CN115501361A - 羟基等离子发生器和消毒净化设备 - Google Patents

羟基等离子发生器和消毒净化设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了羟基等离子发生器和消毒净化设备，涉及空气净化技术领域，其中羟基等离子发生器包括相互连接的供气部和发生部，所述供气部包括气体混合通道，所述发生部包括气流通道，所述气体混合通道连接有气源和水蒸气发生器，所述供气部通过所述气体混合通道连接所述发生部的气流通道，来自气源的气体和由水蒸气发生器输出的水蒸气在气体混合通道中混合后进入所述气流通道，所述气流通道连接等离子反应室。本发明能够解决现有技术中等离子发生器容易产生臭氧、不能输出羟基自由基、喷射距离受限、消毒范围小、杀菌效率低和杀菌效果不佳等技术问题。

Description

羟基等离子发生器和消毒净化设备
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，具体涉及羟基等离子发生器和消毒净化设备。
背景技术
羟基自由基(OH*)是非常活泼的一种氧化性自由基，其与有机物反应的速率常数大；几乎可以氧化所有有机物；利用羟基自由基来处理有机物，具有处理效率高和不产生二次污染等特点。
普通的等离子发生器发生的主要工作原理是将低电压通过升压电路升至正高压及负高压，利用正高压及负高压电离空气(主要是氧气)产生大量的正离子及负离子，负离子的数量大于正离子的数量；此外市售等离子发生器大都采用尖端电晕放电技术，电压高，能耗大，寿命短，臭氧的含量也较高；采用氧气作为工作介质，喷射距离受氧气压力影响，而且氧气质量小，喷射动量限制了喷射距离；无论采用空气或氧气都不能产生羟基自由基，影响了消毒范围和杀菌效果。
发明内容
针对现有技术中的等离子发生器容易产生臭氧、不能输出羟基自由基、喷射距离受限、消毒范围小、杀菌效率低和杀菌效果不佳等技术问题，本发明提供了羟基等离子发生器和消毒净化设备，具有不产生臭氧、喷射距离更远和消毒杀菌效果更好的优点。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：羟基等离子发生器，包括相互连接的供气部和发生部，所述供气部包括气体混合通道，所述发生部包括气流通道，所述气体混合通道连接有气源和水蒸气发生器，所述供气部通过所述气体混合通道连接所述发生部的气流通道，来自气源的气体和由水蒸气发生器输出的水蒸气在气体混合通道中混合后进入所述气流通道，所述气流通道连接等离子反应室。
可选地，其中所述等离子反应室包括喷嘴电极、柱状电极和DBD介质材料，所述喷嘴电极的部分表面被所述DBD介质材料覆盖。
可选地，其中所述喷嘴电极的一端连接所述气流通道，所述喷嘴电极的另一端具有喷射口，所述柱状电极位于所述气流通道的气流方向上，所述柱状电极与所述喷射口之间存在间隙。
可选地，其中所述喷射口位于所述气流通道的气流方向上，所述喷射口的流通面积小于所述气流通道的流通面积，所述柱状电极的端部朝向所述喷射口。
可选地，其中所述气源与所述气体混合通道之间连接有气流阀，所述水蒸气发生器与所述气体混合通道之间连接有水蒸气阀，所述气流阀和所述水蒸气阀均连接至气体混合控制器，所述水蒸气发生器连接有储水盒，所述储水盒为所述水蒸气发生器供水。
可选地，其中所述等离子反应室连接有等离子高压电源，所述等离子高压电源的正极连接所述柱状电极，所述等离子高压电源的负极连接所述喷嘴电极。
可选地，其中所述气体混合通道和气流通道之间连接有混合气体阀，所述混合气体阀用于控制进入所述气流通道的混合气体压力。
可选地，其中所述喷嘴电极的外表面包覆有绝缘层，所述喷嘴电极通过所述绝缘层连接所述气流通道，所述DBD介质材料覆盖于所述喷嘴电极的部分内表面。
可选地，其中所述柱状电极的一端由所述等离子反应室延伸至所述气流通道之中，所述柱状电极与所述DBD介质材料之间存在间隙。
本发明还提供消毒净化设备，其包括所述的羟基等离子发生器。
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)独创水蒸气混合气流等离子发生技术和设备，水分子与氧气协同作用，使氧离子不再反应产生臭氧，能有效产生更多羟基自由基，主要等离子为羟基等离子，减少氧气消耗，相对于仅使用氧气的等离子发生器，工作时间更长；
(2)带有羟基自由基的气流喷射距离更远，消杀范围更大，消杀效率高、效果好，相对于常规消毒剂不产生二次污染，由于采用了DBD介质材料，可实现介质阻挡放电，避免产生臭氧；
(3)能用于空气净化消毒，能对生物气溶胶进行有效消杀，能用于分解有机气体污染物，例如挥发性有机物，也能用于物品表面消杀；
(4)柱状电极的设置同时也起到了导流的作用，混合气流在柱状电机与喷射口之间瞬时被电离转化为羟基自由基，并快速从喷射口流出，减少了不必要的自由基损耗，使尽可能多的自由基被用于净化消杀。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更易于理解，提供部分较佳实施例，作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明实施例提出的羟基等离子发生器的结构示意图。
附图标记：1、喷嘴电极；2、柱状电极；3、DBD介质材料；4、气流通道；5、混合气体阀；6、气体混合通道；7、储水盒；8、水蒸气发生器；9、水蒸气阀；10、气流阀；11、氧气储气罐。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
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”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解术语的具体含义。
本发明实施例公开了羟基等离子发生器，如图1所示，包括相互连接的供气部和发生部，供气部包括气体混合通道，供气部还包括用于安装气源的第一安装座和用于安装水蒸气发生器的第二安装座，发生部包括气流通道，气体混合通道与气流通道均优选为圆形通道，气体混合通道连接有气源和水蒸气发生器，供气部通过气体混合通道连接发生部的气流通道，气体混合通道一端封闭，气体混合通道另一端连通气流通道，来自气源的气体和由水蒸气发生器输出的水蒸气在气体混合通道中按照一定比例混合后进入气流通道，气流通道连接等离子反应室。气源可以是氧气储气罐或压缩空气储罐，水蒸气发生器采用超声波雾化技术，便于实现常温雾化和输出常温水蒸气。气源与气体混合通道之间连接有气流阀，水蒸气发生器与气体混合通道之间连接有水蒸气阀，气流阀和水蒸气阀均连接至气体混合控制器(图中未示出)，气体混合控制器调节气流阀和水蒸气阀的开度，从而调节气体和水蒸气的流量比值，水蒸气发生器连接有储水盒，储水盒为水蒸气发生器供水，储水盒内储存蒸馏水、纯净水或去离子水，优选为去离子水；储水盒内的水可以通过棉芯抽吸、重力驱动或泵送等方式进入水蒸气发生器。
在另一种实施方式中，气源与水蒸气发生器均独立设置，分别通过管道与供气部的气体混合通道连接，形成分体式结构。储水盒可以被输水管代替，输水管连接外部供水管路。
等离子反应室包括喷嘴电极、柱状电极和DBD介质材料，喷射电极为圆环形，柱状电极为圆柱形，喷嘴电极的部分表面被DBD介质材料覆盖；等离子反应室连接有等离子高压电源(图中未示出)，等离子高压电源的正极连接柱状电极，等离子高压电源的负极连接喷嘴电极，柱状电极位于喷嘴电极包围之中，正极连接在内的柱状电极更加安全；等离子高压电源可输出超过6kV的交流电，在可移动设备上可以采用电池和逆变器组合。其中喷嘴电极优选采用紫铜材质，DBD介质材料的规格参数为，体积电阻率>1015Ω·cm，临界击穿电场强度>250kV/cm，相对介电常数>10，吸水率＝0％，热膨胀系数为(6.5-7.5)×10-6mm/K；DBD介质材料优选为氧化铝陶瓷。
喷嘴电极的一端连接气流通道，喷嘴电极的另一端具有喷射口，柱状电极位于气流通道的气流方向上，柱状电极与喷射口之间存在间隙。氧气和水蒸气在该间隙处发生电离，电离后产生的羟基自由基更接近喷射口，更接近待净化消杀对象。为改善流场减小阻力，该喷射口可以设置为喇叭形或圆锥台形，喷射口流通面积外小内大。
喷射口位于气流通道的气流方向上，喷射口的流通面积小于气流通道的流通面积，柱状电极的端部朝向喷射口。喷射口的流通面积减小有助于形成射流，加大喷射距离，在250-300Pa(表压)压力下喷射距离可达15cm-20cm。优选地，喷射口的中心与柱状电极的中心线重合，柱状电极的中心线位于气流通道的中心，在空间上，柱状电极中心线与喷射电极的中心线是重合的，柱状电极侧面与喷射电极内表面相互平行。
气体混合通道和气流通道之间连接有混合气体阀，混合气体阀用于控制进入气流通道的混合气体压力，进而控制混合气体流速和喷射距离。
喷嘴电极的外表面包覆有绝缘层，喷嘴电极通过绝缘层可拆卸地连接气流通道外壁，气流通道的外壁由绝缘材料制作，DBD介质材料覆盖于喷嘴电极的部分内表面。绝缘层保护喷嘴电极，确保安全。
柱状电极的一端由等离子反应室延伸至气流通道之中，混合气体可以绕流于柱状电极表面，柱状电极在气流通道中的端部可以是流线型的圆头，起到一定导流的作用，避免扰流，柱状电极与DBD介质材料之间存在间隙，该间隙为环隙。
在本发明实施例中，羟基等离子发生器的等离子反应室中采用氧气和水蒸气在常温常压条件下，借助等离子高压电源实施强电场电离放电，将氧气和水分子转化为羟基自由基(OH*)和水合电子(eaq-)。
其中以O2气体分子电离为主产生等离子的过程如下：
O2+e→O2++2e (1)
在强电场的作用下，O2+会与H2O分子形成水合离子，其反应式如下：
O2++H2O+M→O2+(H2O)+M (2)
其中以O2电离产生OH*的主要途径为水合离子的分解反应，其反应式如下：
O2+(H2O)+H2O→H3O++O2+OH* (3)
O2+(H2O)+H2O→H3O+(OH)+O2 (4)
H3O+(OH)+H2O→H3O++H2O+OH* (5)
H2O分子的电离、激发反应产生OH*：
2H2O+e→H2O++H2O*+2e (6)
其中的激发态H2O*分子发生分解反应：
H2O*→H*+OH* (7)
H2O+发生分解反应：
H2O++H2O→H3O++OH* (8)
产生以上化学反应需要在等离子反应室中产生强电场，O2、H2O的电离能分别为12.5eV和12.6eV，电子在电场中的能量分布是按麦克斯韦规律分布的，只有电子从电场中取得平均能量大于13eV时，方能电离大部分的O2、H2O分子，才能实现在分子层次上加工成高浓度羟基自由基。电子从外加电场获取能量的大小与电场强度值平方成函数关系，外加折合电场强度E/n达到400Td时(E为放电电场强度，n为气体浓度，1Td＝10-17V*cm2)，电子从外加的激励电场获得平均能量达到13eV。等离子体反应室的放电电场强度达到400Td时，方能满足在分子层次上直接将把O2、H2O变成羟基自由基。
基于以上原理，计算等离子反应室需要的电场强度，混合气体中氧气及水蒸气浓度比例：
O2(x3∑g)+e→O2(B3∑u)+e→O(1D)+O(3P)+e (9)
O2从基态激励到B3∑u高能级状态，再从激发态的氧原子进入下一步电离状态，形成氧离子，需要取得至少12.5eV的能量。
电子从放电电场取得的能量几乎全部传递给了氧气分子和水分子，从而促成氧气分子和水分子的电离，分解成离子、激发态的原子、原子团簇等大量活性粒子，为羟基等离子的形成提供了丰富的基本活性粒子材料。
非平衡等离子体的单位体积内电子取得的总功率与放电电场强度及电子浓度的公式为：
Figure BDA0003891091280000051
式中ne为电子浓度；me为电子质量；υe为电子碰撞频率；ω为等离子体激励频率，Eg为气体放电电场强度。
电子从外加电场取得的能量与其电场强度E、气体浓度(n)成函数关系，通常用折合电场强度E/n来表征电子从电场取得平均能量值的大小，进而表征了气体放电强度、电离强度.电子获得能量与折合电场强度的函数关系。
只有强电离放电的折合场强E/n＞400Td(11)时，才能使大于13eV的电子占有率大幅增加，当电子从电场中获取能量大于13eV时，才能确保H2O、O2的电离。
依据以上条件及公式(1)至(8)，气体混合室中的混合气体水蒸气浓度确定控制在20％-30％，氧气浓度则控制在70％-80％，混合气体气压值确定为250-300Pa(表压)。
依据公式(10)、公式(11)及混合气体的气压条件、气体占比条件，等离子反应室的正负极之间的场强确定为6kV-8kV。本发明中的等离子高压电源提供该电压和场强。
本发明实施例还提供消毒净化设备，其包括所述的羟基等离子发生器。该消毒净化设备可以实施羟基自由基消毒，是一种公认的清洁和安全的技术，用于消除大型空间和物体表面的致病微生物和挥发性有机化合物(VOC)。消毒净化设备具有外壳，外壳内安装羟基等离子发生器，为保证电气安全，外壳设有接地端并连通到大地。
当使用该消毒净化设备对物品进行消杀时，需保持近距离喷射气流，而本发明的喷射距离较远，更加适用。
为验证采用该羟基等离子发生器的消毒净化设备的消杀效果，在实验室内选用酵母菌培养后作为消杀对象分别应用普通氧气等离子杀菌器和本发明的消毒净化设备进行测试。分别准备两批各六组培养基培养酵母菌5小时后，使用ATP荧光检测仪测试第一批六组培养基获得一组数据(见表1)，ATP荧光检测仪型号为FT-ATP，厂家为山东风途物联网科技有限公司。
每六组培养基中的三组培养基作为对照组，另外三组培养基作为试验组，第一批的1至3对照组在无菌环境下放置30min，同时第一批的4至6三组试验组用普通氧气等离子杀菌器持续消杀处理30min，再用ATP荧光检测仪测试六组培养基获得另一组数据(见表2)。
表1第一批培养基酵母菌培养5小时后ATP显示测试数值
第一组 28340
第二组 35700
第三组 26780
第四组 24578
第五组 27890
第六组 31200
表2第一批培养基用普通氧气等离子杀菌器持续消杀处理30min后ATP显示测试数值
第一组 29345
第二组 34690
第三组 25689
第四组 10
第五组 4
第六组 9
第二批六组培养基也先用ATP荧光检测仪测试获得一组数据(见表3)；第二批的1至3对照组在无菌环境下放置5min，同时第二批的4至6三组试验组用本发明的消毒净化设备持续消杀处理5min，再用ATP荧光检测仪测试六组培养基获得另一组数据(见表4)。
表3第二批培养基酵母菌培养5小时后ATP显示测试数值
第一组 30314
第二组 25798
第三组 31821
第四组 30420
第五组 28976
第六组 30120
表4第二批培养基用本发明的消毒净化设备持续消杀处理5min后ATP显示测试数值
第一组 31240
第二组 26790
第三组 31610
第四组 0
第五组 0
第六组 0
对比可知，应用本发明的羟基等离子发生器的消毒净化设备杀菌效果显著，持续工作仅5min，杀菌效率(ATP显示测试数值消杀前后差值除以消杀前数值)可达100％。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.羟基等离子发生器，其特征在于，包括相互连接的供气部和发生部，所述供气部包括气体混合通道，所述发生部包括气流通道，所述气体混合通道连接有气源和水蒸气发生器，所述供气部通过所述气体混合通道连接所述发生部的气流通道，来自气源的气体和由水蒸气发生器输出的水蒸气在气体混合通道中混合后进入所述气流通道，所述气流通道连接等离子反应室。
2.根据权利要求1所述的羟基等离子发生器，其中所述等离子反应室包括喷嘴电极、柱状电极和DBD介质材料，所述喷嘴电极的部分表面被所述DBD介质材料覆盖。
3.根据权利要求2所述的羟基等离子发生器，其中所述喷嘴电极的一端连接所述气流通道，所述喷嘴电极的另一端具有喷射口，所述柱状电极位于所述气流通道的气流方向上，所述柱状电极与所述喷射口之间存在间隙。
4.根据权利要求3所述的羟基等离子发生器，其中所述喷射口位于所述气流通道的气流方向上，所述喷射口的流通面积小于所述气流通道的流通面积，所述柱状电极的端部朝向所述喷射口。
5.根据权利要求1至4任一项所述的羟基等离子发生器，其中所述气源与所述气体混合通道之间连接有气流阀，所述水蒸气发生器与所述气体混合通道之间连接有水蒸气阀，所述气流阀和所述水蒸气阀均连接至气体混合控制器，所述水蒸气发生器连接有储水盒，所述储水盒为所述水蒸气发生器供水。
6.根据权利要求2至4任一项所述的羟基等离子发生器，其中所述等离子反应室连接有等离子高压电源，所述等离子高压电源的正极连接所述柱状电极，所述等离子高压电源的负极连接所述喷嘴电极。
7.根据权利要求1至4任一项所述的羟基等离子发生器，其中所述气体混合通道和气流通道之间连接有混合气体阀，所述混合气体阀用于控制进入所述气流通道的混合气体压力。
8.根据权利要求2至4任一项所述的羟基等离子发生器，其中所述喷嘴电极的外表面包覆有绝缘层，所述喷嘴电极通过所述绝缘层连接所述气流通道，所述DBD介质材料覆盖于所述喷嘴电极的部分内表面。
9.根据权利要求2至4任一项所述的羟基等离子发生器，其中所述柱状电极的一端由所述等离子反应室延伸至所述气流通道之中，所述柱状电极与所述DBD介质材料之间存在间隙。
10.消毒净化设备，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的羟基等离子发生器。
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CN202087222U (zh) * 2010-11-22 2011-12-28 大连海事大学 氧活性粒子在气体中形成羟基自由基设备
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