这种方式一方面会将热量添加至水面，导致水蒸发严重，同时一次电离后形成的等离子体中的活性成分浓度较低，制备的活性水中的活性成分较低，效果不明显。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种空气等离子体制备活化水的装置及方法，本发明采用的滑动弧放电技术，能够在空气中产生大量的活性物质成分，如羟基自由基、臭氧、过氧化氢、NO₂等，这些含有高浓度活性成分的气体通入水中形成等离子体活化水。该技术制备活化水克服了大气等离子体放电不均匀、处理面积小等技术缺陷，较低的成本和简单的操作性有利于实现规模化和市场化需求，利用电离后形成的高浓度活性气体的持久性，溶解至水中，能达到良好的杀菌效果，而且活化水不添加任何其他成分，含有的有效活性成分在一段时间后分解或失效，不会对环境产生二次污染。另外，本发明吹出的等离子体温度低，活性气体不带热量，通过将气体吹入水中，增加水对气体中活性成分的溶解和扩散，有利于制备高浓度的活性水。

本发明的目的是这样实现的：

一种空气等离子体制备活化水的装置，包括滑动弧放电反应器、气流循环装置、密封腔体和容水空间；

所述气流循环装置包括壳体和设置于壳体内的风扇；所述壳体具进气端和出气端；所述进气端和出气端分别与所述密封腔体连通，所述气流循环装置与所述密封腔体之间形成密封连通设置；

所述滑动弧放电反应器包括电源和相对设置的两个电极；所述电源与所述电极相连；所述出气端为绝缘耐高温管，或者出气端连接有绝缘耐高温管，所述电极设置在所述绝缘耐高温管内；

所述容水空间与所述密封腔体连通，所述容水空间中装有水，所述密封腔体中的等离子体气体持续地注入或吹入所述水中。

这里的相对设置是指两个电极的放电端的连线垂直于绝缘耐高温管的中心线。

本发明滑动弧放电反应器，产生等离体体滑动弧，高温的滑动弧可以激发空气中的自由基；经过气流循环装置和密封腔体之间的循环，反复对气体进行滑动弧电离，能够在腔体中产生大量的活性物质成分，如羟基自由基、臭氧、过氧化氢、NO₂等，这些含有高浓度活性成分的气体通入水中形成等离子体活化水。

另外，本发明的绝缘耐高温管可以抵挡滑动弧中心2000℃以上的高温，有利于长期稳定的进行电离，同时风扇在循环气体的同时，也可以将绝缘耐高温管、电极和吹出高温等离子体进行及时冷却降温，吹出的等离子气体温度接近常温。

本发明一种优选实施方式，所述水为去离子水。

采用去离子水更容易接收等离子体中的羟基自由基、臭氧、过氧化氢、NO₂等有效活性成分，容易形成具有极强杀菌效果的等离子体活化水。

本发明一种优选实施方式，所述容水空间为所述密封腔体的下半部，所述绝缘耐高温管的出风口处位于所述密封腔体内，或位于所述容水空间中的液面以下。

通过真空泵将空气中的等离子体气体持续不断地打入水体中，从而形成等离子体活化水。

本发明一种优选实施方式，所述密封腔体的上半部设置有进水口，下半部或底部设置有可开闭的出水口。

通过出水口将制备好的活性杀菌水转存或输送至待杀菌处，水位高低可通过水量调节阀进行调节。

本发明一种优选实施方式，所述容水空间为容水容器，所述容水容器通过管路与循环泵连通；所述循环泵位于所述密封腔体中。

容水容器结合循环泵的方式更高效地将等离子体气体通入水体，提高了效率。

本发明一种优选实施方式，所述电源为直流电源，电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W，放电功率低于1000W，最大电流100mA。

目前工业滑动弧放电等离子体，放电功率较高，一般10kW以上，使得滑动弧中心温度甚至达到6000℃，需要配备较大的气流系统和冷却装置，耗能高且不能长时间维持放电状态。经研究，本发明采用额定功率为1000W-1500W的直流电源，通过气流循环、电极形状和放电距离的匹配来降低滑动弧的放电功率(放电功率低于1000W，最大电流100mA)，提高放电稳定性，保证该放电模式远低于常规的滑动弧放电功率并可长期维持这种放电状态，整体较低的制造成本，使用的便携性与安全稳定性保证其在产业化和市场化应用。

本发明一种优选实施方式，所述绝缘耐高温管为陶瓷管或者石英管，直径为10mm-100mm，电极位置距离耐高温管两端大于1cm。

陶瓷或者石英是良好的绝缘耐高温材料，直径控制在10mm-100mm可以满足各种场合的需求，电极位置距离耐高温管两端大于1cm，是保证了热量能够扩散充分，保证放电安全。

本发明一种优选实施方式，所述风扇的气流为0.1m/s-10m/s，吹出滑动弧的弧长为2-6cm。

通过控制风扇的气流速度可以控制等离子体激发的速率，风速越高等离子体激发速率越快，然而风速也同时控制滑动弧的弧长，弧长短于2cm产生活性成分较少，弧长过长会导致放电电弧不稳定而发生断裂，从而导致活性成分的产生率低。

本发明一种优选实施方式，所述电极材料为金属，电极形状为直径1mm-3mm的柱状，两电极间距在5mm-70mm。

电极直径1mm-3mm的柱状受风阻力小，两电极间距在5mm-70mm是保证了放电的稳定性，通过电极的参数设置也可以进一步保证电源在电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W下实现稳定可靠放电。

本发明还包括一种空气等离子体制备活化水的方法，使用所述空气等离子体制备装置，具体包括如下步骤：

1)密封腔体内含有或者向腔体内通入氮气、氧气、空气、氩气、氦气或其混合气体；

2)开启电源和气流循环装置，持续地滑弧放电，产生等离子体气体持续地注入或吹向所述去离子水中。

通过控制滑动弧放电时间、放电气体种类以及在水中的气体循环时间等参数，进一步优化活化水的杀菌工艺，对大肠杆菌的杀菌效果最高可达到4-7个对数值。该活化水制备成本低、安全可靠且使用方便，是一种绿色无污染环境友好的新型杀菌制剂。

本发明至少具有以下有益效果：

1)本发明提供了一种空气等离子体制备活化水的装置及方法，本发明采用的滑动弧放电技术，能够在空气中产生大量的活性物质成分，如羟基自由基，臭氧等，这些含有高浓度活性成分的气体通入水中形成等离子体活化水。该技术制备活化水克服了大气等离子体放电不均匀、处理面积小等技术缺陷，较低的成本和简单的操作性有利于实现规模化和市场化需求，利用电离后形成的高浓度活性气体的持久性，溶解至水中，能达到良好的杀菌效果，而且活化水不添加任何其他成分，含有的有效活性成分在一段时间后分解或失效，不会对环境产生二次污染。

2)本发明吹出的等离子体温度低，活性气体不带热量，通过将气体吹入水中，增加水对气体中活性成分的溶解和扩散，有利于制备高浓度的活性水。

3)采用去离子水更容易接收等离子体中的羟基自由基、臭氧、过氧化氢、NO₂等有效活性成分，容易形成具有极强杀菌效果的等离子体活性水。

4)本发明的绝缘耐高温管可以耐受滑动弧中心2000℃以上的高温，有利于长期稳定的进行电离，同时风扇在循环气体的同时，也可以将绝缘耐高温管、电极和吹出高温等离子体进行及时冷却降温，吹出的等离子体气体温度接近常温。

5)本发明采用额定功率为1000W-1500W的直流电源，通过气流循环、电极形状和放电距离的匹配来降低滑动弧的放电功率(放电功率低于1000W，最大电流100mA)，提高放电稳定性，保证该放电模式远低于常规的滑动弧放电功率并可长期维持这种放电状态，整体较低的制造成本，使用的便携性与安全稳定性保证其在产业化和市场化应用。

6)陶瓷或者石英是良好的绝缘耐高温材料，直径控制在10mm-100mm可以满足各种场合的需求，电极位置距离耐高温管两端大于1cm，是保证了热量能够扩散充分，保证放电安全。

7)通过控制风扇的气流速度可以控制等离子体激发的速率，风速越高等离子体激发速率越快，然而风速也同时控制滑动弧的弧长，弧长短于2cm产生活性成分较少，弧长过长会导致放电电弧不稳定而发生断裂，从而导致产生率低。

8)通过控制滑动弧放电时间、放电气体种类以及在水中的气体循环时间等参数，进一步优化活化水的杀菌效果，对大肠杆菌的杀菌效果最高可达到4-7个对数值。该活化水制备成本低、安全可靠且使用方便，是一种绿色无污染环境友好的新型杀菌制剂。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

图3为本发明实施例三的结构示意图。

图中，1-风扇；2-绝缘耐高温管；3-滑动弧；4-管路；5-密封腔体；6-循环泵；7-电源；8-容水容器；9-出风口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例一

图1示出了本发明的一种实施例示意图；

一种空气等离子体制备活化水的装置，包括滑动弧放电反应器、气流循环装置、密封腔体5和容水空间；

所述气流循环装置包括壳体和设置于壳体内的风扇1；所述壳体具有进气端和出气端；所述进气端和出气端分别与所述密封腔体5连通，所述气流循环装置与所述密封腔体5之间形成密封连通设置；

所述滑动弧放电反应器包括电源7和相对设置的两个电极；所述电源7与所述电极相连；即，电源的高压端与一个电极相连，低压端与另一个电极相连；

所述出气端为绝缘耐高温管2，或者出气端连接有绝缘耐高温管2，所述电极设置在所述绝缘耐高温管2内；

所述容水空间与所述密封腔体5连通，所述容水空间中装有去离子水，所述密封腔体中的等离子体气体持续地注入或吹向所述去离子水中。

具体而言，所述容水空间为容水容器8，所述容水容器8通过管路与循环泵6连通；所述循环泵6位于所述密封腔体5中。

本实施例中，容水容器和循环泵6均位于密封腔体5中。

具体而言，电源为直流电源，电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W，放电功率低于1000W，最大电流100mA。

优选地，电源为脉冲直流电源，放电波形图为简单的三角波，通过电源调节放电功率可调节弧焰长度；腔体中的气体通过两电极间时形成滑动弧放电等离子体，该等离子体气体可由气流循环后多次电离；最后，含有较高浓度的活性气体通过循环泵6将气体通入去离子水中循环，制备成等离子体活化水。

具体而言，所述绝缘耐高温管2为陶瓷管或者石英管，直径为10mm-100mm，电极位置距离耐高温管两端大于1cm。

优选地，绝缘耐高温管2长度不小于100mm，利于散热，以滑动弧不吹出高温管为宜，以保证吹出的等离子气体温度较低。

本实施例中，绝缘耐高温管2的厚度为50mm。

具体而言，所述风扇的气流为0.1-10m/s，吹出滑动弧的弧长为1cm-6cm。

具体而言，电极为金属电极，例如选用铜、镍、不锈钢或钨，电极形状为直径1mm-3mm的柱状，两电极间距在5mm-70mm。

具体而言，所述密封腔体采用耐腐蚀材料制成，或者所述密封腔体的内壁为耐腐蚀材料。

本实施例中，密闭腔体材质由机玻璃等绝缘材料构成，表面做耐腐蚀处理，保证装置不易被活性离子腐蚀，装置耐久性好。

本装置的主要特点是通过去离子水来接收等离子体中的自由基OH·、O₃、NO₂ ^-等有效活性成分，形成具有极强杀菌效果的等离子体活化水，利用活化水的便携性和稳定性来清洗物体表面，达到较好的杀菌效果。该项发明技术突破了传统的等离子体直接杀菌理念，可对各类物品表面进行批量杀菌处理，工业化应用潜力较大。

具体而言，电源包括电路控制器和变压器；通过外接家用电或者供电电池实现供电。

通过电源和电极的匹配设计，使得装置功率低，能耗小。

实施例二：

参见图2，与实施例一不同的是，循环泵位于腔体内部，容水容器位于腔体外部。

实施例三：

参见图3，与实施例一，二不同的是，本实施例三没有独立的容水容器，腔体本身构成了容水空间，绝缘耐高温管的出风口处位于所述密封腔体内，并位于所述容水空间中的液面以下，所述绝缘耐高温管的出风口通向所述去离子水内部。

具体而言，所述密封腔体的下半部设置有可开闭的出水口。

实施例四：

本发明还包括一种空气等离子体制备活化水的方法，使用所述空气等离子体制备装置，具体包括如下步骤：

1)密封腔体内含有或者向腔体内通入氮气、氧气、空气、氩气、氦气或其混合气体；

2)开启电源和气流循环装置，持续地滑弧放电，产生等离子气体持续地注入所述去离子水。

通过控制滑动弧放电时间、放电气体种类以及在水中的气体循环时间等参数，进一步优化活化水的杀菌效果，对大肠杆菌的杀菌效果最高可达到4-7个对数值。该活化水制备成本低、安全可靠且使用方便，是一种绿色无污染环境友好的新型杀菌制剂。

(1)不同循环方式对等离子体活化水灭菌效果的影响

采用实施例中所示的装置制备等离子体活性水，制备活化水时滑动弧等离子体放电5min将盛有500mL去离子水的玻璃瓶放在密闭腔体内和腔体外进行通气循环，随着循环时间的变化制备得到等离子体活化水取1mL对10mL大肠杆菌菌液离心后的菌泥进行灭杀，菌落数的降低程度如表1所示，根据菌落计数GB4789.2-2016，结果显示将盛有去离子水的玻璃瓶放在腔体内循环，杀菌效果更好。

表1

(2)处理体积对等离子体活性水灭菌效果的影响

采用实施例中所示的装置制备等离子体活性水，制备活化水用不同放电时间，放电时间为10min，电离后开启循环泵通入体积500mL的去离子水中制备而成的活化水随着循环时间的增加的杀菌效果循环。制备得到等离子体活性水取1mL对10mL大肠杆菌菌液离心后的菌泥进行灭杀，菌落数的降低程度如表2所示，根据菌落计数GB4789.2-2016，大肠杆菌的原始菌落为4-6log值，经过10min杀菌后大肠杆菌全部灭杀，菌落数最高降低7个log值，此方式制备的活化水杀菌效果极显著。

表2

(3)放电时间对等离子体活化水灭菌效果的影响

采用实施例中所示的装置制备等离子体活性水，制备活化水不同变量有不同放电时间，放电时间为1min，5min，10min，电离后通入500mL去离子水中，开启循环泵通气30min。制备得到等离子体活化水取1mL对10mL大肠杆菌菌液离心后的菌泥进行灭杀，菌落数的降低程度如表3所示。根据菌落计数GB4789.2-2016，大肠杆菌的原始菌落为4-6log值，经过10min杀菌后大肠杆菌全部灭杀，菌落数最高降低7个log值，此种活化水杀菌效果极显著。

(4)通气循环时间对等离子体活性水灭菌效果的影响

采用实施例中所示的装置制备等离子体活性水，放电时间10min后通入500mL去离子水中，开启循环泵通气不同时间10min、30min、60min、90min，制备得到等离子体活化水取1mL对10mL大肠杆菌菌液离心后的菌泥进行灭杀，菌落数的降低程度如表3所示。通气均具有一定的杀菌作用，其中循环通气时间30min杀菌效果最显著。通过此项实验可以确定活化水杀灭大肠杆菌效果较优条件放电时间10min，循环通气时间30min。

表3

(5)PAW制备的pH值变化

采用实施例中所示的装置制备等离子体活化水制备20mL、500mL、1000mL活化水，放电电离气体后开始通气循环30min，随着放电时间的增加，测得活化水的pH值，如表4所示，制备活化水的体积越大，PH降低幅度越小，范围在0.5-3.0之间。

活化水pH值	20mL	500mL	1000mL
				放电1min	＞1.2	＞2.6	＞3
放电5min	＞0.8	＞2.4	＞2.6
				放电10min	＞0.6	＞1.3	＞2.4

表4

(6)PAW制备的ORP变化

采用实施例中所示的装置制备等离子体活化水制备500mL活化水，放电0min、5min、10min电离气体后开始通气循环不同时间，随着放电时间的增加，测活化水的ORP值变化范围在375-700mV之间，如表5所示。

表5

(7)采用实施例中所示的装置制备等离子体活化水制备活化水体积对大肠杆菌杀菌效果的影响，如表6，体积越小，放电时间越长，杀菌效果越显著。

表6

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种空气等离子体制备活化水的装置，其特征在于，包括滑动弧放电反应器、气流循环装置、密封腔体和容水空间；

所述气流循环装置包括壳体和设置于壳体内的风扇；所述壳体具有进气端和出气端；所述进气端和出气端分别与所述密封腔体连通，所述气流循环装置与所述密封腔体之间形成密封连通设置；

所述滑动弧放电反应器包括电源和相对设置的两个电极；所述电源与所述电极相连；所述出气端为绝缘耐高温管，或者出气端连接有绝缘耐高温管，所述电极设置在所述绝缘耐高温管内；

所述容水空间与所述密封腔体连通，所述容水空间中装有水，所述密封腔体中的等离子气体持续地注入或吹入所述水中。

2.如权利要求1所述的空气等离子体制备活化水的装置，其特征在于，所述水为去离子水。

3.如权利要求1所述的空气等离子体制备活化水的装置，其特征在于，容水空间为所述密封腔体的下半部，所述绝缘耐高温管的出风口处位于所述密封腔体内，或位于所述容水空间中的液面以下。

4.如权利要求3所述的空气等离子体制备活化水的装置，其特征在于，所述密封腔体的上半部设置有进水口，下半部或底部设置有可开闭的出水口。

5.如权利要求1所述的空气等离子体制备活化水的装置，其特征在于，所述容水空间为容水容器，所述容水容器通过管路与循环泵连通；所述循环泵位于所述密封腔体中。

6.如权利要求1-5任一项所述的空气等离子体制备活化水的装置，其特征在于，所述电源为直流电源，电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W，放电功率低于1000W，最大电流100mA。

7.如权利要求1-5任一项所述的空气等离子体制备活化水的装置，其特征在于，所述绝缘耐高温管为陶瓷管或者石英管，直径为10mm-100mm，电极位置距离耐高温管两端大于1cm。

8.如权利要求1-5任一项所述的空气等离子体制备活化水的装置，其特征在于，所述风扇的气流为0.1-10m/s，吹出滑动弧的弧长为1cm-6cm。

9.如权利要求1-5任一项所述的空气等离子体制备活化水的装置，其特征在于，所述电极材料为金属，电极形状为直径1mm-3mm的柱状，两电极间距在5mm-70mm。

10.一种空气等离子体制备活化水的方法，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的装置，具体包括如下步骤：

1)密封腔体内含有或者向腔体内通入氮气、氧气、空气、氩气、氦气或其混合气体；

2)开启电源和气流循环装置，持续地滑弧放电，产生等离子气体持续地注入或吹入所述去离子体水中。

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