CN114162916B - 一种液下膜囊大体积等离子体制备活化液的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液下膜囊大体积等离子体制备活化液的方法，属于活化液制备技术领域。该制备方法，包括如下步骤：S1，将隔水透气膜包覆等离子体产生装置并浸没在水溶液中；S2，向隔水透气膜包覆形成的气囊内通入气体；S3，等离子体产生装置中的放电装置放电产生等离子体；S4，等离子体透过隔水透气膜进入水溶液中并与水溶液反应制备活化液。本发明利用隔水透气膜在液面下构成气囊，将隔水透气膜包覆的等离子体产生装置完全浸没在水溶液中，等离子体可透过隔水透气膜与液体直接、充分接触，可在保证一定活性粒子产生效率的前提下提高气液两相粒子输运效率；并且放电产生的热量可被周围水溶液自然冷却，提高了能量利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及活化液的制备技术领域，尤其涉及一种液下膜囊大体积等离子体制备活化液的方法及包覆有隔水透气膜的等离子体产生装置。
背景技术
等离子体富含电子、离子、光子和含氮含氧的活性粒子(RONS)，通过与以水为代表的诸多水溶液媒质接触并反应，可制备等离子体活化液。大气压等离子体在航空航天、能源转化和材料改性等多个领域均有研究应用，而由于其高效、快速、广谱的消毒灭菌能力并同时具有绿色、无残留的特点在生物医学领域受到了广泛的研究。在此基础上，利用等离子体处理水溶液制备的等离子体活化液，可将气相中多种RONS转化为液相中的长寿命离子、自由基和其他活性成分，克服了等离子体中活性粒子消散迅速的局限。进一步的，等离子体活化液可充分发挥以水溶液媒质作为活性粒子载体的优势，可用于不便于使用等离子体直接处理的应用场景。
如何高效、可控地制备等离子体活化液是目前学术和产业界亟待解决的技术难题，现有技术无法兼顾活性粒子产生效率和气液界面粒子输运速率，活化液的产量不足以应对在农业和医疗等需要即时、大量制备活化液的场景；同时，气相等离子体区域极易混入高电导率的水珠，形成丝状放电并击穿介质板，破坏放电等离子体的稳定性。
目前等离子体活化液的产生方式可按等离子体的产生区域大致划分为液面上和液面下两大类。
前者在液面上的气相中产生等离子体，活性粒子通过气液界面扩散至水溶液制备活化液，如公开号为CN109762074A的发明专利公开的一种等离子体活化水湿热改性天然淀粉的方法，以介质阻挡放电为产生等离子体的主要形式。
后者在液面下产生等离子体，由于水溶液中放电较难进行，通常利用通入气体并配合电极放电，如公开号为CN105174360A的发明专利公开的一种采用放电等离子体激活过硫酸盐的方法。
上述现有技术中的两种发明专利存在的缺陷：
等离子体的产生方式主要有介质阻挡放电、大气压等离子体射流或是滑动弧等。基于此，按等离子体的产生区域大致划分为液面上和液面下两大类，前者受限于气液界面粒子输运速率，后者受限于活性粒子产生效率。因此，现有的等离子体活化液制备技术无法兼顾活性粒子产生效率和气液界面粒子输运速率的限制。现有同类产品中等离子体与水溶液接触不充分，等离子体中的活性粒子难以被反应、固定至液相，难以实现等离子体活化液的即时、大量制备。
发明内容
有鉴于此，为解决现有技术中等离子体活化液的制备方式与装置中等离子体与水溶液接触不充分，进而导致气液两相粒子运输过程受限制的技术问题，为此，本发明的目的之一在于提供一种液下膜囊大体积等离子体制备活化液的方法，利用隔水透气膜在液面下构成气囊，并内置等离子体产生装置来制备等离子体活化液，经隔水透气膜包覆的等离子体产生装置完全浸没在液体中，等离子体可透过隔水透气膜与液体直接、充分接触，可在保证一定活性粒子产生效率的前提下提高气液两相粒子输运效率；并且放电产生的热量可被周围液体自然冷却，提高了能量利用效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
一种液下膜囊大体积等离子体制备活化液的方法，包括如下步骤：
S1，将隔水透气膜包覆等离子体产生装置并浸没在水溶液中；
S2，向所述隔水透气膜包覆形成的气囊内通入气体；
S3，所述等离子体产生装置中的放电装置放电产生等离子体；
S4，所述等离子体透过所述隔水透气膜进入所述水溶液中并与所述水溶液反应制备活化液。
优选地，所述隔水透气膜是由高密度聚乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯纤维编织形成的具有致密多孔的网状结构的纺粘型烯烃。
优选地，所述隔水透气膜的耐静水压1.5m以上，耐受-40～100℃的温度和酸碱的化学腐蚀。
优选地，所述等离子体产生装置为沉底型平面等离子体发生装置、悬吊型平面等离子体发生装置和悬吊型射流等离子体发生装置中的至少一种。
优选地，所述水溶液为去离子水或自来水。
本发明还提供了包覆有上述隔水透气膜的等离子体产生装置。
优选地，所述所述等离子体产生装置为沉底型平面等离子体产生装置、悬吊型平面等离子体产生装置和悬吊型射流等离子体产生装置中的至少一种。
本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：
1.本发明提供的液下膜囊大体积等离子体制备活化液的方法，利用隔水透气膜在液面下构成气囊，并内置等离子体产生装置来制备等离子体活化液，经隔水透气膜包覆的等离子体产生装置完全浸没在水溶液中，等离子体可透过隔水透气膜与水溶液直接、充分接触，可在保证一定活性粒子产生效率的前提下提高气液两相粒子输运效率；并且放电产生的热量可被周围水溶液自然冷却，提高了能量利用效率。
2.本发明利用隔水透气膜在液面下构成气囊，并内置放电装置构成等离子体产生装置。等离子体产生装置可有多种不同形式，其中的放电装置和隔水透气膜没有直接的连接，整体紧凑，便于拆装。在水溶液容器中可实现多个等离子体产生装置并存，例如：射流和悬吊同时存在，分别由多个电源驱动，进一步增大活化液制备效率并减小设备故障带来的负面影响。
附图说明
图1为本发明以沉底型平面等离子体产生装置为例的结构示意图；
图2为本发明中隔水透气膜的原理示意图；
图3为沉底型平面等离子体产生装置的结构示意图；
图4为悬吊型平面等离子体产生装置的主视图；
图4-1为悬吊型平面等离子体产生装置的左视图；
图4-2为悬吊型平面等离子体产生装置中电极连接结构局部图；
图5为悬吊型射流等离子体产生装置的结构示意图；
图6为隔水透气膜的表面扫描电镜照片；
图1中，1.高压电源，2.接地导线，3.高压导线，4.导线通道，5.气道，6.气泵，7.液体容器，8.沉底型平面等离子体产生装置，8-1.隔水透气膜，8-2.支撑结构，8-3.地电极，8-4.高压电极，8-5.阻挡介质，11.水泵，12.进水口，13.出水口；
图3中，4.导线通道，5.气道，8.沉底型平面等离子体产生装置，8-1隔水透气膜，8-3.地电极，8-4.高压电极，8-5.阻挡介质，8-2-1.压条，8-2-2.主体；
图4、图4-1和图4-2中，2.接地导线，3.高压导线，5.气道，9.悬吊型平面等离子体产生装置，9-1.隔水透气膜，9-2.支撑结构，9-2-1.压条，9-2-2.主体，9-2-3密封圈；9-3.地电极，9-4.高压电极，9-5.阻挡介质；
图5中，2.接地导线，3.高压导线，5.气道，10.悬吊型射流等离子体产生装置，10-1.隔水透气膜，10-2.支撑结构，10-2-1.压条，10-2-2.主体，10-3.地电极，10-4.高压电极，10-5.阻挡介质。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-2所示，本发明提供了一种液下膜囊大体积等离子体制备活化液的方法，包括如下步骤：
S1，将隔水透气膜包覆等离子体产生装置并浸没在水溶液中；
S2，向所述隔水透气膜包覆形成的气囊内通入气体；
S3，所述等离子体产生装置中的放电装置放电产生等离子体；
S4，所述等离子体透过所述隔水透气膜进入所述水溶液中并与所述水溶液反应制备活化液。
在本发明中，所述隔水透气膜是由高密度聚乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯纤维编织形成的具有致密多孔的网状结构的纺粘型烯烃，本发明通过引入隔水透气膜解决现有技术中存在的技术问题，隔水透气膜作为一种高分子材料，是使用高密度聚乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯纤维制成的纺粘型烯烃。高密度聚合物纤维编织形成致密多孔的网状结构，并被粘合形成稳定片材。水溶液由于表面张力无法轻易渗透隔水透气膜而气体可以轻易透过，可以实现膜的两侧分别为空气和水溶液。
在本发明中，所述隔水透气膜的耐静水压1.5m以上，耐受-40～100℃的温度和酸碱的化学腐蚀，其还具有隔水透气性好的性能。
在本发明中，所述等离子体产生装置为沉底型平面等离子体发生装置、悬吊型平面等离子体发生装置和悬吊型射流等离子体发生装置中的至少一种，等离子体产生装置可以有多种不同形式，其中的放电装置和隔水透气膜没有直接的连接，整体紧凑，便于拆装。在液体容器中可实现多个等离子体产生装置并存，例如：射流和悬吊同时存在，分别由多个电源驱动，进一步增大活化液制备效率并减小设备故障带来的负面影响。
在本发明中，所述水溶液为去离子水或自来水。
在本发明提供的上述活化液的制备方法中，向所述等离子体产生装置中泵入气体，气体可由气泵通过气道供给，由于隔水透气膜的存在，液态水无法进入气囊，但可有少量水蒸气进入气囊。气囊内气压略大于外部压强，利于放电装置产生的等离子体透过隔水透气膜进入由液体容器盛装的水溶液中，与水溶液反应制备活化液。
该气体包括但不限于空气、氮气、氦气、氩气等气体。
本发明还提供了包覆有上述隔水透气膜的等离子体产生装置。
在本发明中，所述所述等离子体产生装置为沉底型平面等离子体发生装置、悬吊型平面等离子体发生装置和悬吊型射流等离子体发生装置中的至少一种，等离子体产生装置可以有多种不同形式，其中的放电装置和隔水透气膜没有直接的连接，整体紧凑，便于拆装。在液体容器中可实现多个等离子体产生装置并存，例如：射流和悬吊同时存在，分别由多个电源驱动，进一步增大活化液制备效率并减小设备故障带来的负面影响。
如图1和图3中所示，为以沉底型平面等离子体产生装置为例的结构示意图，高压电源1和接地导线2、高压导线3电气连接。接地导线2、高压导线3经过导线通道4的包裹，分别与地电极8-3、高压电极8-4连接。地电极8-3和高压电极8-4由阻挡介质8-5分隔并嵌入阻挡介质8-5中。地电极8-3、高压电极8-4和阻挡介质8-5共同组成放电装置，并通过螺栓固定在支撑结构8-2上。支撑结构8-2通过螺栓固定在液体容器7上，并由压条8-2-1和主体8-2-2通过螺栓连接压紧隔水透气膜8-1。气泵6通过气道5将空气吹至等离子体产生装置内。水泵11通过进水口12泵入水溶液，活化液通过出水口13排出。
如图4、图4-1和图4-2所示，为悬吊型平面等离子体产生装置的结构示意图，悬吊型平面等离子体产生装置9的放电装置构成与图3中的沉底型平面等离子体产生装置8类似。接地导线2、高压导线3分别与地电极9-3、高压电极9-4连接。地电极8-3和高压电极8-4由阻挡介质8-5分隔并压紧。支撑结构9-2由压条9-2-1、主体9-2-2和密封圈9-2-3构成，通过螺栓压紧隔水透气膜9-1，并悬吊在液体容器7中。
如图5所示，为悬吊型射流等离子体产生装置的结构示意图，悬吊型射流等离子体产生装置10中的放电装置由圆环形的地电极10-3和圆环形的高压电极10-4缠绕在空心圆柱形的阻挡介质10-5外侧构成。气道5通过软管与阻挡介质10-5相连。接地导线2、高压导线3分别与地电极10-3、高压电极10-4连接。支撑结构10-2由圆环形压条10-2-1和圆柱形的主体10-2-2构成，通过螺栓压紧圆形隔水透气膜10-1，并悬吊在液体容器7中。
图6中示出了隔水透气膜的扫描电镜照片展示的微观结构，进一步说明在隔水的同时透过气体。
本发明的工作原理如下：
图3、图4和图5中的等离子体产生装置中的放电装置均由各自的地电极、高压电极通过与接地导线和高压导线连接，进而通过导线通道4与高压电源1连接。放电装置在由各自支撑结构和隔水透气膜构成的气囊中放电产生等离子体，气体可由气泵6通过气道5供给。
图2中，由于隔水透气膜的存在，液态水无法进入气囊，但可有少量水蒸气进入气囊。气囊内气压略大于外部压强，利于放电装置产生的等离子体透过隔水透气膜进入由液体容器7盛装的水溶液中，与水溶液反应制备活化液。水泵11通过进水口12泵入水溶液，活化液通过出水口13排出。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种液下膜囊大体积等离子体制备活化液的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将隔水透气膜包覆等离子体产生装置并浸没在水溶液中；
S2，向所述隔水透气膜包覆形成的气囊内通入气体；
S3，所述等离子体产生装置中的放电装置放电产生等离子体；
S4，所述等离子体透过所述隔水透气膜进入所述水溶液中并与所述水溶液反应制备活化液；
其中等离子体产生装置为沉底型平面等离子体产生装置（8）或悬吊型平面等离子体产生装置（9）；
在沉底型平面等离子体产生装置（8）中，高压电源（1）和接地导线（2）、高压导线（3）电气连接；接地导线（2）、高压导线（3）经过导线通道（4）的包裹，分别与地电极（8-3）、高压电极（8-4）连接；地电极（8-3）和高压电极（8-4）由阻挡介质（8-5）分隔并嵌入阻挡介质（8-5）中；地电极（8-3）、高压电极（8-4）和阻挡介质（8-5）共同组成放电装置，并通过螺栓固定在支撑结构（8-2）上；支撑结构（8-2）通过螺栓固定在液体容器（7）上，并由压条（8-2-1）和主体（8-2-2）通过螺栓连接压紧隔水透气膜（8-1）；气泵（6）通过气道（5）将空气吹至等离子体产生装置内；水泵（11）通过进水口（12）泵入水溶液，活化液通过出水口（13）排出；
悬吊型平面等离子体产生装置（9）的放电装置构成与沉底型平面等离子体产生装置（8）类似；接地导线（2）、高压导线（3）分别与地电极（9-3）、高压电极（9-4）连接；地电极（9-3）和高压电极（9-4）由阻挡介质（9-5）分隔并压紧；支撑结构（9-2）由压条（9-2-1）、主体（9-2-2）和密封圈（9-2-3）构成，通过螺栓压紧隔水透气膜（9-1），并悬吊在液体容器（7）中；
所述隔水透气膜是由高密度聚乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯纤维编织形成的具有致密多孔的网状结构的纺粘型烯烃。
2.根据权利要求1所述的一种液下膜囊大体积等离子体制备活化液的方法，其特征在于，所述隔水透气膜的耐静水压1.5m水柱高度以上，耐受-40～100℃的温度和酸碱的化学腐蚀。
3.根据权利要求1所述的一种液下膜囊大体积等离子体制备活化液的方法，其特征在于，所述等离子体产生装置还可以为悬吊型射流等离子体发生装置。
4.根据权利要求1所述的一种液下膜囊大体积等离子体制备活化液的方法，其特征在于，所述水溶液为去离子水或自来水。
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