CN114051768A

CN114051768A - 等离子处理

Info

Publication number: CN114051768A
Application number: CN202080044864.7A
Authority: CN
Inventors: 费利佩·伊萨; 亚历山大·R·P·赖特; 亚历山大·H·肖; 吉尔伯特·沙马
Original assignee: Loughborough University
Current assignee: Loughborough University
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2020-06-21
Publication date: 2022-02-15
Also published as: AU2020298276A1; KR20220024224A; WO2020255100A1; US20220296751A1; JP2022537179A; EP3986109A1; CA3144572A1; GB201908902D0

Abstract

一种等离子体处理装置，包括限定空隙(13)的外壳；与空隙连通的电离气体等离子体源(14)；和用于搅拌空隙内容物的搅拌装置(12)。等离子体通常可以在环境压力下从空隙中的环境空气中产生。该装置尤其适用于处理包含许多小组分的材料，例如种子、粒状材料、塑料珠等。

Description

等离子处理

技术领域

本发明涉及一种用于等离子体处理的装置和方法，通常用于材料和一种实施例种子。

背景技术

众所周知，各种种子都可能受到病毒、细菌和真菌的感染。例如，欧洲防风草(Pastinaca sativa)种子，除其他真菌外，可被锁霉属菌(Itersonilia pastinaceae)感染。我们希望能够治疗这些感染。目前，此类种子通常被浸泡在热水中，这种处理方法很繁琐，通常效果不佳，而且在浸泡之后还需要进行种子的干燥，或者用高温处理(例如基于蒸汽的工艺)或进行苛刻的化学处理，所有这些都是不合需要的。

发明内容

更普遍地，希望设置一种可以处理各种材料的装置。

根据本发明的第一方面，我们设置了一种等离子体处理装置，包括：

·限定空隙的外壳；

·与空隙连通的电离气体等离子体源；和

·用于搅拌空隙内容物的搅拌装置。

因此，搅拌装置可在由源产生的电离气体等离子体产生的活性物质中搅拌空隙内容物，以处理所述内容物。这尤其适用于处理包含许多小组分的材料，例如种子、粒状材料、塑料珠等。否则，该材料可包括生物质、废水、牛奶(用于对其进行消毒)、水或其他被污染物污染的材料。

由电离气体等离子体产生的活性物质可用于处理这些材料，与不搅拌材料或没有与空隙连通的源相比，由电离气体等离子体产生的活性物质接触的材料更多。

在种子实例中，我们已经意识到该装置可以用于种子的消毒，特别是杀死种子上的细菌、真菌或真菌孢子。该装置也可用于促进种子发芽。

源可能存在于空隙中，或者，其可以通过用于电离气体等离子体和/或用于从电离气体等离子体产生的活性物质的导管与空隙连通。

搅拌装置可包括外壳的一部分，该外壳包括至少一个旋转壁。每个旋转壁可设为围绕源旋转。

该装置可包括驱动装置，该驱动装置设为围绕源旋转每个旋转壁。因此，可以驱动每个旋转壁围绕源旋转，从而实现上述搅拌。通常，驱动装置将包括电机，例如电动机。驱动装置还可包括传动构件，例如传动带或传动齿轮，设为将电机转子的旋转运动传递到每个旋转壁。

通常，壁将包括至少一个相对于源固定的固定壁。所述至少一个旋转壁可以形成一根具有两端的管，并且可以在每一端具有固定壁。通常，至少一个旋转壁形成圆柱体，并且在每一端设有圆形固定壁。该装置可包括位于每一端的轴承，每个旋转壁通过该轴承安装在该端的固定壁上。

该装置可设有用于从空隙外部向源传输电力的电源导管。通常，导管可包括穿过固定壁的电插头，通常在端部的固定壁上。因此，滚筒旋转时，导管可被固定到位(便于处理电插头)。

该装置可包括用于该源的电源，该电源与该源电连通，通常通过电源导管。

搅拌装置可包括至少一个用于搅拌滚筒内材料的挡板。通常，各挡板将围绕每个旋转壁围绕其旋转的轴形成螺旋的至少一部分。或者，各挡板可以是直的，并且可以有多个可能彼此平行的挡板。

该装置可设有气体导管，通过该气体导管可将气体通入空隙。该装置还可设有排气导管，通过该排气导管可将气体从空隙中排出。因此，气体(例如大气、干燥空气或氩/氧混合气体)可通过空隙中的材料，从而加强材料的处理。气体可包括水蒸气，可增加空隙内空气或气体的湿度。

该装置可设有可见光或紫外线辐射源，为空隙内部提供可见光或紫外线辐射。因此，可以另外使用光或紫外线辐射来处理空隙中的材料。

该源可设为从大气中产生电离气体等离子体。该源是丰富的并且作为形成活性物质前体的氧气和氮气的有用来源。也可以使用其他含氧和氮的气体混合物，例如氦/氧混合物和氩/氧混合物。在这些情况下，该装置可包括用于将气体混合物输送到电离气体等离子体源的输送装置，通常来自可重复使用或一次性使用的气罐。

该装置可包括与空隙连通的水源。通常，水源将被设为将水输送到空隙。水源可包括可以控制水流的阀门。

水源可包括等离子体活化水源。或者，通过由电离气体等离子体产生的活性物质的作用，引入空隙中的水可以转化为等离子体活化水。

该源可包括至少两个电极。每个电极可为细长的，具有一定长度。电极可成对，并且有两个电极形成一对电极。每对电极可被定位成倾斜的，使得电极的长度不平行但电极间隔开。每对电极将在沿着每对电极中另一个电极最接近的点之间和周围限定交叉区域。该源还可包括被设为在电极之间施加电压的电压源。当施加此电压时，将在交叉区域产生电离气体等离子体。电极之间的最小距离可以在10μm和30mm之间，通常在0.5mm和1.5mm之间。

每个电极可包括被封装电介质屏蔽包围的金属构件，例如玻璃管或陶瓷涂层，以限制放电电流，尽管可以通过快速脉冲施加电压来实现同样的目的。

通常，从电源产生等离子体的施加电压至少为0.1或0.5kV、1kV、5kV、10kV、20kV或40kV。电压可以是具有频率的交流(AC)电压。频率可以在50Hz和2.45GHz之间，电压可以被调制，以便包括电压以该频率变化的交替等离子体开启周期和电压不变化且通常为零的等离子体关闭周期。这可以最小化所处理材料的加热并降低功率消耗。或者，电压可以作为脉冲宽度持续时间在0.1ns和1000ms之间的脉冲而施加。

通常，电源将设为从干线、低压直流(DC)电源(例如USB充电器)、发电机或电池汲取电能以产生等离子体。

通常，该装置可用于在室温和压力下产生电离气体等离子体；但形成电离气体等离子体的气体温度在0和50℃之间，典型地在10和40℃之间，可能在15和30℃之间，大气压为1±0.2atm、0.1atm、0.05atm或0.01atm。该源可提供由电离气体等离子体源周围的环境空气形成的活性物质，而无需对其进行先加热、冷却、加压和/或减压。

活性物质可包括臭氧。活性物质可额外地或替代地包括一氧化氮(NO)、过氧化氢(H₂O₂)、羟基自由基(OH)、氢离子(H⁺)、硝酸根离子(NO₃ ^-)、亚硝酸根离子(NO₂ ^-)和氧原子(O)中的至少一种。

根据本发明的第二方面，提供了一种处理材料的方法，包括将材料放置在根据本发明第一方面所述装置的空隙中，然后使电离气体等离子体源在空隙中产生电离气体等离子体的同时还使每个旋转壁围绕源旋转。

因此，该方面描述了使用第一方面所述装置来处理材料的方法。通常，电离气体等离子体会产生活性物质，这些组分会积聚在空隙中，而通过该空隙，材料将通过旋转壁的作用翻滚。

由电离气体等离子体产生的活性物质可用于处理材料，与壁不旋转翻转材料或源不在空隙内的情况相比，由电离气体等离子体产生的活性物质接触的材料更多。

这尤其适用于材料包含许多小组分的情况，例如包括种子、粒状材料、塑料珠或类似物的材料。否则，该材料可包括生物质、废水、牛奶(用于对其进行消毒)、水或其他被污染物污染的材料。

在种子实例中，我们已经意识到该方法可以用于种子的消毒，特别是杀死种子上的细菌、真菌或真菌孢子。该方法也可用于促进种子发芽。

该方法可包括使用驱动装置驱动旋转壁围绕源运动。

该方法可包括通过气体导管将气体引入空隙中，并且任选地通过排气导管排出气体。气体可包括大气、干燥空气或氩/氧混合气体。因此，气体可通过空隙中的材料，从而加强材料的处理。气体可包括水蒸气，可增加空隙内空气或气体的湿度。

该方法可包括用可见光或紫外辐射照射材料。

通常，电离气体等离子体将在室温和压力下从环境空气中产生，形成电离气体等离子体的空气温度在0和50℃之间，大气压为1±0.2atm、0.1atm、0.05atm或0.01atm。电离气体等离子体可由电离气体等离子体源周围的环境空气形成，而无需对其进行先加热、冷却、加压和/或减压。

附图说明

现在仅通过实例的方式对参照附图描述的本发明的实施例进行描述，其中：

图1示出了根据本发明第一实施例的装置的透视图；

图2示出了图1装置的局部截面透视图；

图3示出了图1装置的立视图；

图4示出了图1装置电极的平面图；

图5示出了图4电极的侧视横截面；

图6示出了说明图1装置杀真菌特性的图；

图7示出了说明图1装置对种子发芽影响的图；

图8至图12示出了图1装置的电极的可替代实施例；和

图13示意性地示出了根据本发明第七方面所述装置。

具体实施方式

附图中的图1至图5示出了根据本发明第一实施例所述反应器形式的装置1。装置1包括基座10，在装置的相对端处，两个固定的盘形端壁11安装在基座上。

分隔端壁11的是可旋转的圆柱形壁12。可绕其形成的圆柱体轴线相对于固定端壁11旋转。虽然在该实施例中设有单个圆柱形旋转壁12，但不需要单个旋转壁，也不需要其为圆柱形——例如，可以使用任何棱柱形，例如由六个壁组成的六边形，每一面对应一个壁。

固定端壁11和可旋转圆柱形壁12限定了空隙13。在该空隙内设有电离气体等离子体源14。源14安装在固定端壁11上，使得可旋转壁12围绕其自由旋转。

源14包括两组电极15。一组电极15在附图的图4和5中示出。每组电极15包括通过一个固定壁11和电插头16连接到电源8输出级的一对电极5。每个电极5包括由介电管6围绕的中心导线7。导线7通常是金属的，但也可包括石墨、不锈钢、铜、导电液体、水或任何其他合适的导体；电介质通常是硼硅玻璃，但可包括聚四氟乙烯(PTFE)或其他塑料、陶瓷、氧化铝、Macor(RTM)或其他可加工的玻璃陶瓷混合物、强化玻璃纤维或石英，或任何其他合适的电介质。

设有两个电极5，其长度方向与公共平面平行。但电极5彼此倾斜，即不平行但不相交，彼此垂直间隔开；在平面图中(如附图的图4所示)，两个电极为X形，在其交叉处只有一小缝隙(1mm)。

电源8被设为在两个电极5之间施加电压。通常，电压将是大约20kV的正弦激励波，在大约30kHz的频率下达到峰值。该信号可被调制为包括具有5％占空比的脉冲(因此每个周期将包括5％的周期，其中电压包括20kV的正弦信号，而另95％基本上为零电压)。

当在电极之间施加该电压时，在电极5交叉的区域中，在局部温度和压力下，从环境空气中形成电离气体等离子体9。之后，该电离气体等离子体9从空气中产生活性物质，例如一氧化氮(NO)、臭氧(O₃)、过氧化氢(H₂O₂)、羟基自由基(OH)、氢离子(H⁺)、硝酸根离子(NO₃ ^-)、亚硝酸根离子(NO₂ ^-)和氧原子(O)。电离气体等离子体还可以产生紫外线(UV)辐射。这些活性物质9在整个空隙13中扩散。

设有电动机20，该电动机被设为通过传动带21使可旋转壁12绕其轴线旋转。因此，旋转壁设有用于空隙13内容物的搅拌装置。

一个固定壁11上设有进气口22，另一固定壁11上设有出气口23。因此，气体(例如加湿空气)可从空隙13的一端引入，经过空隙中的材料，从另一端排出。

因此，在使用中，活性物质由源14产生的等离子体产生，并在整个空隙中扩散。材料(即由许多小组分或液体组成的特定材料)将通过活性物质翻滚，以便与这些活性物质发生反应。可通过在旋转壁12的内壁上使用线性或螺旋形挡板来增加上述翻滚效果。

这尤其适用于处理包含许多小组分的材料，例如种子、粒状材料、塑料珠等。否则，该材料可包括生物质、废水、牛奶(用于对其进行消毒)、水或其他被污染物污染的材料。

在种子的特定实例中，我们发现其可以发挥杀死种子真菌感染的效果。附图的图6示出了使用装置1对欧洲防风草种子(Pastinaca sativa)的作用。种子已被锁霉属菌(Itersonilia)污染。将种子放入反应器中，并如图6中的图表所示激活装置0到10小时。然后将每次处理的100粒种子放在含有氯霉素的琼脂上，三天后监测真菌生长。

图6示出了在那段时间之后不再生长的种子百分比。可以看出，增加装置的使用增加了没有真菌感染的种子的百分比，因此表明该装置可用于杀死种子上的这种真菌。误差条示出了实验运行的三次之间的可变性。

附图的图7示出了反应器对发芽率的影响。进行与图6相同的实验，将每次处理的100粒种子放在培养皿中的潮湿滤纸上。将培养皿用封口膜包裹并在恒定光照下于24℃恒温培养箱中培养。图7示出了21天后发芽(种皮破裂且出现胚根)的种子百分比。

从图7中可以看出，发芽率没有显着降低，且暴露时间超过6小时时发芽率确实增加了。

电极的替代实施例在附图的图8至15中示出。这些通常可用来代替上述电极15。电介质和电极材料可如上述关于第一实施例的建议。

在图8所示的本发明第二实施例中，使用安装在空隙13内的电介质板26。电介质板上表面装有两个封装的平行电极25；电线34通向用于施加电压的电源(未示出)。电极25由树脂绝缘体33支撑。

在该实施例中，电压的施加将使得在电介质板26底面上、凹槽23上方形成电离气体等离子体。然后，在等离子体中产生的活性物质将向外扩散到空隙13中。

在附图的图9所示的本发明第三实施例中，参考数字相对于第二实施例增加了20。在该实施例中，存在两个电极45，每个电极包括被电介质46围绕的中心金属棒47(具有连接到未示出电源的导线54)。电极45的端部相邻；在电极45之间施加电压时，将在电极45的端部之间形成等离子体49，等离子体中产生的活性物质向外扩散到空隙13中。

在附图的图10所示的本发明第四实施例中，参考数字相对于第二实施例增加了40。在该实施例中，有由电介质板26终止的单个电极63(具有连接到未示出电源的导线74)。在空隙13中的其他位置设有另一个电极。在电极之间施加电压时，等离子体69将在电极63下方的电介质板26下方形成，等离子体中产生的活性物质向外扩散到空隙13中。

在附图的图11所示的本发明第五实施例中，参考数字相对于第二实施例增加了60。在该实施例中，凹槽82包含水性溶剂91，其底面设有多孔膜96。电极85置于下方，其端部在上方。每个电极85包括由介电坩埚围绕的中心金属(等)棒87。空气围绕电极向上通过多孔膜以在水性溶剂中形成气泡97。

为了在电极85和多孔膜96的端部附近形成等离子体89，水性溶剂可以用作第五实施例中的另一个电极(以便将导线放置在导电水性溶剂91中)，或者多孔膜可以是导电的且用作电极。在一方面的膜96或水性溶剂91与另一方面的电极85之间施加电压将导致在多孔膜96的下侧附近形成等离子体并被气流98扫过以形成气泡97。气泡97的内容物(包括在电离气体等离子体中产生的活性物质)在水性溶剂91中溶解形成等离子体活化水，和/或从水中逸出到空隙13中。

在附图的图12所示的本发明第六实施例中，参考数字相对于第二实施例增加了80。在该实施例中，电介质片106将两组电极105a、105b分开；电介质片顶侧上有单个平面电极105a，底侧上有多个贴片或细长电极105b。在电极105a、105b之间施加电压时，将在电介质板106底侧上的电极105b周围形成等离子体109，等离子体中产生的活性物质向外扩散到空隙中。

在附图的图13所示的本发明第七装置中，描绘了空隙150，其具有与其相关联的搅拌器152，例如振动器、混和器等。空隙可以包含诸如种子或其他待处理的颗粒材料之类的材料。

等离子体发生器154通过导管156(例如管道)连接到空隙150。因此，等离子体发生器154从周围空气产生电离气体等离子体并且使该等离子体或更可能由空气中电离气体等离子体的作用形成的活性物质通过导管156进入空隙以处理材料。

该装置还包括等离子体活化水(PAW)源158。该源可以是单纯的水，然后进入空隙中，在空隙中被活性物质作用，或者可以包含已经溶解有这些活性物质的水(例如，通过使用另一种电离气体等离子体源)。

设有空气采样单元160以确定空隙150内的至少一种活性物质的浓度；采样的空气可以返回到空隙150中或排放到别处。之后，采样单元160可控制用于等离子体源154的电源单元(PSU)112，以控制产生等离子体以及因此产生活性物质的量。这样就可以形成闭环控制系统。

Claims

1.一种等离子体处理装置，包括：

·限定空隙的外壳；

·与所述空隙连通的电离气体等离子体源；和

·布置为搅拌所述空隙的内容物的搅拌装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述搅拌装置包括所述外壳的一部分，所述外壳包括壁，所述壁包括至少一个旋转壁。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中所述电离气体等离子体源在所述空隙内。

4.根据从属于权利要求2的权利要求3所述的装置，其中每个旋转壁被布置为围绕所述源旋转。

5.根据权利要求4所述的装置，包括布置为使每个旋转壁围绕所述源旋转的驱动装置。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的装置，其中所述壁包括至少一个固定壁，所述至少一个固定壁相对于所述源固定。

7.根据权利要求6所述的装置，其设有电源导管，所述电源导管用于从所述空隙外部向所述源传输电力，并且包括穿过固定壁的电插头。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其包括用于所述源的并且与所述源电连通的电源。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述搅拌装置包括至少一个挡板，所述至少一个挡板被设为在所述空隙内移动，通常是旋转移动。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其设有气体导管，气体可通过所述气体导管被引入到所述空隙中，并且所述装置可选地设有排气导管，所述气体可通过所述排气导管从所述空隙中排出。

11.根据权利要求10所述的装置，其设有可见光或紫外线辐射源，所述可见光或紫外线辐射源设为在所述空隙内提供可见光或紫外线辐射。

12.根据权利要求1或权利要求2、或不从属于权利要求3的权利要求8至11中任一项所述的装置，其中所述源位于所述空隙外部，并且设有用于所述电离气体等离子体或由所述电离气体等离子体产生的活性物质从所述源到所述空隙的导管。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括与所述空隙连通的水源。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述水源是等离子体活化水源。

15.一种处理材料的方法，包括以下步骤：将所述材料放置在根据前述权利要求中任一项所述的装置的所述空隙中，然后使所述电离气体等离子体源产生电离气体等离子体的同时还使所述搅拌装置搅拌所述材料。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述电离气体等离子体产生在所述空隙中累积的活性物质。

17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法，其中所述材料包括种子、颗粒材料、塑料珠、生物质、废水、牛奶、水或被污染物污染的其他材料。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中所述材料包括种子，并且所述方法导致所述种子的消毒和/或清洁。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中所述材料包括种子，并且所述方法导致所述种子的发芽的促进。

20.根据从属于权利要求18的权利要求19所述的方法，其中所述种子的消毒和/或清洁以及所述种子的发芽的促进发生在所述种子尚未从所述空隙中移出的同一时期。

21.根据权利要求18、20或从属于权利要求18的权利要求19所述的方法，其中所述方法导致杀死所述种子上的病毒、细菌、真菌或真菌孢子。

22.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，包括通过气体导管将气体引入所述空隙中，并且可选地通过所述排气导管排出所述气体的步骤。

23.根据权利要求16或从属于权利要求16的权利要求17至22中任一项所述的方法，其中所述活性物质包括臭氧、一氧化氮(NO)、过氧化氢(H₂O₂)、羟基自由基(OH)、氢离子(H⁺)、硝酸根离子(NO₃ ^-)、亚硝酸根离子(NO₂ ^-)和氧原子(O)中的至少一种。

24.根据权利要求15至23中任一项所述的方法，其中所述装置根据权利要求13所述，所述方法包括向所述空隙添加水以在所述空隙内产生等离子体活化水的步骤。