CN117247084A - 一种等离子体活化水的制备方法及制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于等离子体活化水制备领域，具体涉及一种等离子体活化水的制备方法及制备装置，方法包括在盛有待活化水溶液的容器内放置高压电极，其中，容器底部设置有进气口，容器的内部在进气口的周围设置有导气槽，高压电极悬空放置在导气槽内；容器的顶部相对高压电极对称的设置有偶数个出气口；在容器的外部通过进气口向导气槽的底部通入气流，在导气槽的引导下，气流沿着高压电极周围将水溶液排开并经出气口流出，此时高压电极周围形成一段气腔，且气腔的高度满足高压电极的区域完全不与水腔中的水接触；控制处于气腔的气体放电产生等离子体并将容器内的水活化。本发明在高压电极与地电极之间不存在放电回路之外的传导电流，降低活化水制备能耗。
Description
技术领域
本发明属于等离子体活化水制备领域，更具体地，涉及一种等离子体活化水的制备方法及制备装置。
背景技术
研究表明，气体放电产生的等离子体中具有O3、NO、NO2、OH、O等活性成分，这些活性成分与水发生相互作用后会在水中生成过氧亚硝酸、过氧化氢、亚硝酸、硝酸等物质，这些物质具有较高的氧化还原电位，能够有效杀灭病原体、降解有害物质。因此等离子体活化水在杀菌消毒、果蔬清洗及保险、污水处理等方面具有较大的应用前景。
传统的等离子体活化水制备方法为，先在气相进行放电，而后将产生的等离子体通入液相中，这种制备方法的缺陷是等离子体中短寿命的活性粒子在与液相相互作用前就已经猝灭。针对传统技术的弊端，研究人员将两个电极置于水中，并利用各种技术手段在两个电极之间产生气泡通道，等离子体放电沿着气泡通道发生。气泡通道法虽然在水中产生放电，并使产生的等离子体充分与液相接触，但由于其两个电极均在水中，除了沿着气泡通道发生放电外，还会在液相中产生较大的传导电流，这大大增加了等离子体活化水的能耗。
因此，需要一种既能在液相中产生放电，提高等离子体活化水的效率，又能避免两电极之间直接产生传导电流，降低等离子体活化水能耗的技术手段。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种等离子体活化水的制备方法及制备装置，其目的在于克服传统等离子体活化水中气泡通道法电极间传导导电流增加能耗的缺陷。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种等离子体活化水的制备方法，包括：
在盛有待活化水溶液的容器内放置高压电极，其中，所述容器的底部设置有进气口，所述容器的内部在所述进气口的周围设置有导气槽，所述高压电极悬空放置在所述导气槽内；所述容器的顶部相对所述高压电极对称的设置有偶数个所述出气口；
在所述容器的外部通过所述进气口向所述导气槽的底部通入气流，气流参数以及容器结构参数满足：在所述导气槽的引导下，所述气流沿着高压电极周围将水溶液排开并经所述出气口流出，此时高压电极周围形成一段气腔，且气腔的高度满足高压电极的区域完全不与水腔中的水接触；
向所述高压电极通电，处于所述气腔的气体开始放电产生等离子体并将容器内的水活化，实现等离子体活化水的制备。
进一步，所述进气口位于所述导气槽的底部中心位置，且所述高压电极放置在所述导气槽的轴线上。
本发明还提供一种等离子体活化水的制备装置，用于执行如上所述的一种等离子体活化水的制备方法，包括：容器，放电系统，以及气泵；
所述容器的底部设置有进气口，所述容器内部在所述进气口的周围设置有导气槽，用于容纳所述高压电极并引导气流在高压电极周围形成一段气腔；所述容器的顶部相对所述高压电极对称的设置有偶数个所述出气口；
所述气泵用于通过所述进气口向所述导气槽通气；
所述放电系统包括高压电极和阴极，所述阴极设置在水溶液中，所述高压电极悬空放置在所述导气槽内。
进一步，所述进气口上设置单向阀，在所述容器的外部通过所述单向阀向所述导气槽的底部通入气流。
进一步，所述导气槽的高度远低于所述高压电极的长度；所述高压电极以及连接高压电极与放电系统中的高压电源的绝缘导线一同被绝缘介质包裹；所述容器中的液面低于所述容器的顶部，所述容器的由所有所述出气口所围起的顶部位置设计为可被气流充起的气柱帽，气流沿着所述高压电极周围向上运动至所述气柱帽时改变运动方向从所述出气口排出。
进一步，所述气柱帽为伞形。
进一步，所述导气槽为圆形柱状结构，其内侧壁呈螺旋线形状。
进一步，所述导气槽的高度不低于所述高压电极悬空在所述容器中的高度；所述导气槽的侧壁均匀设置阵列通孔；当气流沿着所述高压电极周围向上运动时，所述高压电极周围的水流通过所述通孔从所述导气槽中排出。
进一步，当所述容器中的液面低于所述容器的顶部时，所述高压电极周围的水流还通过液面以上的容器空间排开。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提出的方法，在水中发生放电，产生的等离子体直接与周围的水接触并发生相互作用，等离子体中的各种活性成分被水充分吸收，活化水制备效率高，特别地，本发明方法是在高压电极周围产生一段气柱，放电发生在该气柱内，气腔的高度满足高压电极的区域完全不与水腔中的水接触，从而在在高压电极与地电极之间不存在放电回路之外的传导电流，大大降低了活化水制备过程中的能耗。
(2)本发明为实现上述方法，提出了两种制备装置，针对有介质包裹的高压电极放电场景和无介质包裹的高压电极放电场景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种等离子体活化水的制备方法流程框图；
图2为本发明实施例提供的一种等离子体活化水的制备装置结构示意图；
图3为本发明实施例提供的气柱帽结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种等离子体活化水的制备装置结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种导气槽的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为高压电极，2为绝缘导线，3为介质，4为地电极，5为高压电源，6为气泵，7为进气口，8为单向阀，9为导气槽，10为气腔，11为气柱帽，12为出气口，13为水腔，14为出水口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
一种等离子体活化水的制备方法，如图1所示，包括：
在盛有待活化水溶液的容器内放置高压电极，其中，该容器的底部设置有进气口，容器的内部在进气口的周围设置有导气槽，高压电极悬空放置在导气槽内；容器的顶部相对高压电极对称的设置有偶数个出气口；
在容器的外部通过进气口向导气槽的底部通入气流，气流参数以及容器结构参数满足：在导气槽的引导下，气流沿着高压电极周围将水溶液排开并经出气口流出，此时高压电极周围形成一段气腔，且气腔的高度满足高压电极的区域完全不与水腔中的水接触；
向高压电极通电，处于气腔的气体开始放电产生等离子体并将容器内的水活化，实现等离子体活化水的制备。
出气口至少有两个，本实施例提出的方法，在水中发生放电，产生的等离子体直接与周围的水接触并发生相互作用，等离子体中的各种活性成分被水充分吸收，活化水制备效率高，特别的，本方法是在高压电极周围产生一段气柱，放电发生在该气柱内，气腔的高度满足高压电极的区域完全不与水腔中的水接触，从而在在高压电极与地电极之间不存在放电回路之外的传导电流，大大降低了活化水制备过程中的能耗。
可作为优选的实施方式，上述进气口位于导气槽的底部中心位置，且高压电极放置在导气槽的轴线上，以保证形成的气腔是一个规则的圆环柱体或正方体形状，该规则的具体形状由导气槽与高压电极围成的形状决定。
实施例二
一种等离子体活化水的制备装置，用于执行如上实施例一所述的一种等离子体活化水的制备方法，包括：容器，放电系统以及气泵；
容器的底部设置有进气口，容器内部在进气口的周围设置有导气槽，用于容纳高压电极并引导气流在高压电极周围形成一段气腔；容器的顶部相对高压电极对称的设置有偶数个出气口；气泵用于通过进气口向导气槽通气；放电系统包括高压电极和地电极，地电极设置在水溶液中，高压电极悬空放置在导气槽内。
本装置直接将水作为地电极，在高压电极与水之间的较小间隙发生放电，所需要的放电电压较低。
可作为优选地实施方式，进气口上设置单向阀，在容器的外部通过单向阀向导气槽的底部通入气流。
另外，高压电极的材料可为良好导体，可以是不锈钢、钨、铜等直接插入介质管中，再以导电胶或焊锡等浸润使其充满整个介质管，也可以直接使用导电胶或者焊锡直接填充介质管。
绝缘导线为耐压值为30kV的绝缘导线，其一端伸入介质管中并于高压电极相连，另一端与高压电源相连，并由绝缘填充物将其与介质管间的空隙填充满。绝缘填充物包括但不限于环氧树脂胶、硅胶等材料。
地电极的材料为良好导体，可以是不锈钢、钨、铜、碳等材料，地电极直接插入水腔中并直接接地。
高压电源可以实施为交流电源或脉冲电源。
气泵为任意，可以提供大于50L/min气体流速的泵。
容器进气口上的单向阀为任意能实现流体单向传输的结构，最简单的实施方式为一个密封性好的单向活动的橡胶塞。
出气口可以同时承担气体出口和水入口的作用，于活化水装置的顶部开孔形成。
容器上还可设置出水口，其作用是将活化好的水从腔体中放出，其位置位于活化水装置的下部。
为了实现上述方案，具体的，现给出如下装置：
装置一：如图2所示，图2中高压电极以及连接高压电极与放电系统中的高压电源的绝缘导线一同被绝缘介质包裹；导气槽的高度远低于高压电极的长度；容器中的液面低于容器的顶部，容器的由所有出气口所围起的顶部位置设计为可被气流充起的气柱帽(结构如图3所示)，气流沿着高压电极周围向上运动至气柱帽时改变运动方向从出气口排出。
可作为优选的，气柱帽为伞形，形成的气柱尺寸较为均匀。
可作为优选的，导气槽为圆形柱状结构，其内侧壁呈螺旋线形状，便于使气柱更薄，即气流更好地附着于高压电极上，形成的气腔厚度较薄。
高压电极1与介质3(为绝缘材料)构成介质阻挡放电结构，通过绝缘导线2与高压电源5相连，绝缘导线2穿过气柱帽11，并通过绝缘填充的方式固定于气柱帽11上，如使用环氧树脂灌封胶或者硅胶进行绝缘封装。地电极4为良好导体，直接插入水腔中并接地。高压电源5采用脉冲电源或交流电源的形式。气泵6作用为产生高流速气体注入装置内部，进气口7为高流速气体注入装置内部的通道，单向阀8的作用是让气体能从装置外注入装置内部，而装置内部的水不能流出到装置外部。导气槽9的作用是引导高流速气体的喷涌方向，使其能够围绕高压电极运动。气腔10由高流速气体排开水后形成，气柱帽11作用为引导高流速气体向两边扩散，而不直接以气泡形式离开液面。出气口12用于泄放通入装置内部的气体，同时作为进水口可以往装置内部加水。水腔13作为活化水装置内容纳水的容器。从出水口14将活化好的水放出腔体。
介质3作为介质阻挡放电覆盖于高压电极上的介质，其材料包括但不限于陶瓷、石英、玻璃等材料。其形状为圆管、方管等管状。
气柱帽11作用为引导高流速气体向高压电压两边的去容器区域扩散，而不直接以冒泡的形式向上逃逸，其形状可以实施为伞形、倒锥型、平板型，其中，伞形效果较佳。
在该装置中，具体高压电极1采用直径为3mm，长度为4cm的铜柱，并以熔融焊锡填充满高压电极1与介质3之间的空隙，绝缘导线2采用耐压值为30kV的高压导线，并且一端与高压电极1焊接在一起，另一端与高压电源5相连，高压电源5实施为幅值20kV，频率为30kHZ的交流电源。气泵6气体流速设置为100L/min，单向阀8实施为密封性能较好的橡胶单向塞。导气槽9实施为圆柱管状结构，气柱帽11实施为伞状结构，形成的气腔10厚度为2mm。水腔13中水量高度为5cm，水面高过高压电极1。
气泵6通过单向阀8向预先装好水的水腔13内通入高流速气体，将高压电极周围的水完全排开并形成一段气腔，通过插入水腔13内的地电极4将水腔13中的水接地，在高压电源5的作用下，在高压电极1和水腔13之间发生介质阻挡放电并产生等离子体。由于高压电极位于水面以下，所以等离子体产生时，其完全置于水环境中，等离子体中的短寿命活性粒子与水能够迅速在气液交互界面发生相互作用生成活化水。同时由于高压电极与水之间没有任何直接接触，因此不存在除放电电流之外的传导电流，产生活化水的能耗较低。
另外，还可以如下一组条件进行活化水实验：高压电源类型为交流电源，其频率为30kHz，幅值为20kV。气泵流速为200L/min。导气槽为圆柱状，材料为聚四氟乙烯(便于加工，绝缘性合格的，耐化学腐蚀)。气柱帽形状为伞形，材料为聚四氟乙烯。气腔的形状为圆环柱状，其厚度为3mm。
装置二：如图4所示，导气槽的高度不低于高压电极悬空在容器中的高度；导气槽的侧壁均匀设置阵列通孔(结构如图5所示)；当气流沿着高压电极周围向上运动时，高压电极周围的水流通过通孔从导气槽中排出，当容器中的液面低于容器的顶部时，高压电极周围的水流还通过液面以上的容器空间排开。
需要说明的是，当导气槽位于液面以下，处于液面以下的高压电极要用绝缘材料包裹，以免高压电极直接与水溶液接触。
在装置中，具体高压电极1采用直径为1m，长度为5m的铜柱，绝缘导线2采用耐压值为30kV的高压导线，并且一端与高压电极1焊接在一起，另一端与高压电源5相连，高压电源5实施为幅值20kV的直流电源。高压电极位于导气槽9轴心并与导气槽9同轴安装，导气槽9部分置于水腔13中。气泵6气体流速设置为100L/min，气体通过进气口7吹入导气槽9中，将导气槽9中的水全部排出，在高压电极1与导气槽9之间形成一段气体空腔。通过插入水腔13内的地电极4将水腔13中的水接地，在高压电源5的作用下，在高压电极1和水腔13之间发生放电并产生等离子体。
由于放电区域位于水面以下，所以等离子体产生时，其完全置于水环境中，等离子体中的短寿命活性粒子与水能够迅速在气液交互界面发生相互作用生成活化水。同时由于高压电极与水之间没有任何直接接触，因此不存在除放电电流之外的传导电流，产生活化水的能耗较低。
需要说明的是，装置一用于有介质包裹高压电极的场景，装置二既可以用于介质包裹高压电极的场景，也可以用于无介质包裹高压电极的场景。
总的来说，本发明的核心在于利用气流在水下排开电极附近的水，并在水与电极之间发生放电产生等离子体。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种等离子体活化水的制备方法，其特征在于，包括：
在盛有待活化水溶液的容器内放置高压电极，其中，所述容器的底部设置有进气口，所述容器的内部在所述进气口的周围设置有导气槽，所述高压电极悬空放置在所述导气槽内；所述容器的顶部相对所述高压电极对称的设置有偶数个所述出气口；
在所述容器的外部通过所述进气口向所述导气槽的底部通入气流，气流参数以及容器结构参数满足：在所述导气槽的引导下，所述气流沿着高压电极周围将水溶液排开并经所述出气口流出，此时高压电极周围形成一段气腔，且气腔的高度满足高压电极的区域完全不与水腔中的水接触；
向所述高压电极通电，处于所述气腔的气体开始放电产生等离子体并将容器内的水活化，实现等离子体活化水的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述进气口位于所述导气槽的底部中心位置，且所述高压电极放置在所述导气槽的轴线上。
3.一种等离子体活化水的制备装置，其特征在于，用于执行如权利要求1或2所述的一种等离子体活化水的制备方法，包括：容器，放电系统，以及气泵；
所述容器的底部设置有进气口，所述容器内部在所述进气口的周围设置有导气槽，用于容纳所述高压电极并引导气流在高压电极周围形成一段气腔；所述容器的顶部相对所述高压电极对称的设置有偶数个所述出气口；
所述气泵用于通过所述进气口向所述导气槽通气；
所述放电系统包括高压电极和阴极，所述阴极设置在水溶液中，所述高压电极悬空放置在所述导气槽内。
4.根据权利要求3所述的制备装置，其特征在于，所述进气口上设置单向阀，在所述容器的外部通过所述单向阀向所述导气槽的底部通入气流。
5.根据权利要求3所述的制备装置，其特征在于，所述导气槽的高度远低于所述高压电极的长度；所述高压电极以及连接高压电极与放电系统中的高压电源的绝缘导线一同被绝缘介质包裹；所述容器中的液面低于所述容器的顶部，所述容器的由所有所述出气口所围起的顶部位置设计为可被气流充起的气柱帽，气流沿着所述高压电极周围向上运动至所述气柱帽时改变运动方向从所述出气口排出。
6.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述气柱帽为伞形。
7.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述导气槽为圆形柱状结构，其内侧壁呈螺旋线形状。
8.根据权利要求3所述的制备装置，其特征在于，所述导气槽的高度不低于所述高压电极悬空在所述容器中的高度；所述导气槽的侧壁均匀设置阵列通孔；当气流沿着所述高压电极周围向上运动时，所述高压电极周围的水流通过所述通孔从所述导气槽中排出。
9.根据权利要求8所述的制备装置，其特征在于，当所述容器中的液面低于所述容器的顶部时，所述高压电极周围的水流还通过液面以上的容器空间排开。
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| CN202311335936.5A CN117247084A (zh) | 2023-10-13 | 2023-10-13 | 一种等离子体活化水的制备方法及制备装置 |
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