CN113812216A - 等离子活化流体处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等离子体活化流体处理系统，包括：‑交流AC电源(10)，‑一个反应室(14)，其中，所述一个反应室包括多个反应电极(11)和对应的接地电极(12)，每个反应电极和对应的接地电极分开一间隙；或‑多个反应室(14)，其中，每个反应室包括至少一个反应电极(11)和对应的接地电极，反应电极和对应的接地电极分开一间隙；其中，AC电源在一侧与每个接地电极并联电连接并且在另一侧与每个反应电极并联电连接，其中每个反应电极经由电容器(21)连接到接地(13)，并且其中电感器(20)设置在每个反应电极和AC电源之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用等离子体处理流体的系统和方法。这种等离子活化流体处理的示例包括等离子体活化水合成、以及处理包含氮和氧的气体(例如空气)以用于固氮。
背景技术
可以通过应用与水接触的等离子体来“活化”水，例如通过在水中(在水中形成气泡)或沿着水表面产生等离子体。等离子体活化水(PAW)通常包含过氧化氢、硝酸盐、亚硝酸盐，其中过氧亚硝酸盐由于在酸性环境中亚硝酸盐和过氧化氢的反应而形成，并且在活化之后在PAW中存在约15分钟。此外，PAW的pH值通常在0至7的范围内。PAW的成分和低pH值已证明对细菌、生物膜、酵母菌和其他微生物具有协同抗菌效果。PAW可以用作天然肥料，它增强种子发芽并刺激植物生长。
通过活化工艺生产硝酸盐被证明是非常节能的，并且可以用作目前由高能耗的哈伯-博世工艺生产的肥料中氮成分生产的节能替代品。活化工艺也已证明对于过氧化氢的生产是高效的。
固氮(NF)是将空气或氮气中的氮分子(N2)(相对不活泼的分子)转化为含氮化合物的过程。空气中的等离子体可以产生活性氮和氧簇，其在水性环境中形成硝酸和亚硝酸。
伯克兰-艾德电弧固氮工艺开发于1903年。该工艺由多个步骤组成。首先应用电弧等离子体将氮气/氧气转化为一氧化氮(NO)，该一氧化氮(NO)随后通过冷却热气体并将其与大气中的氧气混合而进一步被氧化为二氧化氮(NO2)，最后NO2通过在水中被吸收而转化为硝酸(HNO3)。
在本描述的上下文中，术语“固氮”将指除N2之外的任何含氮化合物的形成。
等离子体活化流体处理可以通过热等离子体或非热等离子体实现，该热等离子体或非热等离子体可以通过将交流(AC)或直流(DC)电源与包括反应电极(有时被称为高压(HV)电极)和接地电极的电路连接来产生，在反应电极和接地电极之间将产生等离子体。电极位于反应室内，该反应室内通常具有待处理流体的入口和出口。
在PAW合成的情况下，会有水和空气的入口和出口，在NF的情况下，气体的入口和出口就足够了。
公开的申请WO 01/37619 A1公开了一种电弧炉。为了高效地重新点燃，提供了第二能量供应。
在DE 10 2006 019664 A1中公开了一种用于表面等离子体处理的冷等离子体设备。所有公开的实施例仅包括单个反应电极。
WO 2016/096751 A1公开了一种热等离子体和非热等离子体活化水反应器系统。
美国专利5 977 715公开了一种手持式大气压辉光放电等离子体源。实施例仅包括单个反应电极。
当前用于PAW和/或NF的等离子体活化流体处理设备的问题是将设备升级为使用与同一电源并联连接的多个反应电极。当等离子体在反应电极和接地电极之间的间隙中点燃时，由于等离子体的低电阻，电流将专门行进通过该等离子体，因此不可能在其他反应电极处点燃等离子体。
一个明显的解决方案是使用多个电源，每个电极一个电源。然而，这种解决方案比使用单个更大的电源更昂贵。本发明力求提供该问题的替代解决方案。
发明内容
根据第一方面，本发明提供了一种等离子体活化流体处理系统，包括：
-交流AC电源(10)，
-一个反应室(14)，其中，所述一个反应室包括多个反应电极(11)和对应的接地电极(12)，每个反应电极和对应的接地电极分开一间隙；
或
-多个反应室(14)，其中，每个反应室包括至少一个反应电极(11)和对应的接地电极，反应电极和对应的接地电极分开一间隙；
其中，AC电源在一侧与每个接地电极并联电连接并且在另一侧与每个反应电极并联电连接，其中每个反应电极经由电容器(21)连接到接地(13)，并且其中电感器(20)设置在每个反应电极和AC电源之间。有利地，该系统因此能够使用单个AC电源为所有反应电极供电。在具有一个以上反应电极的反应室中，接地电极可以是多个反应电极的公共接地电极。对应的接地电极可以是反应室中每个反应电极的公共接地电极。备选地，每个反应电极可以具有其自己对应的反应电极
电感器和电容器针对每个电极形成LC电路。电感器可以是线圈或其他电子元件。当等离子体点燃时，LC电路将抑制放电电流以防止对电源的低负载阻抗。因此，其他电极也可以点燃，克服了多电极配置的启动问题。
在根据本发明的实施例中，AC电源的频率接近电感器-电容器电路的谐振频率。“接近”意味着匹配足以用于在AC电源和LC电路之间的良好耦合。接近谐振时，LC电路可以被激发，因此反应电极上的电压可以放大到等离子体的起始电压。
在根据本发明的实施例中，所述系统包括多个电感器，每个电感器与对应的反应电极连接，其中电感器以对称方式布置，优选地以点对称方式布置。具有对称杂散电容的配置确保所有电极电路的谐振频率相同。它还可以有利地减少对电感器之间的屏蔽的需要。
由于电感器的杂散电容通常是总电容的主要因素，使用(点)对称电感器是促进对称杂散电容的好方法。进一步的改进将包括其他(杂散)电容源(例如，电极)的对称布置。
在根据本发明的实施例中，所述系统包括电压测量单元，该电压测量单元被配置为确定流体处理系统的电压增益，更具体地，确定流体处理系统的等离子体产生部分的电压增益，并且连续地调整AC电源频率以最大化电压增益。这允许系统跟踪谐振频率，即使当它由于因点燃等离子体改变阻抗而偏移时。在实施例中，单个电容电压传感器被放置在同心线圈结构的中心中或环绕在同心线圈结构周围，或者被放置在(对称布置的)电极的中心中或环绕在这些电极周围，从而可以监测整个系统的平均增益。通过最大化增益，耦合到系统中的输出功率可以最大化。
在进一步的实施例中，在AC电源和并联LC电路之间提供了匹配电路。匹配电路被配置为将电源的阻抗与并联连接的LC电路的阻抗进行匹配，以实现最佳功率传输。
在根据本发明的实施例中，电容器由系统的内在电容形成。内在电容可以包括反应电极的杂散电容和/或电感器的杂散/自电容。
在根据本发明的实施例中，AC电源被设置有用于周期性控制AC电源输出的电压和/或频率和/或波形的控制器。控制器可以用于例如在热操作模式和非热操作模式之间操纵等离子体。
在根据本发明的实施例中，接地电极被设置有水界面屏障和/或介电屏障。在涉及液体和气体(例如水和空气)的处理步骤中，液体可以高效地形成介电屏障。在气体处理的情况下，可以在接地电极上添加介电屏障。在能够传输放电电流的同时，介电屏障可以充当惰性表面(例如玻璃、陶瓷)。
在根据本发明的实施例中，所述系统包括多个反应室，每个反应室具有与AC电源并联连接的至少一个反应电极和接地电极。
在根据本发明的实施例中，每个反应室被设置有与AC电源并联连接的多个反应电极。
在根据本发明的实施例中，等离子体活化流体处理系统还包括气体入口和/或气体出口、流体入口和流体出口。流体入口以及流体和气体出口可以与存贮器连接。
在根据本发明的实施例中，AC工作频率在10kHz和50MHz之间，优选地在20kHz和15MHz之间。
附图说明
本发明的实施例将在下文中仅通过示例的方式参照附图进行描述，附图本质上是示意性的，因此不一定按比例绘制。此外，图中相似的附图标记涉及相似的元件。
图1a至图1e示意性地示出了根据本发明实施例的各种配置的等离子体活化流体处理系统；
图2示意性地示出了根据本发明的实施例的等离子体活化流体处理系统的电路；以及
图3a至图3b示意性地示出了根据本发明实施例的电感器的配置。
具体实施方式
图1a至图1e示意性地示出了根据本发明实施例的各种配置的等离子体活化流体处理系统。电气元件的细节大多被省略，有关这些细节，请参见图2。图1a描绘了在一个反应室14中仅具有一个反应电极11的基本示例，其中交流电源10(例如，高压电源和/或RF电源)向反应室14内的单个反应电极(有时也指高压电极)11提供电功率。反应室14还包括与接地13和电源10电连接的接地电极12。应当理解，其他配置也是可能的，例如，可以使用两个尖头电极代替尖头反应电极11和表面接地电极12。本领域技术人员不仅可以使用尖头电极，还可以使用圆盘电极和其他类型的电极。
在操作中，反应室将填充有一种或多种流体。在PAW合成的情况下，这可以是水(位于反应室的下部，浸没接地电极12)和空气(位于反应室的上部)的混合物。在固氮的情况下，流体可以包括空气或纯氮以及其他包括固氮工艺中使用的分子的流体(例如水、水蒸气、氧气、大气等)。
当电源10向电极11供应足够的功率和电压时，可以在电极11和接地电极12之间产生热等离子体或非热等离子体。在等离子体存在的情况下，实际上存在一个闭合电路，该闭合电路涉及电源10、反应电极11、等离子体和接地电极12。
在等离子体存在的情况下，发生PAW合成和/或固氮。PAW生产方法可以采用非热(或冷)等离子体或热等离子体。PAW通过在空气中、或在流体中的氮/氧混合物中或接近或接触流体的氮/氧混合物中产生等离子体来合成(例如气泡中的等离子体、存在流体/蒸汽的放电、接触流体的放电、或与等离子体和/或气体紧密接触的喷雾/气溶胶)。等离子体基本上在气相中产生活性氧簇和活性氮簇(ROS、RNS)，其导致在水中形成产物。
图1b示出了一种变体，其中单个电源10向两个反应电极11/接地电极12对提供功率，每对在分离的反应室14中。正如介绍中提到的，当不采取特殊措施时，图1b的系统难以启动。通常，一个等离子体将首先点燃，例如左反应室14中的等离子体。在等离子体存在的情况下，通过左反应室的电路将被有效地关闭，并且反应电极上的电压下降到等离子体的起始电压以下，因此没有足够的电场来点燃其他电极处的等离子体。本发明通过在电源和每个电极11之间添加合适的电感器和电容器(图1a至图1e中未示出)来克服这个问题。参照图2提供了更多细节。
图1c示出了具有共享一个或多个接地电极12的四个反应电极11的单个反应室14。如果没有如参照图2所述的电感器和电容器，该系统将具有与参照图1b的系统所述的类似的启动问题：当等离子体在一个电极处点燃时，将难以在其他三个电极处启动等离子体。
图1d示出了图1b和图1c的组合，具有两个反应室，每个反应室具有四个电极。同样，如果没有图2的电感器，使用这种配置会出现启动问题。本领域技术人员将清楚，通常，只要等离子体源足够强大，可以使用具有任意数量电极11的任意数量的反应室14。例如。电源10可以与具有n1，n2，n3...nm个电极的m(m≥1)个反应室连接，其中nx表示反应室x(x≤m)中的电极数，并且电极总数n＝n1+n2+n3+...+nm。如果n＞1，则可能出现所述启动问题。
图1e再次示出了图1a的配置，现在包括可能的流体连接的细节。在该示例中，取决于导管15中阀门的设置，导管15可以用于在存贮器150和150′之间输送气体。导管16可以用于将液体从存贮器160带到反应室14，而导管17可以用于将液体从反应室14带回存贮器160。本领域技术人员将清楚，此处所示的入口、出口、导管和存贮器仅是示例性的，并且本领域技术人员可以设置任何感兴趣的等离子体活化流体处理所需的任何入口、出口、导管和存贮器。
图2示意性地示出了根据本发明的实施例的等离子体活化流体处理系统的电路。所示的电气元件可以看作形成流体处理系统的等离子体生成部分。图2的示例遵循图1c的具有四个电极11的变体，但是应当理解，图2的示例可以应用于图1a至图1e中所示的任何变体和具有一个或多个反应室14的一般变体，每个反应室14具有一个或多个反应电极11。
每个电极11被设置有与电源10串联的电感器20和将电极11与接地13连接的电容器21。电容器21可以是附加电容器和/或电极11本身和/或电感器20的内在电容。暂时忽略任何等离子体的阻抗，对于每个电极11，电感器20和电容器21将形成LC电路，其谐振角频率由电感L和电容C的乘积的平方根的倒数给出：
在实施例中，所有LC电路(m个电极中的每一个一个LC电路)在没有等离子体的情况下具有相同的谐振频率。
在操作中，AC电源将激活LC电路，为每个LC电路提供它自己的电压振荡。当等离子体在反应电极11之一处点燃时，与该电极连接的电感器20将抑制通过等离子体的电流(否则由于等离子体的阻抗与点燃之前未点燃气体或液体的阻抗相比大大降低，电流会出现尖峰)。这防止了由于电路之一中的阻抗降低而导致电源10上的过度负载。这允许其他电路也被点燃，克服了上述启动问题。当所有等离子体被点燃时，电流将被电感器20分流，电感器20的阻抗比等离子体更高。作为结果，每个电极11将从电源10获得一定比例的功率分享。
现实比上面的理想图复杂得多。如前所述，最初，例如在杂散电容对称且相等的对称系统中，所有电路都可以被设计为具有相同的谐振频率。然而，当一个或多个电极被点燃时，谐振频率会发生偏移。即，个别LC电路的等离子体负载阻抗可以偏移整个电路的谐振频率。下面提供了一个方程，该方程考虑了单个对反应电极和接地电极之间的等离子体(或未点燃气体)的阻抗R：
实际上，当在个别电极上不是所有等离子体负载相等时，可能会出现多个谐振频率和相移。
预计由于点燃等离子体引起的阻抗变化会导致谐振频率的这种偏移，以致电源将不再在谐振频率处或谐振频率附近供电。令人惊讶的是，申请人发现谐振频率的偏移相对适中，并且有时甚至可以忽略。电感器可以充当平衡阻抗(每个电极将具有串联的主要阻抗，其有效地将电源电流分配到电极上)。等离子体的负载阻抗和LC电路的阻抗之间也可以存在强(自调整)相互作用。较低的等离子体负载阻抗可以偏移谐振频率，(在固定的电源频率处)这会自动降低到等离子体的功率传递。
作为一个可选的特征，对于不能忽略由于点燃等离子体引起的谐振频率偏移的情况，增加电源频率控制电路(图2中未示出)是有利的，该电源频率控制电路被配置为改变电源的频率以跟踪偏移谐振频率。换言之，在第一个等离子体点燃之后，电源频率可以被调整到偏移后的谐振频率以最大化尚未点燃的电极上的电压增益。第二个电极将点燃，并且该过程将重复直到其余电极被点燃。因此可以通过将电源频率偏移到系统中的电压增益最大化的最佳值来调整系统的谐振频率。系统电压增益的测量可以通过若干种方法实现，例如个别电极上的电压探针或放置在同心线圈结构的中心或环绕在同心线圈结构周围的单个(电容)电压传感器。
作为进一步的可选特征，在所有电极被点燃之后，电源频率可以被连续调整以控制等离子体的输出功率。
在实施例中，电源10被设置有可选的控制器(图2中未示出)，其可以以编程方式控制电源输出的电压和/或频率和/或波形。通过以编程方式周期性(例如，以0.1ms或1ms周期)改变这些设置，可以使等离子体在各种模式之间(例如，热模式和非热模式之间)切换。这将反过来影响在等离子体中发生的反应。发明人已经发现，可以调整在处理流体中发现的某些化合物的生产比率。
在实施例中，在AC电源和并联LC电路之间提供可选的匹配电路(图2中未示出)。匹配电路被配置为将电源的阻抗与并联连接的LC电路的阻抗进行匹配，以实现最佳功率传输。
图3a至图3b示意性地示出了根据本发明实施例的电感器20的配置。在图3a中，八个电感器20以点对称方式沿着圆C围绕点P布置。在图3b中，六个电感器20以点对称方式沿着圆C围绕点P布置。通常，可以围绕中心点以点对称方式布置任何数量的电感器20。也可以使用其他类型的对称。相同的点对称配置也可以应用于反应器中的电极，以产生更对称的杂散电容。
已经发现，电感器的这种配置促进了每个电感器20具有相同的与环境和其他电感器耦合的电容。如前所述，重要的是每个LC电路(其电感器的电容耦合是一个因素)中的总电容相同，使得谐振频率中的每一个都相同。使用电感器20的这种布置，发明人发现不再需要在电感器之间放置接地屏蔽，其在高压应用中是不方便的措施。
可以理解，如果电感器组彼此之间的距离足够远，则仅在组内组织对称布置就足够了。例如，在具有两个反应室14的配置中，每个反应室14具有六个电极，总共十二个感应器，其中两组六个连接的感应器彼此之间相距一定距离，如图3b所示，每组设置六个感应器就足够了。
在前面对附图的描述中，已经参考本发明的具体实施例描述了本发明。然而，显而易见的是，在不脱离所附权利要求中概括的本发明的范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。
此外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，但本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
特别地，本发明各个方面的特定特征的可以进行组合。通过添加关于本发明的另一方面所述的特征，可以进一步有利地增强本发明的一个方面。
应当理解，本发明仅受所附权利要求及其技术等效物的限制。在本文档及其权利要求中，动词“包括”及其变体以其非限制性意义使用，以表示包括该词之后的项目，但不排除未具体提及的项目。此外，不定冠词“a”或“an”对元件的引用并不排除存在多于一个元件的可能性，除非上下文明确要求存在一个且仅一个元件。因此，不定冠词“a”或“an”通常表示“至少一个”。
附图标记列表：
10：电源
11：反应电极(高压电极)
12：接地电极
12’：介电屏障/水界面
13：接地
14：反应室
15：气体入口/出口
16：流体入口
17：流体出口
20：电感器
21：电容器/内在电容
150，150’：存贮器
160：存贮器。
Claims (13)
1.一种等离子体活化流体处理系统，包括：
-交流AC电源(10)，
-一个反应室(14)，其中，所述一个反应室包括多个反应电极(11)和对应的接地电极(12)，每个反应电极和对应的接地电极分开一间隙；
或
-多个反应室(14)，其中，每个反应室包括至少一个反应电极(11)和对应的接地电极，反应电极和对应的接地电极分开一间隙；
其中，AC电源在一侧与每个接地电极并联电连接并且在另一侧与每个反应电极并联电连接，其中每个反应电极经由电容器(21)连接到地(13)，并且其中电感器(20)设置在每个反应电极和AC电源之间。
2.根据权利要求1所述的等离子体活化流体处理系统，其中，所述AC电源的频率接近电感器(20)-电容器(21)电路的谐振频率。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体活化流体处理系统，包括多个电感器(20)，每个电感器与相应的反应电极(11)连接，其中所述电感器(20)以对称方式布置，优选地以点对称方式布置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体活化流体处理系统，包括：电压测量单元，被配置为确定所述流体处理系统的电压增益，并连续调整所述AC电源的频率以最大化所述电压增益。
5.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体活化流体处理系统，其中，所述电容器(21)由所述系统的内在电容形成。
6.根据权利要求5所述的等离子体活化流体处理系统，其中，所述内在电容包括所述反应电极(11)的杂散电容和所述电感器(20)的杂散电容。
7.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体活化流体处理系统，其中，所述AC电源(10)被设置有用于周期性控制所述AC电源输出的电压和/或频率和/或波形的控制器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体活化流体处理系统，其中，所述接地电极(12)被设置有介电屏障(12′)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体活化流体处理系统，包括：多个反应室(14)，每个反应室具有与所述AC电源并联连接的接地电极(12)和至少一个反应电极(11)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体活化流体处理系统，其中，每个反应室(14)被设置有与所述AC电源并联连接的多个反应电极(11)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体活化流体处理系统，还包括
-气体入口和/或出口(15)
-流体入口(16)
-流体出口(17)。
12.根据权利要求11所述的等离子体活化流体处理系统，其中，所述流体入口(16)和流体出口(17)与用于等离子体活化水的储水器(160)连接。
13.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体活化流体处理系统，其中，AC工作频率在10kHz和50MHz之间，优选地在20kHz和15MHz之间。
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