CN115448422A - 一种基于等离子体的液体处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于等离子体的液体处理系统及方法，等离子体发生模块用于产生等离子体射流，第一气体逃逸部与等离子体发生模块气道相连，第一气体逃逸部设有若干个供等离子体射流外溢的第一逃逸孔，第一气体逃逸部通过驱动连接模块与第二气体逃逸部相连，第一气体逃逸部、驱动连接模块、第二气体逃逸部均设于处理容器上方，处理容器用于承装被处理溶液，第二气体逃逸部设有若干个供等离子体射流外溢的第二逃逸孔，第一逃逸孔与第二逃逸孔气道相连。第二气体逃逸部可相对第一气体逃逸部在被处理溶液中转动，旋转的水流可进一步提高等离子体在被处理溶液中的射流长度，缩短活性粒子进入液体时间，有效提高等离子体放电效果和处理均匀性。

Description

一种基于等离子体的液体处理系统及方法

技术领域

本发明涉及等离子体应用技术领域，尤其涉及一种基于等离子体的液体处理系统及方法。

背景技术

等离子体产生的高能电子、高活性粒子以及紫外光等物质成分可以使被处理溶液在一定时间内具有很高的化学活性，这种被处理溶液称为等离子体活化水。等离子体活化水中的H⁺、O₃、H₂O₂、O₂ ^–、NO₂ ^–、NO₃ ^–等活性粒子在刺激植物生长、灭菌消毒、清洗伤口等众多应用场景具有良好的应用效果。

目前等离子体活化水溶液的处理方式主要有两种，包括等离子体直接处理和等离子体鼓泡式处理。等离子体直接处理是利用等离子体射流直接处理液体表面，该方法结构简单，容易实现，但处理不均匀，处理量较小，效率较低。等离子体鼓泡式处理是将等离子体活性气体通过鼓泡方式融入液体，该方法可以在一定程度上提高O₃、H₂O₂、NO_x等长寿命活性物质的溶解速率，但短寿命活性粒子却在较长路径的传输过程中分解殆尽，而且现有方法气泡尺寸大、难以调控，均匀性和处理效果提升有限。

因此，如何结合两种处理方式，并进一步提高等离子体在被处理溶液中的均匀性和放电效果，是当前行业中的一个技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种基于等离子体的液体处理系统及方法，以解决现有技术中等离子体对被处理溶液的放电效果不佳、处理均匀性不好等问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种基于等离子体的液体处理系统，包括等离子体发生模块、第一气体逃逸部、驱动连接模块、第二气体逃逸部和处理容器，所述等离子体发生模块用于产生等离子体射流，所述第一气体逃逸部与所述等离子体发生模块气道相连，所述第一气体逃逸部设有若干个供所述等离子体射流外溢的第一逃逸孔，所述驱动连接模块用于驱动所述第二气体逃逸部相对所述第一气体逃逸部作转动，所述处理容器用于承装被处理溶液，所述第二气体逃逸部设有若干个供所述等离子体射流外溢的第二逃逸孔，所述第一逃逸孔与所述第二逃逸孔气道相连。

在一些实施例中，所述等离子体射流可选择性地从所述第一逃逸孔或所述第二逃逸孔中外溢。

在一些实施例中，所述第一气体逃逸部为介质管，所述介质管内形成第一气道，所述等离子体发生模块用于在所述介质管内产生等离子体射流，所述介质管的周向设有至少一圈倾斜朝向所述处理容器底部的第一逃逸孔。

在一些实施例中，所述第二气体逃逸部包括一个以上的扇叶，所述扇叶内设有第二气道，所述第二气道的上侧和/或下侧开设有若干个第二逃逸孔，所述驱动连接模块用于驱动所述扇叶旋转。

在一些实施例中，所述驱动连接模块的至少一部分外壳或者所述处理容器所承装的被处理溶液接地。

在一些实施例中，所述驱动连接模块的至少一部分外壳缠绕螺旋电磁线圈，所述螺旋电磁线圈被配置为通交变电流后产生周期性变化的涡旋磁场进而形成周期性变化的涡旋电场，所述涡旋电场的方向与所述扇叶的旋转方向一致，所述涡旋电场与旋转的所述被处理溶液形成共振。

在一些实施例中，所述第二气体逃逸部内设有第一转接气道，所述第一转接气道一端连通所述第一气道、另一端连通所述第二气道，所述第一转接气道设有用于控制等离子体射流通断的第一转接阀门。

在一些实施例中，所述驱动连接模块内设有第二转接气道，所述第二转接气道一端连通所述第一气道、另一端连通所述第二气道，所述第二转接气道设有用于控制等离子体射流通断的第二转接阀门。

在一些实施例中，所述处理容器为设有进出水口的密封容器。

第二方面，本申请实施例提供一种基于等离子体的液体处理方法，包括表面处理模式、鼓泡处理模式和综合处理模式中的至少一种；

在表面处理模式中，切断所述第一逃逸孔与第二逃逸孔之间的转接气道，或者遮挡所述第二逃逸孔，向所述等离子体发生模块通电，使产生的等离子体射流从第一逃逸孔外溢，并直接处理被处理溶液的表面；

在鼓泡处理模式中，遮挡所述第一逃逸孔，连通所述第一逃逸孔与第二逃逸孔之间的转接气道，向所述等离子体发生模块和驱动连接模块通电，控制第二气体逃逸部相对所述第一气体逃逸部转动，使产生的等离子体射流从第二逃逸孔外溢，在被处理溶液的内部形成鼓泡；

在综合处理模式中，连通所述第一逃逸孔与第二逃逸孔之间的转接气道，打开所述第一逃逸孔与第二逃逸孔，向所述等离子体发生模块和驱动连接模块通电，控制第二气体逃逸部相对所述第一气体逃逸部转动，使产生的等离子体射流从第一逃逸孔和第二逃逸孔外溢，同步进行被处理溶液的表面处理和内部鼓泡处理。

相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：

本申请实施例提供的基于等离子体的液体处理系统及方法，利用等离子体发生模块产生等离子体射流，等离子体射流既可以在第一逃逸孔中溢出，直接处理被处理溶液的表面，也可以在第二逃逸孔中外溢，在被处理溶液的内部形成鼓泡，而且第二气体逃逸部可相对第一气体逃逸部在被处理溶液中转动，旋转的水流可进一步提高等离子体在被处理溶液中的射流长度，缩短活性粒子进入液体时间，有效提高等离子体放电效果和处理均匀性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为一种实施例下的一种基于等离子体的液体处理系统的结构示意图。

图2为一种实施例下的一种基于等离子体的液体处理系统在利用第二逃逸孔进行鼓泡处理时的示意图。

图3为一种实施例下的一种基于等离子体的液体处理系统在利用第一逃逸孔进行表面处理时的结构示意图。

图4为一种实施例下的一种基于等离子体的液体处理系统在密封容器利用第二逃逸孔进行鼓泡处理时的示意图。

图5为一种实施例下的一种基于等离子体的液体处理系统中第二气体逃逸部的结构示意图。

图6为一种实施例下的螺旋电磁线圈通电后产生涡旋电场的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”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，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

第一方面，参照图1至图5，本实施例提供一种基于等离子体的液体处理系统，包括等离子体发生模块3、第一气体逃逸部1、驱动连接模块4、第二气体逃逸部2和处理容器5，第一气体逃逸部1、驱动连接模块4和第二气体逃逸部2均设于处理容器5上方，第一气体逃逸部1和第二气体逃逸部2相对设置，处理容器5承装着被处理溶液51，第二气体逃逸部2浸泡在被处理溶液51内，第一气体逃逸部1处于被处理溶液51的液体表面上方，驱动连接模块4用于驱动第二气体逃逸部2相对第一气体逃逸部1作转动，第一气体逃逸部1设有若干个供等离子体射流6外溢的第一逃逸孔11，第二气体逃逸部2设有若干个供等离子体射流6外溢的第二逃逸孔21，第一逃逸孔11与第二逃逸孔21气道相连。

当等离子体发生模块3在通电后，产生等离子体射流6，需要注意的是，等离子体射流6可以直接在第一气体逃逸部1中形成，又可以在外界形成后再通入第一气体逃逸部1中，等离子体射流6可以在第一气体逃逸部1周向的第一逃逸孔11中外溢，并直接处理被处理溶液51的表面。

由于第一逃逸孔11与第二逃逸孔21气道是相连的，在第一气体逃逸部1中的等离子体射流6也会流通至第二气体逃逸部2，而在驱动连接模块4的作用下，第二气体逃逸部2可以相对第一气体逃逸部1在被处理溶液51中作转动，第二逃逸孔21也会随之在被处理溶液51中产生转动，即等离子体射流6在从第二逃逸孔21外溢过程中，第二气体逃逸部2与被处理溶液51之间存在相对移动，高速旋转的第二气体逃逸部2会在被处理溶液51中形成负压，会形成射流长度更长的等离子体射流6，提升等离子体性能，同时缩短活性粒子进入被处理溶液51的时间，而且等离子体鼓泡会在高速旋转下变得体积更小，经试验验证，可以达到微纳米气泡，以提高溶解效率。

作为一种实施方式，等离子体射流6可以同时从第一逃逸孔11和第二逃逸孔21中外溢。

作为一种实施方式，等离子体射流6可选择性地从第一逃逸孔11或第二逃逸孔21中外溢，即同一时刻只有第一逃逸孔11或第二逃逸孔21中有等离子体射流6外溢。

参照图2至图4，在本实施例中，第一气体逃逸部1为介质管12，介质管12内部中空，并形成第一气道13，等离子体发生模块3在介质管12内产生等离子体射流6，介质管12的周向设有至少一圈倾斜朝向处理容器5底部的第一逃逸孔11，等离子体发生模块3包括高压电源31、存气罐32和高压电极33，高压电极33可以为环形金属电极状，紧密贴在介质管12外部，也可以为金属针电极状，放置于介质管12中轴线处，当存气罐32向介质管12内通工作气体，高压电源31向高压电极33提供电源，高压电极33会将工作气体电离，并形成等离子体射流6，由于介质管12内气压较大，等离子体射流6会从倾斜朝向下的第一逃逸孔11中倾斜地吹向被处理溶液51的液面。

更进一步地，第二气体逃逸部2包括一个以上的扇叶22，多个扇叶22以介质管12中轴线为转动轴水平排布，扇叶22内设有第二气道23，第二气道23的上侧和/或下侧开设有若干个第二逃逸孔21，驱动连接模块4用于驱动扇叶22旋转。

可选地，扇叶22的中心可以为中空状，整个扇叶22的中空中心相当于第二气道，等离子体射流6灌进中空的扇叶22后，可以从扇叶22表面开设的多个第二逃逸孔21外溢，

参照图5，可选地，扇叶22的中心内部挖空出一条狭长的第二气道23，第二逃逸孔21对应设置在此第二气道23的上下侧，等离子体射流6灌进这条第二气道23后，可从第二逃逸孔21外溢。

当然地，第二气体逃逸部2也可以是转盘式，在第二气体逃逸部2转动过程中，不停切换与第一逃逸孔11导通的第二逃逸孔21，即众多的第二逃逸孔21中，有一部分是遮挡住的，有一部分是导通的，以旋转切换的方式导通一部分第二逃逸孔21，也可以达到本发明的有益效果。

作为一种实施方式，将处理容器5所承装的被处理溶液51接地，在等离子体射流6直接处理被处理溶液51表面时，高压电极33与被处理溶液51表面之间构成了“环-板”或者“针-板”放电结构，两者之间的电场可以增强等离子体射流6的强度，使得等离子体射流6更好地从通过介质管12的第一逃逸孔11喷出，实现等离子体射流6直接处理水溶液液面。

作为一种实施方式，将驱动连接模块4的至少一部分外壳接地，在等离子体射流6以鼓泡的形式处理被处理溶液51时，高压电极33与驱动连接模块4的外壳构成“环-环”或者“针-环”放电结构，有助于等离子体射流6在介质管12内部传输，增强等离子体射流6长度，使等离子体射流6顺利到达第二逃逸孔21并喷出。

参照图6，在本实施例中，驱动连接模块4的至少一部分外壳缠绕螺旋电磁线圈24，由于随时间变化着的磁场能在其周围空间激发一种电场，它能对处于其中的带电粒子施以力的作用，这就是涡旋电场，螺旋电磁线圈24在通入交变电流后，会产生周期性变化的涡旋磁场，而周期性变化的涡旋磁场产生周期性变化的涡旋电场，涡旋电场的方向与扇叶22的旋转方向一致，涡旋电场作用在被处理溶液51中，涡旋电场与旋转的被处理溶液51形成共振，使得液相带电活性粒子受电场力的作用而移动，以实现均匀混合。需要注意的是，由于扇叶22在转动时会产生离心力，被处理溶液51会随着转动远离旋转中轴线，而涡旋电场可提供一个不同维度的力，使等离子体在轴向和径向都得到均匀分布。

需要说明的是，在利用驱动连接模块4使得第二气体逃逸部2相对第一气体逃逸部1作转动中，驱动连接模块4具有很多种实现方式。

可选地，第一气体逃逸部1通过驱动连接模块4与第二气体逃逸部2相连，类似吊扇的结构，使用内转子电机或者外转子电机的方式，将电机的定子部连接在第一气体逃逸部1处，电机的转子部连接在第二气体逃逸部2处，电机配套相应的电源和控制器，进行电源供应和相关控制。

可选地，将电机的定子部固定在处理容器5的底部的内侧或外侧，使电机与第一气体逃逸部1在结构上不直接连接，电机通过其转子部带动第二气体逃逸部2转动，但是第二气体逃逸部2和第一气体逃逸部1相对设置，且在对接处密封连接。

至于如何实现将第一气体逃逸部1中的等离子体射流6可选择性地连通至第二气体逃逸部2中，在此提供以下两种实施例：

实施例1：

在此实施例1中，第二气体逃逸部2内设有第一转接气道，第一转接气道为竖直布置，驱动连接模块4在运行时会控制第二气体逃逸部2转动，而第二气体逃逸部2中的第一转接气道一端连通第一气道13、另一端连通第二气道23，在转动过程中始终保持第一气道13与第二气道23的连通，而且第一转接气道与第一气道13、第二气道23之间密封连接，第一转接气道设有用于控制等离子体射流6通断的第一转接阀门，当打开第一转接阀门时，等离子体射流6可通过第一转接气道进入第二气道23。

实施例2：

在此实施例2中，驱动连接模块4内设有第二转接气道，第二转接气道内置在驱动连接模块4中，第二转接气道一端连通第一气道13、另一端连通第二气道23，在转动过程中始终保持第一气道13与第二气道23的连通，而且第一转接气道与第一气道13、第二气道23之间密封连接，第二转接气道设有用于控制等离子体射流6通断的第二转接阀门，当打开第二转接阀门时，等离子体射流6可通过第二转接气道进入第二气道23。

作为一种实施方式，处理容器5为设有进出水口的密封容器，密封容器的封盖可以拆开，当作一个敞口的处理容器5使用，在这种情况下，第一气体逃逸部1一部分插入被处理溶液51中，第一逃逸孔11位于被处理溶液51液面的上方，而第二气体逃逸部2浸泡在被处理溶液51中，第二逃逸孔21位于被处理溶液51液面的下方。

当将封盖安装上时，处理容器5当作一个密封容器使用，此密封容器具有进水口和出水口，第一逃逸孔11位于封盖的上方，而第二气体逃逸部2浸泡在被处理溶液51中，第二逃逸孔21位于被处理溶液51液面的下方，采用密封容器加上等离子体鼓泡式处理的方式，适合等离子体污水处理。

第二方面，本实施例提供一种基于等离子体的液体处理方法，包括表面处理模式、鼓泡处理模式和综合处理模式中的至少一种；

在表面处理模式中，切断第一逃逸孔11与第二逃逸孔21之间的转接气道，或者遮挡第二逃逸孔21，总之使等离子体射流6不从第二逃逸孔21喷出，再向等离子体发生模块3通电，在介质管12内产生等离子体射流6，并使等离子体射流6从第一逃逸孔11外溢，直接处理被处理溶液51的表面；

在鼓泡处理模式中，遮挡第一逃逸孔11，连通第一逃逸孔11与第二逃逸孔21之间的转接气道，总之使等离子体射流6不从第一逃逸孔11喷出，再向等离子体发生模块3和驱动连接模块4通电，控制第二气体逃逸部2相对第一气体逃逸部1转动，在介质管12内产生等离子体射流6，使等离子体射流6从第二逃逸孔21外溢，在被处理溶液51的内部形成鼓泡；

在综合处理模式中，结合了以上两种方式，连通第一逃逸孔11与第二逃逸孔21之间的转接气道，打开第一逃逸孔11与第二逃逸孔21，向等离子体发生模块3和驱动连接模块4通电，控制第二气体逃逸部2相对第一气体逃逸部1转动，使产生的等离子体射流6从第一逃逸孔11和第二逃逸孔21外溢，同步进行被处理溶液51的表面处理和内部鼓泡处理。

需要说明的是，当第二气体逃逸部2包括一个以上的扇叶22，在控制扇叶22转动时，优选地，将扇叶22的旋转速度控制在150-3000rpm，因为随着扇叶22转速增大，水流负压变大，从第二逃逸孔21中喷出的等离子体越多，在介质管12中的等离子体射流6的长度有明显增加，每增加1000rpm，射流长度约增加1cm，但是转速太大会导致被处理溶液51剧烈飞溅，更优地，将扇叶22的旋转速度控制在500-2000rpm，使介质管12中的等离子体射流6长度有效控制在合理范围，缩短等离子体活性成分进入被处理溶液51的时间，提升液相短寿命活性成分的浓度。

相对于现有技术，上述实施例提供一种基于等离子体的液体处理系统及方法，利用等离子体发生模块3产生等离子体射流6，等离子体射流6即可以在第一逃逸孔11中溢出，直接处理被处理溶液51的表面，也可以在第二逃逸孔21中外溢，在被处理溶液51的内部形成鼓泡，而且第二气体逃逸部2可相对第一气体逃逸部1在被处理溶液51中转动，旋转的水流可进一步提高等离子体在被处理溶液51中的射流长度，缩短活性粒子进入液体时间，有效提高等离子体放电效果和处理均匀性。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于等离子体的液体处理系统，其特征在于，包括等离子体发生模块、第一气体逃逸部、驱动连接模块、第二气体逃逸部和处理容器，所述等离子体发生模块用于产生等离子体射流，所述第一气体逃逸部与所述等离子体发生模块气道相连，所述第一气体逃逸部设有若干个供所述等离子体射流外溢的第一逃逸孔，所述驱动连接模块用于驱动所述第二气体逃逸部相对所述第一气体逃逸部作转动，所述处理容器用于承装被处理溶液，所述第二气体逃逸部设有若干个供所述等离子体射流外溢的第二逃逸孔，所述第一逃逸孔与所述第二逃逸孔气道相连。

2.如权利要求1所述的一种基于等离子体的液体处理系统，其特征在于，所述等离子体射流可选择性地从所述第一逃逸孔或所述第二逃逸孔中外溢。

3.如权利要求2所述的一种基于等离子体的液体处理系统，其特征在于，所述第一气体逃逸部为介质管，所述介质管内形成第一气道，所述等离子体发生模块用于在所述介质管内产生等离子体射流，所述介质管的周向设有至少一圈倾斜朝向所述处理容器底部的第一逃逸孔。

4.如权利要求3所述的一种基于等离子体的液体处理系统，其特征在于，所述第二气体逃逸部包括一个以上的扇叶，所述扇叶内设有第二气道，所述第二气道的上侧和/或下侧开设有若干个第二逃逸孔，所述驱动连接模块用于驱动所述扇叶旋转。

5.如权利要求4所述的一种基于等离子体的液体处理系统，其特征在于，所述驱动连接模块的至少一部分外壳或者所述处理容器所承装的被处理溶液接地。

6.如权利要求5所述的一种基于等离子体的液体处理系统，其特征在于，所述驱动连接模块的至少一部分外壳缠绕螺旋电磁线圈，所述螺旋电磁线圈被配置为通交变电流后产生周期性变化的涡旋磁场进而形成周期性变化的涡旋电场，所述涡旋电场的方向与所述扇叶的旋转方向一致，所述涡旋电场与旋转的所述被处理溶液形成共振。

7.如权利要求6所述的一种基于等离子体的液体处理系统，其特征在于，所述第二气体逃逸部内设有第一转接气道，所述第一转接气道一端连通所述第一气道、另一端连通所述第二气道，所述第一转接气道设有用于控制等离子体射流通断的第一转接阀门。

8.如权利要求6所述的一种基于等离子体的液体处理系统，其特征在于，所述驱动连接模块内设有第二转接气道，所述第二转接气道一端连通所述第一气道、另一端连通所述第二气道，所述第二转接气道设有用于控制等离子体射流通断的第二转接阀门。

9.如权利要求6所述的一种基于等离子体的液体处理系统，其特征在于，所述处理容器为设有进出水口的密封容器。

10.一种基于等离子体的液体处理方法，其特征在于，包括表面处理模式、鼓泡处理模式和综合处理模式中的至少一种；

在表面处理模式中，切断所述第一逃逸孔与第二逃逸孔之间的转接气道，或者遮挡所述第二逃逸孔，向所述等离子体发生模块通电，使产生的等离子体射流从第一逃逸孔外溢，并直接处理被处理溶液的表面；

在鼓泡处理模式中，遮挡所述第一逃逸孔，连通所述第一逃逸孔与第二逃逸孔之间的转接气道，向所述等离子体发生模块和驱动连接模块通电，控制第二气体逃逸部相对所述第一气体逃逸部转动，使产生的等离子体射流从第二逃逸孔外溢，在被处理溶液的内部形成鼓泡；

在综合处理模式中，连通所述第一逃逸孔与第二逃逸孔之间的转接气道，打开所述第一逃逸孔与第二逃逸孔，向所述等离子体发生模块和驱动连接模块通电，控制第二气体逃逸部相对所述第一气体逃逸部转动，使产生的等离子体射流从第一逃逸孔和第二逃逸孔外溢，同步进行被处理溶液的表面处理和内部鼓泡处理。

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