CN117277064A - 基于微等离子体放电制备负氧离子的装置及方法 - Google Patents

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CN117277064A CN202311155053.6A CN202311155053A CN117277064A CN 117277064 A CN117277064 A CN 117277064A CN 202311155053 A CN202311155053 A CN 202311155053A CN 117277064 A CN117277064 A CN 117277064A
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Abstract

本发明公开了基于微等离子体放电制备负氧离子的装置及方法，该装置包括电源、供气系统、导通管、微等离子体放电装置，所述电源与所述微等离子体放电装置的一端相连，用于为微等离子体放电装置中的高压电极供电，所述供气系统与所述微等离子体放电装置连接，用于供给反应所需气源，所述微等离子体放电装置出口端与所述导通管连接。启动电源后，在微等离子体放电装置间隙处形成均匀微等离子体，产生高浓度的负氧离子，通过导通管扩散到空气中。本发明安全可靠，结构简单，操作便捷，气源消耗和能耗低，其微等离子体工作区域范围在几毫米至几十微米之间，有利于装置体积的小型化，能高效地产生负氧离子。

Description

基于微等离子体放电制备负氧离子的装置及方法
技术领域
本发明涉及环境等离子体放电技术领域，具体涉及基于微等离子体放电制备负氧离子的装置与方法。
背景技术
负氧离子被称为空气维生素，一般指单氧或双氧负离子，其具有促进人体新陈代谢、增强免疫力、抗氧化、防衰老、消除体内自由基、镇静等作用。病人吸入高浓度(10000个/cm3以上)生态级负氧离子空气后能加速伤口愈合，同时还能净化空气，杀灭病毒细菌。因此，负氧离子的应用已逐渐深入到日常生活中的环境健康领域。
通过自然的方法产生负氧离子由于受到环境的限制，其产量较低且难以收集，故人工制备负氧离子成为了获取负氧离子的主要途径。随着人工负离子生成技术的产生和发展，目前人工制备的负氧离子主要是由电晕放电、射线、紫外线、微波等方式所产生的。但是上述方法无一例外在产生负氧离子的同时，可能含有臭氧和氮氧化合物等有害身体健康的化学气体物质以及有明显的静电效应。
大气压等离子体射流是指可采用特殊电极结构(放电电极距离或间隙在毫米级)，利用气流和电场的作用使放电区域产生的等离子体从喷管或孔口中喷出，形成在大气压条件下的非平衡等离子体射流，其具有温度低、化学活性高、可控性好、结构简单等特点，使之在生物医学、环境工程等应用领域表现出某些优势。微等离子体放电是被限制在一个有限的空间范围内(尺度为毫米量级甚至更低)的等离子体放电，兼具了常规等离子体的一些特性，但由于放电尺寸缩小到毫米量级甚至更低，使得微放电等离子体能够在大气压条件下产生，具有更高的等离子体密度和更好的稳定性。
发明内容
本发明的目的针对现有技术的不足，提供了基于微等离子体放电制备负氧离子的装置及方法。本发明在微等离子体放电装置的工作区域施加高压电，通入气源后使得氧原子获取能量，内能和活性增强同时获得电子从而产生电离效应，使氧气分子中的共价键断裂生成负氧离子。本发明在满足负氧离子产生的同时，在微等离子体放电装置工作区域直径只有几毫米至几十微米的间隙处附近产生大量均匀的负氧离子，这种负氧离子带有微量的臭氧，该臭氧可通过调节导通管的长度来消除。
本发明的第一个目的在于提供基于微等离子体放电制备负氧离子的装置，包括：
微等离子体放电装置，所述微等离子体放电装置用于制备负氧离子，包括同轴微等离子体放电结构、环轴微等离子体放电结构或同轴环微等离子体放电结构；
电源，所述电源与所述微等离子体放电装置的高压电极连接，用于为微等离子体放电装置提供高压电；
供气系统，所述供气系统与所述微等离子体放电装置连接，用于为微等离子体放电装置提供制备负氧离子所需的气源；
导通管，所述导通管与所述微等离子体放电装置的出口端连接，所述微等离子体放电装置接通所述电源形成微等离子体并产生负氧离子通过所述导通管扩散到空气中；
其中，所述同轴微等离子体放电结构包括金属管、金属轴和绝缘介质，所述金属轴位于所述金属管内，所述金属管作为接地电极与接地线连接，金属管通过接地线接地，所述金属轴作为高压电极与所述电源的高压输出端相连；所述金属管的侧壁设置有连通其内部的凸起管段，所述凸起管道内形成有进气孔，所述进气孔与供气系统连接；
所述环轴微等离子体放电结构包括介质管、金属轴和金属环，所述金属环套设于所述介质管上端的外壁外，金属环作为接地电极与接地线连接，所述金属轴位于介质管内，金属轴作为高压电极与所述电源的高压输出端相连；所述介质管的底端侧壁设置有连通其内部的凸起管段，所述凸起管道内形成有进气孔，所述进气孔与供气系统连接；
所述同轴环微等离子体放电结构包括金属管、金属喷头和绝缘介质，所述金属喷头顶部为金属圆环结构，所述金属管位于所述金属喷头内，所述绝缘介质位于所述金属管与金属喷头之间用于隔绝金属管与金属喷头，所述金属管的底端设置有连通其内部的进气孔，所述进气孔与供气系统连接，其中，所述金属喷头作为接地电极与接地线连接，所述金属管作为高压电极与所述电源的高压输出端相连。
在一种实施方式中，所述电源包括低频高压交流电源、高压直流电源、高压脉冲电源，输出电压范围为0-15kV。
在一种实施方式中，所述供气系统的气源包括氧气、氩气与氧气的组合；气体输出流量为1-8L/min。
在一种实施方式中，所述导通管的进气端与微等离子体放电装置的喷头连通，导通管的出气端连接有用于测量负氧离子浓度的容器。
在一种实施方式中，所述导通管还接通有曝气管。
在一种实施方式中，所述导通管的长度大于28cm。
在一种实施方式中，所述微等离子体反应装置的喷口间隙直径范围为1.0-10.0mm；所述接地电极与高压电极的间隙距离范围为0.5-3.0mm。
在一种实施方式中，所述金属轴直径范围为1.0-5.0mm，金属环包裹介质管的宽度范围为2.0-5.0mm。
在一种实施方式中，所述金属管和金属轴的材质包括但不限于铜、不锈钢、钨，金属环的材质包括但不限于铜、锡、铂，介质管的材质包括但不限于陶瓷、石英、玻璃、云母、氧化铝。
本发明的第二个目的在于提供一种所述的装置制备负氧离子的方法，所述方法应用了所述的基于微等离子体反应体系制备负氧离子的装置，包括以下步骤：
步骤一、组装所述装置；
步骤二、启动供气系统，将气体由管路、进气口通入等离子体放电装置内部；其中，将气体通入等离子体放电装置内部时排出等离子体放电装置内的空气杂质；
步骤三、启动电源，金属轴通电后作为高压电极并在反应间隙释放高能电子和活性粒子，将氧气在反应间隙转化为高活性、激发态的分子，从而产生电离效应，使氧气分子中的共价键断裂生成负氧离子，通过导通管扩散到空气中；
步骤四、制备一段时间后，使用负氧离子检测仪测量负氧离子浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、本发明通过上述装置制备负氧离子，在微等离子体放电装置间隙处形成的微量臭氧可以通过调节导通管的长度来消除，同时导通管也避免了射流与空气接触反应产生副产物臭氧和氮氧化物，故不会产生有害物质。本发明基于微等离子体放电制备负氧离子的装置及方法能够显著提升安全性。
2、本发明的微等离子体放电装置具有多种结构，这些结构的微等离子体工作区域范围在几毫米至几十微米之间，能够有效提高负氧离子的产生效率。
3、本发明的装置结构简单，操作便捷，气体消耗和能量耗费低，有利于装置体积的小型化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于微等离子体放电制备负氧离子的装置的结构示意图；
图2为本发明同轴微等离子体放电结构的结构示意图；
图3为本发明环轴微等离子体放电结构的结构示意图；
图4为本发明同轴环微等离子体放电结构的结构示意图。
图中：1、电源；2、接地线；3、等离子体放电装置；4、供气系统；5、导通管；6、金属管；7、进气口；8、绝缘介质；9、金属轴；10、介质管；11、金属环；12、金属喷头。
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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1
基于微等离子体反应体系制备负氧离子的装置，包括：
微等离子体放电装置3，所述微等离子体放电装置3用于制备负氧离子，包括同轴微等离子体放电结构、环轴微等离子体放电结构或同轴环微等离子体放电结构；
电源1，所述电源1与所述微等离子体放电装置3的高压电极连接，用于为微等离子体放电装置3提供高压电；
供气系统4，所述供气系统4与所述微等离子体放电装置3连接，用于为微等离子体放电装置3提供制备负氧离子所需的气源；
导通管5，所述导通管5与所述微等离子体放电装置3的出口端连接，所述微等离子体放电装置3接通所述电源1形成微等离子体并产生负氧离子通过所述导通管5扩散到空气中；
其中，所述同轴微等离子体放电结构包括金属管6、金属轴9和绝缘介质8，所述金属轴9位于所述金属管6内，所述金属管6作为接地电极与接地线2连接，金属管6通过接地线2接地，所述金属轴9作为高压电极与所述电源1的高压输出端相连；所述金属管6的侧壁设置有连通其内部的凸起管段，所述凸起管道内形成有进气孔7，所述进气孔7与供气系统4连接；
所述环轴微等离子体放电结构包括介质管10、金属轴9和金属环11，所述金属环11套设于所述介质管10上端的外壁外，金属环11作为接地电极与接地线2连接，所述金属轴9位于介质管10内，金属轴9作为高压电极与所述电源1的高压输出端相连；所述介质管10的底端侧壁设置有连通其内部的凸起管段，所述凸起管道内形成有进气孔7，所述进气孔7与供气系统4连接；
所述同轴环微等离子体放电结构包括金属管6、金属喷头12和绝缘介质8，所述金属喷头12顶部为金属圆环结构，所述金属管6位于所述金属喷头12内，所述绝缘介质8位于所述金属管6与金属喷头12之间用于隔绝金属管6与金属喷头12，所述金属管6的底端设置有连通其内部的进气孔7，所述进气孔7与供气系统4连接，其中，所述金属喷头12作为接地电极与接地线2连接，所述金属管6作为高压电极与所述电源1的高压输出端相连。
可选地，在其中一种实施方式中，所述金属环11为所述介质管10外壁紧密包裹一层锡纸作为接地电极。
可选地，在其中一种实施方式中，所述电源1用于为微等离子体放电装置3中的高压电极供电，电源1与所述微等离子体放电装置3的一端相连；所述供气系统4与所述微等离子体放电装置3的进气口7连接，用于供给反应所需的气源；所述微等离子体放电装置3出口端与所述导通管5相连，启动电源1后，在所述微等离子体放电装置3的间隙处形成均匀微等离子体并产生高浓度的负氧离子通过导通管5扩散到空气中。
可选地，在其中一种实施方式中，所述电源1可选用低频高压交流电源、高压直流电源、高压脉冲电源，输出电压范围为0-15kV；本实施例中选用高压交流电源，输出电压为6.8kV。
可选地，在其中一种实施方式中，所述供气系统4的气源包括氧气、氩气与氧气的组合，可以避免氮氧化合物的产生；气体输出流量为1-8L/min，优选为6L/min。
可选地，在其中一种实施方式中，所述同轴微等离子体放电结构的金属管6的顶端设置有喷头，所述喷头为圆柱形的通孔，通孔的直径为2mm，所述金属管6的内壁与金属轴9外壁之间的距离为1mm，所述金属轴9的直径为3mm，所述金属管6和金属轴9优选为铜材料。
可选地，在其中一种实施方式中，所述导通管5的进气端与微等离子体放电装置3的喷头连通，导通管5的出气端连接有用于测量负氧离子浓度的容器，所述导通管5的长度大于28cm，优选为36cm。通过设置的导通管5避免了周围空气杂质参与反应造成的影响。
可选地，所述导通管5出气端连接的容器为箱体，箱体的容积为35×45×30cm，用于测量负氧离子浓度。
可选地，所述导通管5还接通有曝气管，通过水下曝气增加释放气体的湿度，提升气体舒适度。
可选地，所述微等离子体反应装置3的喷口间隙直径范围为1.0-10.0mm，所述管壁与金属轴距离范围(即接地电极与高压电极的间隙距离)为0.5-3.0mm，所述金属轴直径范围为1.0-5.0mm，所述金属环包裹介质管的宽度范围为2.0-5.0mm，所述金属管和金属轴可选用铜、不锈钢、钨等材料，所述金属环可选用铜、锡、铂等材料，所述介质管可选用陶瓷、石英、玻璃材料、云母、氧化铝等材料。
本发明在微等离子体放电装置的工作区域施加高压电，通入气源后使得氧原子获取能量，内能和活性增强的同时获得电子从而产生电离效应，使氧气分子中的共价键断裂生成负氧离子。本发明在满足负氧离子产生的同时，在微等离子体放电装置工作区域直径只有几毫米至几十微米的间隙处附近产生大量均匀的负氧离子，这种负氧离子带有微量的臭氧，该臭氧可通过调节导通管的长度来消除。
此外，本发明还提供了基于微等离子体反应体系制备负氧离子的方法，所述方法应用了基于微等离子体反应体系制备负氧离子的装置，包括以下步骤：
步骤一、组装所述装置；
步骤二、启动供气系统，将气体由管路、进气口通入等离子体放电装置内部；其中，将气体通入等离子体放电装置内部时需首先排出等离子体放电装置内的空气杂质，避免附加的抽真空处理，通入一段时间后再打开电源；
步骤三、启动电源，金属轴通电后作为高压电极并在反应间隙释放高能电子和活性粒子，将氧气在反应间隙转化为高活性、激发态的分子，从而产生电离效应，使氧气分子中的共价键断裂生成氧负离子，其通过导通管扩散到空气中；
所述负氧离子的产生原理，如下述方程所示：
e+O2→O-+O (1)
式中：e表示为电子；O表示为氧原子；O-表示为单氧负离子；表示为双氧负离子；M表示为中间体。
步骤四、实验制备5min后，使用负氧离子检测仪测量其箱体内负氧离子浓度，测得其平均负氧离子浓度为108866个/cm3，撤掉箱体，采用相同方法，分别测量其距离喷头出口中心轴向距离20cm、40cm、60cm处负氧离子量，测得其平均负氧离子浓度分别为761890、160168、117908个/cm3。
实施例2
利用实施例1的方法制备负氧离子，通过供气系统4调整控制气体的种类和输出流量，所述气源选用Ar和O2，其进气流量比控制为5:1，相当于所述混合比例控制为5:1。
使用负氧离子检测仪测量其箱体内负氧离子浓度，测得其平均负氧离子浓度为256064个/cm3。撤掉箱体，采用相同方法，分别测量其距离喷头出口中心轴向距离20cm、40cm、60cm处负氧离子量，测得其平均负氧离子浓度分别为1069998、258156、126135个/cm3。
实施例3
利用实施例1的方法制备负氧离子，撤去箱体，测量其距喷头出口轴向距离20cm，分别偏离喷头轴中距离30cm、60cm、90cm处负氧离子浓度，使用负氧离子检测仪测量空气中负氧离子浓度，测得其平均负氧离子浓度分别为69267、12083、6843个/cm3。
实施例4
利用实施例1的方法制备负氧离子，撤去箱体，导通管接通曝气管制备负氧离子5min，使用负氧离子检测仪测量其负氧离子浓度，测得其平均负氧离子浓度为11864个/cm3，相对湿度为78.3％(R.H.)(其初始值为68.1％(R.H.))。
实施例5
利用实施例2的方法制备负氧离子，撤去箱体，导通管接通曝气管制备负氧离子5min，使用负氧离子检测仪测量其负氧离子浓度，测得其平均负氧离子浓度为1386个/cm3，湿度为78.1％(R.H.)(其初始值为68.1％(R.H.))。
本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。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.基于微等离子体放电制备负氧离子的装置，其特征在于，包括：
微等离子体放电装置，所述微等离子体放电装置用于制备负氧离子，包括同轴微等离子体放电结构、环轴微等离子体放电结构或同轴环微等离子体放电结构；
电源，所述电源与所述微等离子体放电装置的高压电极连接，用于为微等离子体放电装置提供高压电；
供气系统，所述供气系统与所述微等离子体放电装置连接，用于为微等离子体放电装置提供制备负氧离子所需的气源；
导通管，所述导通管与所述微等离子体放电装置的出口端连接，所述微等离子体放电装置接通所述电源形成微等离子体并产生负氧离子通过所述导通管扩散到空气中；
其中，所述同轴微等离子体放电结构包括金属管、金属轴和绝缘介质，所述金属轴位于所述金属管内，所述金属管作为接地电极与接地线连接，金属管通过接地线接地，所述金属轴作为高压电极与所述电源的高压输出端相连；所述金属管的侧壁设置有连通其内部的凸起管段，所述凸起管道内形成有进气孔，所述进气孔与供气系统连接；
所述环轴微等离子体放电结构包括介质管、金属轴和金属环，所述金属环套设于所述介质管上端的外壁外，金属环作为接地电极与接地线连接，所述金属轴位于介质管内，金属轴作为高压电极与所述电源的高压输出端相连；所述介质管的底端侧壁设置有连通其内部的凸起管段，所述凸起管道内形成有进气孔，所述进气孔与供气系统连接；
所述同轴环微等离子体放电结构包括金属管、金属喷头和绝缘介质，所述金属喷头顶部为金属圆环结构，所述金属管位于所述金属喷头内，所述绝缘介质位于所述金属管与金属喷头之间用于隔绝金属管与金属喷头，所述金属管的底端设置有连通其内部的进气孔，所述进气孔与供气系统连接，其中，所述金属喷头作为接地电极与接地线连接，所述金属管作为高压电极与所述电源的高压输出端相连。
2.根据权利要求1所述基于微等离子体放电制备负氧离子的装置，其特征在于，所述电源包括低频高压交流电源、高压直流电源、高压脉冲电源，输出电压范围为0-15kV。
3.根据权利要求1所述基于微等离子体放电制备负氧离子的装置，其特征在于，所述供气系统的气源包括氧气、氩气与氧气的组合；气体输出流量为1-8L/min。
4.根据权利要求1所述基于微等离子体放电制备负氧离子的装置，其特征在于，所述导通管的进气端与微等离子体放电装置的喷头连通，导通管的出气端连接有用于测量负氧离子浓度的容器。
5.根据权利要求4所述基于微等离子体放电制备负氧离子的装置，其特征在于，所述导通管还接通有曝气管。
6.根据权利要求4所述基于微等离子体放电制备负氧离子的装置，其特征在于，所述导通管的长度大于28cm。
7.根据权利要求1所述基于微等离子体放电制备负氧离子的装置，其特征在于，所述微等离子体反应装置的喷口间隙直径范围为1.0-10.0mm；所述接地电极与高压电极的间隙距离范围为0.5-3.0mm。
8.根据权利要求1所述基于微等离子体放电制备负氧离子的装置，其特征在于，所述金属轴直径范围为1.0-5.0mm，金属环包裹介质管的宽度范围为2.0-5.0mm。
9.根据权利要求1所述基于微等离子体放电制备负氧离子的装置，其特征在于，所述金属管和金属轴的材质包括但不限于铜、不锈钢、钨，金属环的材质包括但不限于铜、锡、铂，介质管的材质包括但不限于陶瓷、石英、玻璃、云母、氧化铝。
10.基于微等离子体放电制备负氧离子的方法，其特征在于，所述方法应用了权利要求1-9任一所述的基于微等离子体反应体系制备负氧离子的装置，包括以下步骤：
步骤一、组装所述装置；
步骤二、启动供气系统，将气体由管路、进气口通入等离子体放电装置内部；其中，将气体通入等离子体放电装置内部时排出等离子体放电装置内的空气杂质；
步骤三、启动电源，金属轴通电后作为高压电极并在反应间隙释放高能电子和活性粒子，将氧气在反应间隙转化为高活性、激发态的分子，从而产生电离效应，使氧气分子中的共价键断裂生成负氧离子，通过导通管扩散到空气中；
步骤四、制备一段时间后，使用负氧离子检测仪测量负氧离子浓度。
CN202311155053.6A 2023-09-07 2023-09-07 基于微等离子体放电制备负氧离子的装置及方法 Pending CN117277064A (zh)

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