CN116157197B - 控制氮氧化物的方法和装置和制备含氮氧化物的水的方法 - Google Patents
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Abstract
控制氮氧化物的方法包括如下步骤：调整注入电弧型等离子体发生装置的气体的流量；和检测生成的氮氧化物的浓度，同时调整注入的气体的每单位流量的能量值。
Description
技术领域
提供了控制氮氧化物(NOx)的方法和装置和制备含氮氧化物的水的方法。
背景技术
自从R.F.Furchgott、L.J.Ignarro和F.Murad在1998年因发现氮氧化物中的一氧化氮(NO)在活细胞中发挥信号分子的作用而获得诺贝尔奖以来，学术界对一氧化氮的兴趣迅速蔓延，一氧化氮的益处已在动物和植物中被发现。
特别是，由于一氧化氮具有激活细胞的能力，当包含一氧化氮的水定期地施用于伤口时，伤口可以迅速再生而得以治愈。例如，当伤口暴露在包含一氧化氮的水中时，伤口表面被清洗，附着或寄生在伤口表面的微生物被消毒。此外，线状静脉被扩张，血液循环变得良好，细胞增殖变得活跃，以及蛋白质增殖变得良好。因此，伤口中巨噬细胞大量增加，成纤维细胞迅速增殖，使伤口能够快速愈合。
为了制备包含氮氧化物例如一氧化氮的水，已经对能够适当地产生和控制氮氧化物的技术进行了研究。
在相关技术中，已经进行了使用微波等离子体发生装置产生氮氧化物的研究。然而，相关技术中的微波等离子体发生装置是昂贵的系统，其具有需要辅助装置例如调配器的复杂匹配结构，并且由于该装置很笨重，所以移动性差。此外，由于传统的微波等离子体发生装置会发出高温火焰，因此需要增加冷却装置。由于磁控管热量的能量损失，微波等离子体发生装置的电能效率相对较低，而且相对于输入功率生成的氮氧化物量较少。
公开
技术问题
示例性实施方案是通过促进氮氧化物的控制来实现优秀的氮氧化物生产效率。
示例性实施方案是降低成本，同时实现氮氧化物控制的优异移动性。
除上述目的外，根据本发明的示例性实施方案可用于实现未具体提及的其他目的。
技术方案
本发明的示例性实施方案提供了控制氮氧化物(NOx)的方法，其包括：调整注入电弧型等离子体发生装置的气体的流量，和识别生成的氮氧化物的浓度，同时调整注入的气体的每单位流量能量，其中电弧型等离子体发生装置包括内电极和面向内电极的外电极，该装置提供注入内电极和外电极之间的氧气、氮气、或其混合气体，和向内电极和外电极施加电压以生成包含氮氧化物的电弧型等离子体。
识别氮氧化物的浓度可以包括识别氮氧化物的浓度随着气体的每单位流量能量的增加而先增加后减少。
识别氮氧化物的浓度可以包括识别生成的氮氧化物的浓度是最大值，而输入电压是最小的。
本发明的示例性实施方案提供了电弧型等离子体发生装置，其包括：内电极和面向内电极的外电极，其中电弧型等离子体发生装置提供注入内电极和外电极之间的氧气、氮气、或混合气体，向内电极和外电极施加电压以生成包含氮氧化物的电弧型等离子体，和通过调整注入的气体的流量来控制氮氧化物的浓度。
内电极可以是棒状的，在纵向上其一部分可以是中空的，其他部分可以不是空心的，外电极可以环绕内电极并具有倾斜的结构，其外周长在纵向上逐渐地先增加后减少。
内电极可以通过电动机360度旋转，并且外电极可以环绕内电极。
本发明的示例性实施方案提供了制备氮氧化物(NOx)的方法，其包括：将氧气、氮气、或其混合气体注入电弧型等离子体发生装置；旋转注入的气体；在电弧型等离子体发生装置内部生成电弧型等离子体，和生成氮氧化物气体。
本发明的示例性实施方案提供了制备含氮氧化物(NOx)的水的方法，其包括：将氧气、氮气、或其混合气体注入电弧型等离子体发生装置；旋转注入的气体；在电弧型等离子体发生装置内部生成电弧型等离子体；生成氮氧化物气体；去除作为溶解气体的氧气，和储存含NOx的水。
该方法可以进一步包括：从含NOx的水中去除作为溶解气体的氧气。
该方法可以进一步包括：冷却和储存含NOx的水。
有益效果
根据示例性实施方案，通过促进氮氧化物的控制，可以实现优秀的氮氧化物生产效率，且可以降低成本，同时实现氮氧化物控制的优异移动性。
附图说明
图1是通过举例说明滑动电弧型等离子体发生装置的视图。
图2是通过举例说明在滑动电弧型等离子体发生装置中生成的等离子体的照片。
图3是说明根据示例性实施方案的旋转电弧型等离子体发生装置的图。
图4是说明根据示例性实施方案的旋转电弧型等离子体发生装置的图。
图5是说明根据图2的滑动电弧型等离子体发生装置中生成的氮氧化物的浓度的图。
图6是说明根据图4的旋转电弧型等离子体发生装置中生成的氮氧化物的浓度的图。
图7是说明根据图4的旋转电弧型等离子体发生装置中输入电压和生成的氮氧化物的浓度的图。
图8是说明在相关技术的微波等离子体发生装置和根据图2的滑动电弧型等离子体发生装置中生成的氮氧化物的浓度的图。
图9是说明当根据图4的旋转电弧型等离子体发生装置中的电动机的旋转速度为600rpm时的放电强度的图。
图10是说明当根据图4的旋转电弧型等离子体发生装置中的电动机的旋转速度为3600rpm时的放电强度的图。
发明的实施方式
下面将参考附图更全面地描述本发明的示例性实施方案，以便本领域的普通技术人员可以很容易地实施这些方案。正如本领域的技术人员所认识到的那样，所描述的示例性实施方案可以用各种不同的方式进行修改，所有这些都不会偏离本发明的精神或范围。因此，附图和描述应被视为是说明性的，而不是限制性的。在整个说明书中，类似的附图标记表示类似的技术特征。另外，对已知技术的详细描述将被省略。
在整个本说明书中，除非有明确的相反描述，否则“包括”一词，及其变体例如“包含”和“含”应理解为暗示包括提到的技术特征，但不排除任何其他技术特征。
下面，将详细描述根据示例性实施方案的控制氮氧化物的方法和装置。
为了控制氮氧化物，等离子体发生装置生成电弧型等离子体，由于不需要复杂的匹配装置例如调配器，也不需要单独的冷却装置，可以很容易地控制氮氧化物的生成。例如，电弧型等离子体可以是滑动电弧型等离子体、旋转电弧型等离子体等。滑动电弧型等离子体可以通过注入旋流气体生成。旋转电弧型等离子体可以通过旋转电极生成或通过注入旋流气体而不旋转电极生成。此外，旋转电弧型等离子体可以通过旋转电极和同时注入漩流气体生成，在这种情况下，氮氧化物的生成可以得到更有效的控制。由于产生滑动电弧型等离子体的装置不需要驱动装置例如电动机，该装置比需要驱动装置例如电动机的旋转电弧型等离子体的装置更简单，而且有更好的移动性。然而，由于滑动电弧型和旋转电弧型等离子体发生装置都不使用需要复杂匹配结构的昂贵、笨重的微波系统，它们的价格相对较低，并有优秀的移动性。此外，对于电弧型等离子体，其相对于输入功率的氮氧化物生成率比微波等离子体的高。
根据示例性实施方案的电弧型等离子体发生装置包括内电极和面向内电极的外电极，并提供注入内电极和外电极之间的氧气、氮气、或其混合气体，向内电极和外电极施加电压以生成包含氮氧化物的电弧型等离子体，和通过调整注入的气体的流量控制氮氧化物的浓度。
例如，为了生成滑动电弧型等离子体，可以使用具有图1所示形状的内电极和外电极。图1是通过举例说明滑动电弧型等离子体发生装置的视图，图2是通过举例说明在滑动电弧型等离子体发生装置中生成的等离子体的照片。
参考图1，滑动电弧型等离子体发生装置包括棒状的内电极，在纵向上其一部分是中空的，其他部分不是中空的，和环绕内电极且包含倾斜的表面的外电极，电源被提供给内电极和外电极。气体可以注入内电极下端的中空部分。例如，气体可以是氧气、氮气、或氧气和氮气的混合物。注入内电极下端的气体经过内电极的中空部分，并且该气体从内电极的中间部分通过漩流气体出口螺旋式地排放到外部。这里，有两个漩流气体出口，漩流气体出口的数量可以根据需要进行调整。参考图2，其显示了通过喷嘴生成的长度约26mm的氮氧化物电弧型等离子体，外电极位于喷嘴内部。外电极具有以蜡烛形状倾斜的结构。例如，外电极可以具有外周长在纵向上逐渐地先增加后减少的结构。由于这种结构的外电极有开放的等离子体出口，其很容易运行和制造。
滑动电弧型等离子体可以由具有蜡烛形倾斜的结构的内电极和以圆筒形状环绕内电极的外电极的等离子体发生装置生成。然而，在具有这种结构的等离子体发生装置中，由于将内电极形成为具有球形，且球形内电极需要加工，因此内电极的结构很复杂，制造难度很高。
此外，为了生成旋转电弧型等离子体，可以使用具有图3或图4所示形状的内电极和外电极。
图3是说明根据示例性实施方案的旋转电弧型等离子体发生装置的图，图4是说明根据示例性实施方案的旋转电弧型等离子体发生装置的图。
参考图3，旋转电弧型等离子体发生装置包括通过电动机360度旋转的内电极和以圆筒形状环绕内电极的外电极，电源被提供给内电极和外电极。这里，内电极是棒状电极。当气体，如氧气、氮气、或氧气和氮气的混合气体通过气体入口注入时，就会生成氮氧化物旋转电弧型等离子体。图3右边的照片显示，电动机的旋转速度为45Hz，放电次数为90次/秒，例如，当内电极旋转一次时，放电进行两次。当电动机的旋转速度增加时，放电次数可以增加。因此，通过调整电动机的旋转速度，可以更容易地控制氮氧化物的浓度。
参考图4，旋转电弧型等离子体发生装置通过电动机旋转360度，该装置包括具有水平圆盘结构的内电极和环绕内电极的圆柱形外电极，电源被提供给内电极和外电极。
在旋转电弧型等离子体发生装置中，电动机的旋转速度Mrpm可以满足下面的式1。
[式1]
0<Mrpm<施加的电源的频率f
这里，如果电动机的旋转速度大于施加在等离子体发生装置上的电源的频率，可能不容易形成放电路径，因此放电电流的大小可能减少，结果是氮氧化物的浓度可能显著下降。
根据示例性的实施方案的控制氮氧化物的方法包括调整注入电弧型等离子体发生装置的气体流量，和检查生成的氮氧化物的浓度，同时调整注入的气体的每单位流量能量。
例如，检查氮氧化物的浓度可以包括识别氮氧化物的浓度随着气体的每单位流量能量的增加而先增加后减少。
图5是说明根据图2的滑动电弧型等离子体发生装置中生成的氮氧化物的浓度的图。
参考图5，X轴是比能(SE)，其表示注入的气体的每单位流量能量(J/L)。例如，当注入流量为10L/分钟，施加的能量为100W(J/s)时，比能为600J/L(＝100J/s/10L/分钟)。可以看出，当SE大约为1600J/L时，生成的氮氧化物的浓度是最大值。因此，通过调整注入气体的流量，可以更容易地控制生成的氮氧化物的浓度。
此外，检查氮氧化物的浓度可以包括识别生成的氮氧化物的浓度是最大值，而输入电压是最小的。
图6是说明图4的旋转电弧型等离子体发生装置中生成的氮氧化物的浓度的图，图7是说明图4的旋转电弧型等离子体发生装置中输入电压和生成的氮氧化物的浓度的图。
参考图6，X轴表示氮气与氧气的比例。可以看出，氮氧化物的浓度在与空气中所含的氧气和氮气的比例相似时达到最大。因此，通过调整注入的气体中氧气和氮气的比例，可以更容易地控制生成的氮氧化物的浓度。
参考图7，X轴是比能(SE)，其表示注入的气体的每单位流量能量(J/L)。可以看出，当SE大约为1400J/L至1500J/L时，生成的氮氧化物的浓度是最大值，而输入电压是最小的。因此，通过调整注入的气体的流量，可以控制生成的氮氧化物的浓度是最大的，而所需的能量是最小的。
图8是说明在相关技术的微波等离子体发生装置和根据图2的滑动电弧型等离子体发生装置中生成的氮氧化物的浓度的图。
参考图8，当施加650W时，相关技术的微波等离子体发生装置中的氮氧化物的浓度约为16000ppm，而根据图2的滑动电弧型等离子体发生装置中的氮氧化物的浓度约为26000ppm。因此，可以看出在使用滑动电弧型等离子体发生装置的情况下，相对于输入功率的生成的氮氧化物的浓度更高。
图9是说明当根据图4的旋转电弧型等离子体发生装置中的电动机的旋转速度为600rpm时的放电强度的图，图10是说明当根据图4的旋转电弧型等离子体发生装置中的电动机的旋转速度为3600rpm时的放电强度的图。
参考图9和图10，可以看出当电动机的旋转速度高时，内电极的旋转速度快，放电强度(对应电流)增加，放电次数增加。
下面，将详细描述根据示例性实施方案使用电弧型等离子体发生装置制备氮氧化物的方法。
制备氮氧化物的方法包括将氧气、氮气、或其混合气体注入电弧型等离子体发生装置，旋转注入的气体，在电弧型等离子体发生装置内部生成电弧型等离子体，和生成氮氧化物气体。
下面，将详细描述根据示例性实施方案使用电弧型等离子体发生装置制备含NOx的水的方法。
制备含NOx的水的方法包括生成氮氧化物气体，生成氮氧化物水，去除作为溶解气体的氧气，和储存NOx水。
生成氮氧化物气体包括根据示例性实施方案通过电弧型等离子体发生装置生成氮氧化物。
例如，生成氮氧化物气体包括将氧气、氮气、或其混合气体注入电弧型等离子体发生装置，旋转注入的气体，和在电弧型等离子体发生装置内部生成电弧型等离子体，和生成氮氧化物气体。
这里，电弧型等离子体发生装置在常压(大气压)下生成等离子体。由于各种电极结构、驱动频率和条件的不同，常压(大气压)等离子体具有非常不同的特性，并具有各种优势，例如高温以及低温工艺，活性物种的高密度，和快速处理时间。
此外，大气压等离子体的应用领域非常多样化，特别是由于可以利用具有强氧化力或高反应性的物种对大气压等离子体进行干式处理，因此大气压等离子体可用于生物/医学领域和食品工业，例如食物消毒、生物膜去除、和有机膜去除。
氮氧化物水的生成包括通过在蒸馏水中对生成的氮氧化物气体进行等离子体处理来生成含NOx的水。
与相关技术不同的是，等离子体被用于废水处理和后处理工艺，例如降低COD和BOD、脱色、和除臭，用等离子体处理的蒸馏水或溶液可用于前处理工艺。等离子体处理的蒸馏水被称为等离子体处理的水，其具有良好的消毒能力，可以取代臭氧水作为消毒水。所谓的“等离子体处理的水”可以通过直接或间接地将大气压等离子体暴露于蒸馏水中而产生。
大气压等离子体用各种放电气体进行放电，例如氦气、氩气、氮气等，但待生成的等离子体处理的水中含有的化学物种是根据放电气体决定。例如，通过使用氧气或氧气和其他气体的混合气体作为放电气体，可以生成具有高消毒能力的臭氧或氧活性物种。此外，溶解在等离子体处理的水中的化学物种将根据等待时间而改变。例如，制造肉制品所必需的合成亚硝酸盐，可以用等离子体处理的水代替。此时，等离子体处理的水中含有的亚硝酸根(Nitrite ion，NO2 -)和硝酸根(Nitrate ion，NO3 -)曾经是重要的，但由于亚硝酸根根据等待时间减少，等离子体处理的水可以被适当地控制。
[反应式1]2NO(g)+O2(g)→2NO2(g)
[反应式2]NO+NO2+H2O→2NO2 -+2H+
[反应式3]2NO2+H2O→NO2 -+NO3 -+2H+
[反应式4]3NO2(g)+H2O(l)→2HNO3(aq)+NO(g)
[反应式5]4NO2(g)+O2(g)H2O(l)→4HNO3(aq)
[反应式6]NO+OH+M→HNO2+M
[反应式7]NO2+OH+M→HNO3+M
溶解在等离子体处理的蒸馏水中的亚硝酸的pK值为3.37，在pH值为3.37的溶液中，亚硝酸的50％解离生成亚硝酸根，在pH值为5.5或更高的溶液中，亚硝酸的99％解离为亚硝酸根(反应式8)。
[反应式8]
根据反应式2和反应式3结合的计量反应，亚硝酸经历了中间化学反应，最后发生了歧化反应，生成了一氧化氮、硝酸根、氢离子、和水。也就是说，亚硝酸随着时间的推移被分解和降低浓度，其分解率由溶液的温度和亚硝酸的初始浓度决定。亚硝酸的初始浓度和溶液的温度越高，分解率就越高。相应地，随着处理的水的等待时间，亚硝酸减少同时硝酸根增加，这是由亚硝酸的歧化作用引起的，反应式如下。
3HNO2→2NO+NO3 -+H++H2O
在作为溶解气体的氧气的去除中，氧气从制备的含NOx的水中被去除。例如，去除溶解的氧气可以通过真空法、吹氮法、或两者实现。真空法是使用真空泵对空气减压的方法。吹氮法是通过吹气相中的氮气从水中去除氧气的方法。
每个化学物种的浓度根据储存期变化。例如，在制备的含NOx的水中，包括亚硝酸根在内的NO的浓度下降，而硝酸根增加。根据存在于制备的含NOx的水中的氧气浓度，亚硝酸和亚硝酸根的总和随着储存期的推移而减少。例如，当溶解的氧气的浓度较高时，亚硝酸和亚硝酸根的还原率在储存期内增加。当含氮氧化物的水中的溶解的氧气的浓度被降低和被储存时，可以防止由于溶解的氧气导致的一氧化氮的减少，从而降低亚硝酸根的还原率。在使用低温等离子体(DBD、电晕等)的情况下，溶解的臭氧也应被去除。
氮氧化物水的储存包括冷却和储存含NOx的水。
冷却温度可以为-80摄氏度至20摄氏度，优选地，在-80摄氏度至0摄氏度的温度下冷却氮氧化物水。由于亚硝酸的分解率与温度成比例，当氮氧化物水在较低的温度下储存时，可以降低亚硝酸和亚硝酸根的分解率。
在含NOx的水中，亚硝酸根和亚硝酸以特定的比例存在，这取决于溶液的pH值，因此，有必要提高pH值(4.5至13)。亚硝酸最后通过歧化反应分解成一氧化氮、硝酸根离、氢离子、和水，因此，有必要提高pH值(4.5至13)。分解率由亚硝酸的初始浓度、溶液的储存温度、溶解的氧气和溶解的臭氧的浓度决定，因此，有必要去除溶解的氧物种。
本发明的示范性实施例已被详细描述，但本发明的范围并不限于此，本领域技术人员利用权利要求书中定义的本发明的基本概念进行的各种变型和修改也属于本发明的范围。
Claims (9)
1.一种控制氮氧化物NOx的方法，所述方法包括：
调整注入电弧型等离子体发生装置的气体的流量，和
识别生成的氮氧化物的浓度，同时调整注入的气体的每单位流量能量，
其中所述电弧型等离子体发生装置
包括内电极和面向所述内电极的外电极，
提供注入所述内电极和所述外电极之间的氧气、氮气、或其混合气体，和
向所述内电极和所述外电极施加电压以生成包含氮氧化物的电弧型等离子体，并且
所述内电极是棒状的，所述外电极环绕所述内电极，所述内电极和所述外电极之间的间隙在所述内电极的纵向上逐渐地彼此远离，且滑动电弧在所述间隙之间发生。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
识别所述氮氧化物的浓度包括识别所述氮氧化物的浓度随着所述气体的每单位流量能量的增加而先增加后减少。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
识别所述氮氧化物的浓度包括识别所述生成的氮氧化物的浓度是最大值，而输入电压是最小的。
4.一种电弧型等离子体发生装置，其包括：
内电极和面向所述内电极的外电极，
其中所述电弧型等离子体发生装置提供注入所述内电极和所述外电极之间的氧气、氮气、或其混合气体，
向所述内电极和所述外电极施加电压以生成包含氮氧化物的电弧型等离子体，和
通过调整所述注入的气体的流量来控制所述氮氧化物的浓度，
其中所述内电极是棒状的，所述外电极环绕所述内电极，所述内电极和所述外电极之间的间隙在所述内电极的纵向上逐渐彼此远离，且滑动电弧在所述间隙之间发生，
其中所述内电极通过电动机360度旋转，其中电动机旋转速度Mrpm满足0<Mrpm<施加的电源的频率f。
5.根据权利要求4所述的电弧型等离子体发生装置，其中：
所述内电极是棒状的，在纵向上其一部分是中空的，其他部分不是中空的，
所述外电极环绕所述内电极并具有倾斜的结构，其外周长在纵向上逐渐地先增加后减少。
6.一种制备氮氧化物NOx的方法，所述方法包括：
将氧气、氮气、或其混合气体注入电弧型等离子体发生装置；
旋转注入的气体；
在所述电弧型等离子体发生装置内部生成电弧型等离子体，和
生成氮氧化物气体，
其中所述电弧型等离子体发生装置包括内电极和外电极，所述内电极是棒状的，所述外电极环绕所述内电极，所述内电极和所述外电极之间的间隙在所述内电极的纵向上逐渐彼此远离，且滑动电弧在所述间隙之间发生。
7.一种制备含氮氧化物NOx的水的方法，所述方法包括：
将氧气、氮气、或其混合气体注入电弧型等离子体发生装置；
旋转注入的气体；
在所述电弧型等离子体发生装置内部生成电弧型等离子体；
生成氮氧化物气体；
去除作为溶解气体的氧气，和
储存含NOx的水，
所述电弧型等离子体发生装置包括内电极和外电极，所述内电极是棒状的，所述外电极环绕所述内电极，所述内电极和所述外电极之间的间隙在所述内电极的纵向上逐渐彼此远离，且滑动电弧在所述间隙之间发生。
8.根据权利要求7所述的方法，其还包括：
从所述含NOx的水中去除作为溶解气体的氧气。
9.根据权利要求8所述的方法，其还包括：
冷却和储存所述含NOx的水。
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