CN117735656A - 一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，步骤包括1、通过表面介质阻挡放电方法产生空气等离子体；2、基于文丘里管结构，利用水流动产生负压效应；3、等离子体气相活性物质自流动进入水中，在空化作用下形成微纳气泡；利用微纳气泡的高气液传质效率，实现等离子体气相活性物质的高效溶解与转化；4、将水泵直接置于储水箱，通过三通阀门连接储水箱、文丘里管和出水管路，同时实现PAW循环制备与抽滤使用。本发明采用SDBD方式制备空气等离子体，采用文丘里管方式的微纳气泡进行高效气液传质，仅通过一台水泵实现了气液两相流动与液体循环和抽滤使用，提升了PAW制备效率，降低了制备成本，具有极大的工程价值。
Description
技术领域
本发明涉及大气压空气等离子体应用技术领域，具体涉及一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法。
背景技术
等离子体活化水(plasma activated water,简称PAW)是利用放电低温等离子体处理的纯净水、蒸馏水或生理盐水的一种统称。PAW的酸碱性、氧化还原性、电导率以及液相物质成分与普通水相比有显著差异。PAW的优良性质来源于等离子体的关键活性物质，其中主要是由气相活性物质转化形成的液相活性物质。PAW制备工艺中，往往采用空气作为工质产生等离子体，在气相中产生的活性物质主要包含O3、NO2、NO3等长寿命活性粒子以及O(原子氧)、N2 +等短寿命活性粒子。通过等离子体与液体的相互作用，各种气相活性物质与水分子发生反应，产生的液相活性物质主要包含H2O2，·OH以及HOONO。在PAW制备完成后，主要存在于液相的长寿面活性粒子成为最关键的作用因素，主要包含/>H2O2。同时，由于水的存在，避免了等离子体产生的带电粒子、紫外线和自由电子等物质对被处理物表面造成损伤，PAW在生物医学工程、环境治理等方面有着广泛的应用前景。
目前针对PAW制备方法已经有了较为丰富的研究，通常使用介质阻挡放电(DBD)形式利用空气产生等离子体，再通过抽气装置与液相流动装置将等离子体与水混合。当前PAW的制备仍面临着高制作成本的问题，其中抽气装置与液相流动装置都需要使用机械泵，大大提高了PAW制备的装备成本与能耗成本。同时，目前等离子体与液体相互作用的方式较为简单，即便使用阵列式多孔气泡抽气等方法，所产生的气泡尺寸在亚毫米量级，气泡上浮速度快，存在时间短，仍有部分气体未能溶解于水中，气液传质效率仍然较低，存在气相活性物质浪费的现象。因此，研究一种低成本高气液传质效率的新型等离子体活化水制备方法具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，该制备方法采用微纳气泡大幅度提高气液传质效率，实现气相活性物质的自流动，简化制备过程与抽气方式，达到高效低成本等离子体活化水制备的目的。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，包括如下步骤：
步骤1、通过表面介质阻挡放电SDBD方法产生大面积空气等离子体；
步骤2、基于文丘里管结构，利用水流动产生负压效应；
步骤3、等离子体气相活性物质自流动进入水中，在空化作用下形成微纳气泡；利用微纳气泡的高气液传质效率，实现等离子体气相活性物质的高效溶解与转化；
步骤4、将水泵直接置于储水箱，通过三通阀门连接储水箱、文丘里管和出水管路，同时实现等离子体活化水循环制备与抽滤使用。
步骤2中，文丘里管结构在中段有截面的快速收缩，根据稳定流量下的截面与速度关系，截面越小水流速度越大，在在文丘里管中段最狭窄区域的气体入口处的压力远小于大气压，出现负压效应。
步骤3中，通过负压效应使得等离子体气相活性物质通过气体入口自流动进入文丘里管，使得气体与水充分混合，通过文丘里管截面的控制与水的总流量控制，使得空化数小于1，气液充分混合产生空化现象，实现微纳气泡的产生。
优选的，步骤1中实现表面介质阻挡放电SDBD方法的SDBD发生装置包括阻挡介质1，贴附于阻挡介质1一面的高压电极3，贴附于阻挡介质1另一面的地电极4，封装高压电极3和地电极4两端的绝缘防护层2；利用驱动电源连接高压电极3与地电极4，在地电极侧产生空气等离子体。
优选的，所述阻挡介质1采用聚酰亚胺薄膜，高压电极3采用铜胶带，地电极4采用泡沫金属材料，绝缘防护层2采用聚酰亚胺胶带。
优选的，步骤4中，将水泵6直接置于储水箱，文丘里管5入口通过三通阀门7连通储水箱出口，文丘里管5出口连通储水箱入口，三通阀门7通过闸阀8与出水管路连通；水泵6直接置于储水箱中，水泵6接触液体材料保证低化学活性，不与等离子体活化水的活性物质产生反应，同时保证等离子体活化水不被污染。
优选的，所述水泵6采用陶瓷轴心水泵。
本发明所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，与现有技术相比，采用SDBD方式制备空气等离子体，采用文丘里管方式的微纳气泡进行高效气液传质，仅通过一台水泵实现了气液两相流动与液体循环和抽滤使用，提升了PAW制备效率，降低了制备成本，具有极大的工程价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法的流程图。
图2示出了SDBD发生装置的结构图。图2中：1—阻挡介质、2—绝缘防护层、3—高压电极、4—地电极。
图3示出了一种PAW循环制备与抽滤使用工艺流程图。图3中：5—文丘里管、6—水泵、7—三通阀、8—闸阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，包括以下步骤：
步骤1、通过表面介质阻挡放电(SDBD)方法产生空气等离子体；
步骤2、基于文丘里管结构，利用水流动产生负压效应；
步骤3、等离子体气相活性物质自流动进入水中，在空化作用下形成微纳气泡；利用微纳气泡的高气液传质效率，实现等离子体气相活性物质的高效溶解与转化；
步骤4、将水泵直接置于储水箱中，通过三通阀门连接储水箱、文丘里管和出水管路，同时实现等离子体活化水PAW循环制备与抽滤使用。
进一步地，所述步骤1中，实现表面介质阻挡放电SDBD方法的SDBD发生装置优选聚酰亚胺薄膜作为阻挡介质，高压电极优选铜胶带，地电极采用泡沫金属材料，优选泡沫镍。
进一步地，所述步骤2中，文丘里管结构产生的负压效应依据伯努利原理，公式为
式中，p为流体中某点的压强，ρ为流体密度，v为流体在该点的速度，g为重点加速度，h为该点所在高度，等号右端的C代表一个常量。文丘里管结构在中段有截面的快速收缩，根据稳定流量下的截面与速度关系，截面越小水流速度越大，在在文丘里管中段最狭窄区域的气体入口处的压力远小于大气压，出现负压效应。
进一步地，所述步骤3中，通过负压效应使得等离子体气相活性物质通过气体入口自流动进入文丘里管，使得气体与水充分混合。空化作用是产生微纳气泡的理论支撑，通过空化数σ来衡量空化产生的难易程度，空化数越大，空化越难产生。空化数公式为
式中，pV为饱和蒸汽压。通过文丘里管截面的控制与水的总流量控制，使得计算得到的空化数小于1，气液充分混合产生空化现象，实现微纳气泡的产生。
进一步地，所述步骤3中，微纳气泡的高气液传质效率源自于其独特的理化性质，包括极大比表面积、自身溶解增压等。等离子体气相活性物质与水发生反应转化为液相活性物质。同时，微纳气泡在破裂时，由于气液界面消失产生剧烈能量变化，化学能的释放能够产生大量的·OH羟基自由基，能够有效提高PAW活性。
进一步地，所述步骤5中，将水泵直接置于储水箱中，通过三通阀门，同时实现PAW循环制备与抽滤使用。优选陶瓷轴心水泵，水泵直接置于储水箱中，接触液体材料保证低化学活性，不与PAW的活性物质产生反应，同时保证PAW不被污染。仅通过一个水泵实现气液两相流动与液体循环。通过三通阀门控制，实现储水箱液体的循环制备与PAW的抽滤使用。
具体实施实例依据图1所示流程图。首先通过表面介质阻挡放电(SDBD)方法产生空气等离子体，实现表面介质阻挡放电SDBD方法的SDBD发生装置如图2所示，其中阻挡介质1优选聚酰亚胺薄膜，在低成本的同时利用其耐高温性、阻燃性、电绝缘性、无毒性与大面积的特点。高压电极3优选铜胶带贴附于阻挡介质1一面，保证高压侧具备良好的导电性与电极结构的均匀性。地电极4采用泡沫金属材料，优选泡沫镍，贴附于阻挡介质1另一侧，利用其大面积、高电导率，高化学稳定性等特点，保证放电稳定性并保证空气的流动更新。为了避免电极结构出现边沿放电现象，采用绝缘防护层2在两电极边沿进行封装，隔绝空气，绝缘防护层2优选聚酰亚胺胶带。利用驱动电源连接高压电极3与地电极4，在地电极侧实现空气大面积等离子体的产生。具体结构依据图2所示。
基于文丘里管结构，利用液体流动产生负压效应。文丘里管结构产生的负压效应依据伯努利原理，公式为
式中，p为流体中某点的压强，ρ为流体密度，v为流体在该点的速度，g为重点加速度，h为该点所在高度，等号右端的C代表一个常量。文丘里管结构在液体管道中有横截面的快速收缩，根据稳定流量下的截面与速度关系。公式为
L＝S1·v1＝S2·v2
式中，L为管道内的恒定流量，由水泵控制，S1、S2分别为不同位置的横截面，v1、v2分别为不同位置的液体流速。在文丘里管中段最狭窄区域，液体流速最大，此处连接气体入口，因此气压远小于大气压，出现负压效应。
通过负压效应使得等离子体气相活性物质通过气体入口自流动进入文丘里管，使得气体与液体充分混合。空化现象是产生微纳气泡的理论支撑，通过空化数σ来衡量空化产生的难易程度，空化数越大，空化越难产生。空化数公式为
式中，pV为饱和蒸汽压。通过文丘里管截面的控制与水泵的总流量控制，使得计算得到的空化数小于1，气液充分混合产生空化现象，实现微纳气泡的产生。
在水泵驱动下，基于微纳气泡传质的PAW在装置内实现循环制备，具体结构依据图3所示，将水泵6直接置于储水箱，文丘里管5入口通过三通阀门7连通储水箱出口，文丘里管5出口连通储水箱入口，三通阀门7通过闸阀8与出水管路连通。在储水箱中汇集PAW，此过程涉及到气泡内的等离子体气相活性物质与液体的复杂相互作用，实现等离子体气相活性物质的高效溶解与转化。微纳气泡本身具备独特的物理化学性质，依据比表面积公式
式中，A为气泡比表面积，S为气泡表面积，V为气泡体积，r为气泡半径。极小尺寸的半径使得微纳气泡的比表面积非常大，有助于气相活性粒子与液体的充分接触，实现高效的溶解与转化。根据斯托克斯定律，气泡在水中的上升速度与气泡直径的平方成正比。微纳米气泡由于自身体积小，在水中所受到的浮力要远远小于普通气泡在水中所受到的浮力，所以微纳米气泡的上浮速度缓慢，在水中停留的时间更长，有助于等离子体气相活性物质的完全利用，提高PAW制备的产量。同时，微纳气泡在破裂时，由于气液界面消失产生剧烈能量变化，化学能的释放能够产生大量的·OH羟基自由基，能够有效提高PAW活性。
如图3所示，将水泵6直接置于储水箱，通过三通阀门7，同时实现PAW循环制备与抽滤使用。水泵6优选陶瓷轴心水泵，水泵6直接置于储水箱中，接触液体材料保证低化学活性，不与等离子体活化水PAW的活性物质产生反应，同时保证等离子体活化水PAW不被污染。仅通过一个水泵6实现气液两相流动与液体循环。通过三通阀门7控制，实现储水箱液体的循环制备与PAW的抽滤使用。
Claims (7)
1.一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、通过表面介质阻挡放电SDBD方法产生大面积空气等离子体；
步骤2、基于文丘里管结构，利用水流动产生负压效应；
步骤3、等离子体气相活性物质自流动进入水中，在空化作用下形成微纳气泡；利用微纳气泡的高气液传质效率，实现等离子体气相活性物质的高效溶解与转化；
步骤4、将水泵直接置于储水箱，通过三通阀门连接储水箱、文丘里管和出水管路，同时实现等离子体活化水循环制备与抽滤使用。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：步骤1中实现表面介质阻挡放电SDBD方法的SDBD发生装置包括阻挡介质(1)，贴附于阻挡介质(1)一面的高压电极(3)，贴附于阻挡介质(1)另一面的地电极(4)，封装高压电极(3)和地电极(4)两端的绝缘防护层(2)；利用驱动电源连接高压电极(3)与地电极(4)，在地电极侧产生空气等离子体。
3.根据权利要求2所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：所述阻挡介质(1)采用聚酰亚胺薄膜，高压电极(3)采用铜胶带，地电极(4)采用泡沫金属材料，绝缘防护层(2)采用聚酰亚胺胶带。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：步骤2中，文丘里管结构在中段有截面的快速收缩，根据稳定流量下的截面与速度关系，截面越小水流速度越大，在在文丘里管中段最狭窄区域的气体入口处的压力远小于大气压，出现负压效应。
5.根据权利要求1所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：步骤3中，通过负压效应使得等离子体气相活性物质通过气体入口自流动进入文丘里管，使得气体与水充分混合，通过文丘里管截面的控制与水的总流量控制，使得空化数小于1，气液充分混合产生空化现象，实现微纳气泡的产生。
6.根据权利要求1所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：步骤4中，将水泵(6)直接置于储水箱，文丘里管(5)入口通过三通阀门(7)连通储水箱出口，文丘里管(5)出口连通储水箱入口，三通阀门(7)通过闸阀(8)与出水管路连通；水泵(6)直接置于储水箱中，水泵(6)接触液体材料保证低化学活性，不与等离子体活化水的活性物质产生反应，同时保证等离子体活化水不被污染。
7.根据权利要求6所述的一种基于微纳气泡传质的等离子体活化水制备方法，其特征在于：所述水泵(6)采用陶瓷轴心水泵。
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