CN117463610A - 一种用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，包括壳体，壳体一端设有进料口，另一端设有出料口和出气口；在壳体内部依次设置谷物输送及除杂单元、大气等离子体射流单元和谷物收集单元；所述大气等离子体射流单元，包括两个结构相同且能够交替运行的大气等离子体射流装置，其顶部与外界连通，两个大气等离子体射流装置下方设有传输带；所述谷物输送及除杂单元的一端与进料口底部出料端相连，另一端与传输带的一端相连，传输带的另一端连接出料口。本发明结构设计合理，能够有效解决现有装置等离子体放电不均匀稳定、操作繁琐、处理安全性差无法实现一体化连续处理的技术难题。

Description

一种用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置

技术领域

本发明属于等离子体设备技术领域，涉及一种大气压等离子体射流装置，具体涉及一种用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置。

背景技术

等离子体是具有超常化学活性的高能粒子聚集的物质第四态，具有超强反应性、对目标物作用无选择性、环境无残留等特点。低温等离子体技术因其快速、高效、无污染等特点被逐渐运用于食品杀菌、抑制病毒、保鲜、杀虫、降解残留农药等方面。多年来，人们陆续尝试利用各种不同放电方式产生等离子体去除农药残留和真菌污染。等离子体去除粮食表面污染物主要是依靠等离子体放电产生的羟基自由基、超氧自由基、单线态氧等活性物种打断污染物中的磷氧双键、磷硫双键、碳碳双键、碳氧双键、碳氮键、苯环、杂环等化学键，并对微生物细胞产生刻蚀作用，使细胞破裂、DNA断裂、内容物流出，达到高效降解有机污染物、灭活微生物的效果。此外，等离子体也可以促进谷物发芽，刻蚀种皮，引起水分吸收加快，打破种子休眠；提高种子光敏性；影响并提前启动种子与萌发相关的生理生化过程，刺激生理活性物质。将可见光和紫外光同时作用于种子，能够促使种子中的生物大分子发生能量跃迁，有利于种子发芽势的提高以及产生抗胁迫性。

综上可以看出，等离子体处理谷物能够规避传统化学、生物浸种方式中存在的缺陷，规避化学、生物试剂以及后续化肥、农药施加对农田环境带来的负面效应，对农业资源可持续利用具有重要意义。

但是，现有等离子体处理设备存在一些缺陷性问题，例如等离子体作用范围小、放电不均匀稳定，等离子体产生在间隙内，和多部分联合可装置化程度低，操作繁琐，安全性差，因此用其处理谷物很难做到一体化连续处理。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，能够有效解决现有装置等离子体放电不均匀稳定、操作繁琐、处理安全性差无法实现一体化连续处理的技术难题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，包括壳体，壳体一端设有进料口，另一端设有出料口和出气口；在壳体内部依次设置谷物输送及除杂单元、大气等离子体射流单元和谷物收集单元；

所述大气等离子体射流单元，包括两个结构相同且能够交替运行的大气等离子体射流装置，其顶部与外界连通，两个大气等离子体射流装置下方设有传输带；

所述谷物输送及除杂单元的一端与进料口底部出料端相连，另一端与传输带的一端相连，传输带的另一端连接出料口。

优选地，所述大气等离子体射流装置由若干个射流放电器均匀排布而成；

其中，每个射流放电器包括柱状石英玻璃外壳和设置于其内的高压电极棒；高压电极棒上端伸出柱状石英玻璃外壳顶部与钢板固定，作为射流放电器的高压电极；高压电极棒底端则穿过柱状石英玻璃外壳内部设置的挖孔铜板，作为射流放电器的低压电极接电，在高压电极棒外部包覆绝缘材料。

进一步优选地，每个大气等离子体射流装置顶部设有一个气容器，气容器上方开设有与外界连通的进气口，大气等离子体射流装置底部通过支撑板固定在壳体内部的支撑架上。

更进一步优选地，每个大气等离子体射流装置由100个射流放电器均匀排布而成，100个射流放电结构的高压电极棒焊接在钢板上；所述单个射流放电结构的辐照半径为25mm，放电区域长0.5m，宽0.5m。

进一步优选地，柱状石英玻璃外壳的顶部开设有口，底部为锥形喷嘴，锥形喷嘴距离与传送带距离15～25mm。

更进一步优选地，柱状石英玻璃外壳还包覆聚氯乙烯。

优选地，所述谷物输送及除杂单元包括振动筛，振动筛倾斜设置，在振动筛底部两端设有高、低两个弹簧结构，两个弹簧结构之间连接有振动电机，振动筛下方还设有杂质出料口，用于收集杂质。

进一步优选地，振动筛与传输带之间设有挡板和谷物接口，挡板打开时，经振动筛处理后的谷物经由谷物接口堆叠后进入传输带。

优选地，所述传输带为皮带式传输带，宽0.5m，选取耐腐蚀的绝缘材质制成；传输带两侧设有挡板，底部设有电极，传输带的电极功率0.37KW。

优选地，两个大气等离子体射流装置之间距离为0.3～0.5m，通过固定在壳体上的矩形钢相连，使用定时装置控制两个大气等离子体射流装置交替运行。

进一步优选地，设置第一个大气等离子体射流装置开始运行的时间依次为0min、300min…，即300*n分钟，其中n为正整数；

第二个大气等离子体射流装置开始运行的时间依次为150.8min、450.8min…，即150.8+300*n分钟，其中n为正整数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，谷物种子由进料口投入，经谷物输送及除杂单元筛选除杂后进入特殊接口，通过传输带传送进入大气等离子体射流单元，大气等离子体射流单元的放电区产生的等离子体气氛对谷物种子进行射流处理，优势体现在：

一方面体现在处理效果好，大气等离子体射流单元选择大气压等离子体射流放电形式，由两个结构相同且能够交替运行的大气等离子体射流装置组成，产生的等离子体通过到达谷物表面，具有载能粒子密度高、介质温度低、经济的优点。同时，大气压等离子体射流放电产生的等离子体不局限于间隙中，可存在于开放空间，对谷物种子的处理具有空间均匀、处理充分的优点。且为规避放电反应器连续放电产热造成的效能损失，以防影响处理效果，设置两反应器轮流定时开启放电，自动化程度高。另一方面体现在，设计合理、稳定性强。根据射流装置的有效辐射半径设置单个射流装置之间的间隙，使每个射流装置发挥作用最大化。整个设备外设有壳体，实现密闭环境处理，防止等离子体的溢失，有效保证了等离子气体密度。因此，本发明的一体化设备能够充分保障谷物的处理量，经过测算，以小麦为例，针对3mm的中粒小麦种子，容重286g/L，处理量可达73L/h(0.02L/s)，日处理量可达500kg。

进一步地，安全性高，大气压等离子体射流放电装置内，每个射流装置高压电极外均设有绝缘橡胶，且柱状石英玻璃外壳外还有聚氯乙烯塑料包裹，启动过程非常安全。

进一步地，振动筛的使用可以去除谷物种子或籽粒中的杂质，以及谷物的麸皮，增大谷物与等离子体的直接接触面积，提升处理效果。

进一步地，谷物接口的设计能够有效整理谷物，避免谷物堆叠。

附图说明

图1为本发明用于谷物连续处理的等离子体装置的结构示意图；

图2为本发明用于谷物连续处理的等离子体装置的俯视图；

图3为本发明用于谷物连续处理的等离子体装置的主视图；

图4为单个射流装置的剖面图；

图5为谷物接口与传输带连接剖面图。

其中：1为进料口；2为壳体；3为振动筛；4为挡板；5为谷物接口；6为大气压等离子体射流装置；7为矩形钢；8为弹簧；9为振动电机；10为杂质出料口；11为电极；12为传输带；13为出气口；14为小麦出料口；15为高压电极；16绝缘橡胶层；17为挖孔铜板；18为柱状石英玻璃外壳；19为进气口；20为钢板；21为固定架；22为气容器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明公开的用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，包括壳体2，壳体2一端设有进料口1，另一端设有出料口14；在壳体2内部依次设置谷物输送及除杂单元、大气等离子体射流单元和谷物收集单元；

所述大气等离子体射流单元，包括两个结构相同且能够交替运行的大气等离子体射流装置6，其顶部与外界连通，两个大气等离子体射流装置6下方设有传输带12；

所述谷物输送及除杂单元的一端与进料口1底部出料端相连，另一端与传输带12的一端相连，传输带12的另一端连接出料口14和出气口13。

优选地，传输带12为皮带式传输带，宽0.5m，选取耐腐蚀的绝缘材质。传输带12两侧设有挡板，高5cm。传输带12实际速度为0.0167m/s，以规避实际工作效率损失。

进一步优选地，所选传输带电极功率0.37KW。

进一步优选地，进料口1规格为50×500mm，材料选用镀锌钢板。

进一步优选地，所述壳体2为矩形外壳，选用厚度6mm的碳素钢版Q235B，并进行单面镀锌，镀锌厚度0.0143mm，镀锌量200g/cm²。

优选地，谷物输送及除杂单元，包括振动筛3，振动筛3倾斜设置，在振动筛3底部两端设有高、低两个弹簧结构8，两个弹簧结构8之间连接有振动电机9，振动筛3下方还设有杂质出料口10，用于收集杂质。谷物在此单元输送过程中，经振动电机9振动，杂质从振动筛的筛孔落下，由10杂质出料口排除。

进一步优选地，振动筛3目数为10，长度为0.8m，宽度为0.5m，长0.5m，倾斜角度为10°，所选振动机型号为XZDA10-6，功率为0.75KW。

优选地，参见图5，振动筛3与传输带12之间设有挡板4和谷物接口5，挡板4打开时，经振动筛3处理后的谷物经由谷物接口5堆叠后进入传输带12。谷物接口5类似于一个台型卡扣，卡在连接处，卡扣高度可为谷物高度的1.5倍。以此保证，进入传输带12的谷物只有一层，不会出现堆叠情况，设计此结构的目的主要是为了铺平、整理谷物。以小麦为例，对粒径为3mm的中粒小麦种子，设计长50cm、宽0.5m、高5mm，连接于振动筛3和传输带12间。

其中，所述大气等离子体射流装置6的具体结构见图2和图3，大气等离子体射流装置6顶部设有气容器22，气容器22上方开设有与外界连通的进气口19，大气等离子体射流装置6底部通过支撑板21固定在壳体2内部的支撑架上。

优选地，所述大气等离子体射流装置6由若干个射流放电器均匀排布而成。

优选地最优实施例，由100个射流放电器集合而成，单个射流放电器辐照半径25mm。放电区域长0.5m，宽0.5m。

参见图4，每个射流放电器包括柱状石英玻璃外壳18和设置于其内的高压电极棒15；高压电极棒15上端伸出柱状石英玻璃外壳18顶部与钢板20固定，作为射流放电结构的高压电极；高压电极棒15底端则穿过柱状石英玻璃外壳18内部设置的挖孔铜板17，作为射流放电结构的低压电极接电，在高压电极棒15外部包覆绝缘材料16。

进一步地，高压电极棒15为一根直径为3mm长18cm的钢棒。高压电极棒15外包裹着直径为6mm的绝缘材料16。可选的，绝缘材料16使用橡胶，柱状石英玻璃外壳18下部设置挖孔铜板17，作为低压电极接地，其厚度为20mm。

因此，作为最优的实施例，大气等离子体射流装置6使用厚度为10mm的钢板20连接100个射流放电器的高压电极棒15，再连接电源。即将100根钢棒焊接在钢板20上。柱状石英玻璃外壳18内部底端设置挖孔铜板17，厚度为20mm，用作低压电极接地。

两个大气等离子体射流装置6之间距离为0.3～0.5m，通过固定在壳体2上的矩形钢7相连，使用定时装置控制两个大气等离子体射流装置6交替运行。设置第一个大气等离子体射流装置6开始运行的时间依次为0min、300min…，即300*n分钟，其中n为正整数；第二个大气等离子体射流装置6开始运行的时间依次为150.8min、450.8min…，即150.8+300*n分钟，其中n为正整数。以此来确保每个谷物种子都处理30s。

下面以处理小麦种子为例，描述本发明上述用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置的工作原理：

具体启动如下：小麦种子由进料口1投入装置，经长0.5m，宽0.5m的振动筛3去除杂质后，打开挡板4，到达谷物接口5平整小麦堆叠，然后经宽0.5m的传输带12传输到达大气压等离子体射流装置6的辐射范围，实现等离子体射流处理小麦。两个大气压等离子体射流装置6定时轮流开启以规避长时间放电发热造成的能量损耗，第一个大气压等离子体射流装置于300*n分钟开启，第二个大气压等离子体射流装置6于150.8+300*n分钟(n为正整数)开启，确保每个麦粒30s的处理时间。

本发明一种优选实施方式，装置连接电源为交流电源，输出频率5-20KHz。高压电极为一连接各单个射流反应器中心钢棒(形状为直径1-3mm，圆柱状)的钢板，与交流电源相连。在各高压电极棒外侧包覆绝缘橡胶。低压电极为挖孔铜板，规格为0.5m×0.5m。每个柱状石英玻璃外壳18外部均使用聚氯乙烯包裹，提高安全性的同时方便观察放电现象，调整放电参数。

大气压等离子体射流装置产生的等离子体喷射可直接作用于下方传输带上的小麦，此时等离子体中活性物质丰富、活性极高，主要包含羟基自由基、超氧自由基、单线态氧等，它们能够与农药分子中的P＝O、P＝S、C＝C、C＝O、C-N、苯环、杂环等化学键反应，使其被打破，从而达到降解农残的效果；

本发明用于连续处理小麦种子，在使用时：

小麦通过进料口进入装备，首先经过振动筛，去除麦粒中的杂质。然后经过特殊接口，平整麦粒，再进入传输带，在传输带上经过放电装置放电产生等离子体处理30s，最后经出料口排出。锥形喷嘴与传送带距离20mm。工作气体为氩气，流速4L/min。经综合考量设计，处理量为500kg/d。

下面通过选择分别浸染氯氰菊酯、毒死蜱、甲萘威的小麦进行处理应用验证。

将小麦种子分别浸泡于浓度为0.8mg/kg的氯氰菊酯溶液、2mg/kg的毒死蜱溶液、2mg/kg的甲萘威中，然后将其投入本发明所述的装置内，调节氩气流量4L/min，调节输入电压为110、120、130、140、150和160V。测定不同输入电压下，氯氰菊酯、毒死蜱、甲萘威的残留量及其降解率，如表1所示：

表1装置处理小麦后表面农药残留量

对150V处理组的小麦进行营养品质指标的测定，如表2所示：

表2 150V处理下小麦营养品质

由表1、2可知，本发明在应用中在110-160V的输入功率下，均能达到对小麦种子表面氯氰菊酯、毒死蜱、甲萘威的有效去除。对小麦营养品质指标影响不大，且均在国家标准或最佳食用标准要求的范围内变化。

综上所述，本发明上述实施例描述的用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置具有以下优势：

1、振动筛可以去除小麦种子或籽粒中的杂质，以及小麦麸皮，增大小麦与等离子体的直接接触面积，提升处理效果。设计的谷物接口能够整理小麦，避免麦粒堆叠。

2、放电系统选择大气压等离子体射流放电形式，由两个同心电极(电极棒构成的高压电极，以及挖孔铜板构成的低压电极)组成，气体在两电极间流动，电极间施加高电压引起气体离子化，产生的等离子体通过锥形喷嘴到达小麦表面。其具有载能粒子密度高、介质温度低、经济的优点。

3、处理效果好。大气压等离子体射流放电产生的等离子体不局限于间隙中，可存在于开放空间，对小麦谷物的处理具有空间均匀、处理充分的优点。且为规避放电反应器连续放电产热造成的效能损失，以防影响处理效果，设置两反应器轮流定时开启放电，自动化程度高。

4、设计合理，稳定性强，根据射流装置的有效辐射半径设置单个射流装置之间的间隙，使每个射流装置发挥作用最大化。整个设备外设有碳素钢版外壳，实现密闭环境处理，防止等离子体的溢失，有效保证了等离子气体密度。

5、安全性高，大气压等离子体射流放电装置内，每个射流装置高压电极外均设有绝缘橡胶，且整个容器外壁还有聚氯乙烯塑料包裹，启动过程非常安全。

6、处理量大。针对3mm的中粒小麦种子，容重286g/L，处理量可达73L/h(0.02L/s)，日处理量可达500kg。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，其特征在于，包括壳体(2)，壳体(2)一端设有进料口(1)，另一端设有出料口(14)和出气口(13)；在壳体(2)内部依次设置谷物输送及除杂单元、大气等离子体射流单元和谷物收集单元；

所述大气等离子体射流单元，包括两个结构相同且能够交替运行的大气等离子体射流装置(6)，其顶部与外界连通，两个大气等离子体射流装置(6)下方设有传输带(12)；

所述谷物输送及除杂单元的一端与进料口(1)底部出料端相连，另一端与传输带(12)的一端相连，传输带(12)的另一端连接出料口(14)。

2.根据权利要求1所述的用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，其特征在于，所述大气等离子体射流装置(6)由若干个射流放电器均匀排布而成；

其中，每个射流放电器包括柱状石英玻璃外壳(18)和设置于其内的高压电极棒(15)；高压电极棒(15)上端伸出柱状石英玻璃外壳(18)顶部与钢板(20)固定，作为射流放电结构的高压电极；高压电极棒(15)底端则穿过柱状石英玻璃外壳(18)内部设置的挖孔铜板(17)，作为射流放电结构的低压电极接电，在高压电极棒(15)外部包覆绝缘材料(16)。

3.根据权利要求2所述的用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，其特征在于，大气等离子体射流装置(6)顶部设有气容器(22)，气容器(22)上方开设有与外界连通的进气口(19)，大气等离子体射流装置(6)底部通过支撑板(21)固定在壳体(2)内部的支撑架上。

4.根据权利要求2所述的用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，其特征在于，所述大气等离子体射流装置(6)由100个射流放电结构均匀排布而成，100个射流放电结构的高压电极棒(15)焊接在钢板(20)上；所述单个射流放电结构的辐照半径为25mm，放电区域长0.5m，宽0.5m。

5.根据权利要求2所述的用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，其特征在于，柱状石英玻璃外壳(18)的顶部开设有口，底部为锥形喷嘴，锥形喷嘴距离与传送带距离15～25mm。

6.根据权利要求1所述的用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，其特征在于，所述谷物输送及除杂单元包括振动筛(3)，振动筛(3)倾斜设置，在振动筛(3)底部两端设有高、低两个弹簧结构(8)，两个弹簧结构(8)之间连接有振动电机(9)，振动筛(3)下方还设有杂质出料口(10)，用于收集杂质。

7.根据权利要求6所述的用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，其特征在于，振动筛(3)与传输带(12)之间设有挡板(4)和谷物接口(5)，挡板(4)打开时，经振动筛(3)处理后的谷物经由谷物接口(5)堆叠后进入传输带(12)。

8.根据权利要求1所述的用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，其特征在于，所述传输带(12)为皮带式传输带，宽0.5m，选取耐腐蚀的绝缘材质制成；传输带(12)两侧设有挡板，底部设有电极(11)，传输带(12)的电极功率0.37KW。

9.根据权利要求1所述的用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，其特征在于，两个大气等离子体射流装置(6)之间距离为0.3～0.5m，通过固定在壳体(2)上的矩形钢(7)相连，使用定时装置控制两个大气等离子体射流装置(6)交替运行。

10.根据权利要求9所述的用于谷物连续处理的大气压等离子体射流装置，其特征在于，设置第一个大气等离子体射流装置(6)开始运行的时间依次为0min、300min…，即300*n分钟，其中n为正整数；

第二个大气等离子体射流装置(6)开始运行的时间依次为150.8min、450.8min…，即150.8+300*n分钟，其中n为正整数。