一种等离子体活化水制备装置及方法

本公开属于高气压冷等离子体应用技术领域，具体涉及一种等离子体活化水制备装置及方法。

背景技术：

等离子体活化水是指利用低温等离子体活性气体处理水溶液(如去离子水、生理盐水、磷酸盐缓冲液(pbs)等)，此时放电产生的气相短寿命活性粒子(例如羟基自由基(·oh)、氮二正离子(n2⁺)、原子氧(o)等)与水溶液发生化学反应，形成具有灭菌活性的长寿命活性粒子(如过氧化氢(h2o2)、过氧亚硝酸根(onoo-)、臭氧(o3)、一氧化氮自由基(·no)以及亚硝酸根(no2^-)等)。目前，等离子体活化水溶液的灭菌特性及应用已受到国内外学者的广泛关注。

然而，目前用于制备等离子体活化水的高能量非平衡等离子体必须要在低气压条件下获得，并需要具有严格密封的真空罩反应器等相应的真空系统，工艺过程复杂，反应物的收率和产率极低。同时，由于需要维持低气压的真空环境，反应时只能注入微量的反应气体，故不能进行较高浓度的气相、气-固相和气-液相之间的化学反应。由于利用低气压和正常气压下制备出来的等离子体活性粒子产率低以及与水溶液进的气液交换率和化学反应速率低，因此制备出的等离子体活化水产率低，活性粒子含量少，有效时间短，往往在几个小时内丧失灭菌效果。

上述采用低气压放电环境，是由于物质多呈密集的凝聚态，若参加反应的气体大多是“高浓度”状态，将导致向反应体系持续传递高能量，用于维持反应的活化能进而生成活性粒子十分困难。现有研究表明，可以通过物理因素的变化使反应物质的状态发生变化，如分子中电子运动、分子中原子间相互作用力、原子和分子和手激和电离等微观的形态，进而导致化学变化或影响化学反应进行。在等离子体的产生中，可以应用电场向反应腔体内的气体分子直接传递能量，电子从电场中获得足够大能量，在电子与气体分子进行的非弹性碰撞中，电子把能量又传递给参加反应的气体分子，腔内气体产生大量的离子、电子、激发态的原子和分子、自由基等，为其化学反应提供极活泼的活性粒子。基于该研究，只要提供足够大的电场能量，就能够实现高气压下的等离子体活性粒子制备。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种等离子体活化水制备装置及方法，利用高气压条件产生高能量、高浓度的等离子体，并在高气压条件下进行气液混合生成具有更好灭菌效果和灭菌时间更持久的等离子体活化水。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种等离子体活化水制备装置，包括：存储单元、输送单元、第一处理单元；其中，

所述存储单元用于存储待活化气体；

所述输送单元用于将待活化气体加压输入至第一处理单元以及将经第一处理单元处理后的获得的等离子体活化气体输出至第二处理单元；

所述第一处理单元用于将所输入的待活化气体活化处理为等离子体活化气体；

所述输送单元和所述第一处理单元形成第一回路，使得待活化气体在该回路中循环产生等离子体活化气体。

所述装置还包括第二处理单元，用于将由第一处理单元输出的等离子体活化气体与待活化溶液反应生成等离子体活化水；

所述输送单元与所述第二处理单元及第一处理单元形成第二回路，使得第二处理单元排出的尾气在该回路中循环产生等离子活化气体。

优选的，所述第一处理单元包括放电管阵列，通过介质阻挡放电产生冷等离子体对待活化气体进行活化处理。

优选的，放电管阵列中的每个放电管外贴有铜高压电极，每个放电管内置有卷成圆筒状的网状地电极，铜高压电极与放电管之间或网状地电极与放电管之间置有聚四氟乙烯薄膜。

优选的，所述铜高压电极两端设置有圆环形铜箍。

优选的，所述第一处理单元还包括多通电磁阀，所述多通电磁阀与放电管阵列连接。

优选的，所述输送单元包括：气泵组件和电磁阀组件。

优选的，所述装置还包括监测与控制单元，所述监测与控制单元包括监测模块和控制模块，所述监测模块通过气压传感器监测第一或第二回路中的气体压强；所述控制模块通过电磁阀组件控制等离子活化气体在第一或第二回路中循环。

优选的，第二处理单元包括液体材料处理腔室，用于将待活化溶液与等离子体活化气体反应生成等离子体活化水。

优选的，所述液体材料处理腔室通过加压灌装器连接有活化水储存瓶，等离子体活化水由加压灌装器加压后由储存瓶进行存储。

本公开还提供一种制备等离子体活化水的方法，包括如下步骤：

s100：对待活化气体加压处理至预定压强；

s200：将待活化气体通入第一回路进行循环，生成等离子活化气体；

s300：关闭第一回路，将等离子活化气体通入第二回路，生成等离子体活化水，同时，将附带产生的尾气通入第二回路进行循环；

s400：关闭第二回路，将等离子体活化水加压储存。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、通过循环反复处理待活化气体，能够得到高活性的等离子体活化气体，提升了等离子体活化气体的处理效率，能够有效节约待活化气体的用量；

2、采用密封循环结构，可以避免产生的等离子体活性粒子泄漏到周围环境中，一方面能够减慢等离子体活化气体的活性降低，另一方面可以防止等离子体放电产生的臭氧、氮氧化物污染环境。

3、通过高气压条件下放电、加压制备并封存等离子体活化水，能够有效提升等离子体活化水中活性粒子的含量，有效增加活化水杀菌效果，延长等离子活化水的失效时间。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种等离子体活化水制备装置的结构示意图；

图2是本公开另一个实施例提供的放电管阵列的结构示意图；

图3是本公开另一个实施例提供的放电管的横截面示意图；

图4是本公开另一个实施例提供的在标准大气压和200kpa气压下，不同活化时间制备的等离子体活化水的灭菌效果图；

图5是本公开另一个实施例提供的在标准大气压和在200kpa气压下，所制备的等离子体活化水静置不同时间后的灭菌效果图。

具体实施方式

下面将参照附图图1至图5详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，如图3所示，一种等离子体活化水制备装置，包括：存储单元、输送单元、第一处理单元；其中，

所述存储单元用于存储待活化气体；

所述输送单元用于将待活化气体加压并输入至第一处理单元以及将经第一处理单元处理后获得的等离子体活化气体输出至第二处理单元；

所述第一处理单元用于将所输入的待活化气体活化处理为等离子体活化气体；

所述输送单元和所述第一处理单元形成第一回路，使得待活化气体在该回路中循环产生等离子体活化气体。

所述装置还包括第二处理单元，用于将由第一处理单元输出的等离子体活化气体与待活化溶液反应生成等离子体活化水；

所述输送单元与所述第二处理单元及第一处理单元形成第二回路，使得第二处理单元排出的尾气在该回路中循环产生等离子活化气体。

上述实施例构成了本公开的完整实施例，与低温环境相比，本实施例通过在高气压环境下，能够制备产生能量更高、浓度更高的等离子体，使得有更多的等离子体能够参与与待活化溶液的活化反应，进而获得具有更佳灭菌效果的等离子体活化水。另外，通过形成回路对待活化气体进行反复活化处理以及对尾气加以利用，能够获得具有高活性的等离子体活化气体，从而能够提升对液体材料的处理效率，同时能够节约待活化气体的用量。另一方面，由于采用了密封回路对待活化气体进行活化处理，可以避免等离子体活性粒子泄露到周边环境中，从而能够减缓等离子体活化气体的活性降低。

另一个实施例中，所述第一处理单元包括放电管阵列，通过介质阻挡放电产生冷等离子体对待活化气体进行活化处理。

本实施例中，如图4所示，放电管阵列包括若干阵列排列的放电管，每根放电管的两端通过绝缘固定件连接于绝缘壳体的内壁。放电管通过介质阻挡放电可以产生冷等离子体，冷等离子体能够对于进入的待活化气体进行活化处理，进而生成等离子体活化气体。

另一个实施例中，如图5所示，放电管阵列中的每个放电管外贴有铜高压电极，每个放电管内置有卷成圆筒状的网状地电极，铜高压电极与放电管之间或网状地电极与放电管之间置有聚四氟乙烯薄膜。

本实施例中，在放电管的铜高压电极和网状地电极之间施加交流高压激励使网状地电极表面放电，从而使得进入放电管的待活化气体转化为等离子体活化气体。

另一个实施例中，所述铜高压电极两端设置有圆环形铜箍。

本实施例中，通过在铜高压电极两端设置圆环形铜箍，能够消除铜高压电极边缘尖端处的不均匀电场，避免电场畸变现象出现，降低发生介质击穿的风险。

另一个实施例中，所述第一处理单元还包括多通电磁阀，所述多通电磁阀与放电管阵列连接，用于将放电管阵列中的某一个或某几个放电管选择性的接入第一或第二回路中。

本实施例中，多通电磁阀包括多个接口，分别与放电管阵列中每个放电管的进气口连接，多通电磁阀可以根据回路中待活化气体的流速选择打开其中的一个或几个接口，从而将待活化气体通入放电管阵列中的某一个或某几个放电管中，例如，当气体流速为50-100ml/分时，多通电磁阀只打开接口1，待活化气体只能进入与之对应的放电管1，同时，监测与控制单元控制高压电源只对该放电管1供电，其余没有气体流过的放电管则不供电；当气体流速为100-150ml/分时，多通电磁阀打开接口1和2，待活化气体进入与之对应的放电管1和2，同时，监测与控制单元控制高压电源对放电管1和2供电，其余没有气体流过的放电管则不供电，依次类推。通过根据待活化气体的流速选择放电管的工作数量，可以一方面降低装置能耗，另一方面也能够延长放电管的使用寿命。

另一个实施例中，所述输送单元包括：气泵组件和电磁阀组件。

本实施例中，气泵组件包括加压气泵和循环气泵，其中，加压气泵的一端连接存储单元，另一端连接循环气泵，待活化气体经加压气泵加压后能够达到预定压强，为后续放电管阵列能够电离产生高浓度、高能量的等离子体提供了环境保障。循环气泵使得从存储单元输入的待活化气体能够在第一回路中循环流动或者使得从第二处理单元输出的尾气能够在第二回路中循环流动，从而提高气体的活化效率。

电磁阀组件包括第一y型电磁阀、第二y型电磁阀、第一单向阀和第二单向阀，第一y型电磁阀包括三个接口，分别与加压气泵、第一单向阀和循环气泵相连，通过控制第一y型电磁阀的不同开通状态，使得加压气泵与循环气泵连通或单向阀与循环气泵连通。第二y型电磁阀包括接口1、接口2和接口3，分别与流量计、多通电磁阀和液体材料处理腔室相连，需要对待活化气体进行活化处理时，将第二y型电磁阀调整为状态1，即接口1和接口2打开，接口3关闭，则由流量计输出的待活化气体通入由接口2输入放电管阵列，此时，第一回路形成。当第一回路中产生足够浓度的等离子体时，将第二y型电磁阀调整至状态2，即接口1和接口3打开，接口2关闭，则由流量计输出的等离子体活化气体由接口3通入液体材料处理腔室，此时，第二回路形成，液体材料处理腔室内产生的尾气经干燥管干燥处理后经第二单向阀再通入放电管阵列进行循环处理。

另一个实施例中，所述装置还包括监测与控制单元，所述监测与控制单元通过气压传感器监测第一或第二回路中的气体压强，并且通过电磁阀组件控制等离子活化气体在第一或第二回路中循环。

本实施例中，监测与控制单元为单片机、数字信号处理器、专用集成电路asic或现场可编程门阵列fpga中的任意一种，其中，优选采用stm32f103系列单片机，通过降压电路读取高压电源输出电压，即放电管的放电电压，通过流量计读取气路内气体的实时流量，通过驱动放大电路控制气泵的工作模式，通过反馈信号控制高压电源的放电电压。如果气流量过小就增大循环气泵的功率，如果气泵流量过小就降低循环气泵功率；如果高压电源电压过高就向高压电源输出信号使电压降低，如果高压电源电压过低就向高压电源输出信号使电压增大，实现对放电管阵列的持续控制，提高活化工作效率，提升活化气体的性能。

另一个实施例中，第二处理单元包括液体材料处理腔室，用于将待活化溶液与等离子体活化气体反应生成等离子体活化水。

本实施例中，液体材料处理腔室内所储存的待活化溶液可以包括生理盐水、医用纯化水、去离子水以及自来水等多种水溶液。

另一个实施例中，所述液体材料处理腔室通过加压灌装器连接有活化水储存瓶，等离子体活化水由加压灌装器加压后由储存瓶进行存储。

本实施例中，储存瓶的制备材料可以选择石英材料、陶瓷材料、pe材料、不锈钢材料、铝合金材料中的任意一种。

另一个实施例中，本公开提供一种等离子体活化水制备装置，包括：

待活化气体存储瓶，待活化气体存储瓶的输出端连接加压气泵的一侧，加压气泵的另一侧连接第一y型电磁阀的第一接口，第一y型电磁阀的第二接口连接循环气泵的一侧，循环气泵的另一侧连接流量计的一侧，流量计的另一侧连接第二y型电磁阀的第一接口，第二y型电磁阀的第二接口连接多通电磁阀的一侧，第二y型电磁阀的第三接口连接液体材料处理腔室的输入端，多通电磁阀的另一侧连接放电管阵列的输入端，放电管阵列的输出端连接y型阀的一侧，y型阀的另一侧通过第一单向阀连接第一y型电磁阀的第三接口，且所述y型阀和第一单向阀之间还设置有气压传感器；液体材料处理腔室的第一输出端连接干燥管的一侧，干燥管的另一侧通过第二单向阀连接多通电磁阀的一侧，液体材料处理腔室的第二输出端通过加压罐装器连接储存瓶；所述装置还包括高压电源，高压电源与放电管阵列连接，所述装置还包括监测与控制单元，所述监测与控制单元与所述气压传感器、高压电源、第一y型电磁阀、第二y型电磁阀、加压气泵、循环气泵、流量计、加压罐装器和放电管阵列分别连接。

另一个实施例中，本公开还提供一种制备等离子体活化水的方法，包括如下步骤：

s100：对待活化气体加压处理至预定压强；

s200：将待活化气体通入第一回路进行循环，生成等离子活化气体；

s300：关闭第一回路，将等离子活化气体通入第二回路，生成等离子体活化水，同时，将附带产生的尾气通入第二回路进行循环；

s400：关闭第二回路，将等离子体活化水加压储存。

下面，通过具体实验对本公开的技术方案所取得的技术效果作详细说明。

在相同放电电压和放电频率下，在标准大气压下和在200kpa气压下放电并分别制备200ml的等离子体活化水，活化时间分别为0、1、3、5、10分钟，将制备后的活化水分别进行大肠杆菌灭活实验，实验中取100μl大肠杆菌悬浊液(浓度：od600＝1)与900μl活化水混合摇匀并静置5分钟，实验结果如图1所示。图1中，随着活化时间的增加，在200kpa气压下制备的等离子体活化水的杀菌效果优于在标准大气压下制备的等离子体活化水，当活化时间持续5分钟时，在200kpa气压下制备的活化水杀菌效果高出在标准气压下制备的活化水一个数量级。

进一步的，在相同放电电压和放电频率下，选择放电时间为5分钟，分别在标准大气压和在200kpa大气压下制备200ml等离子体活化水，并分别保存0、10、30、60、120、240、480分钟。如图2所示，当静置时间为120分钟时，在标准大气压下制备的等离子体活化水基本丧失灭活效果，而此时，在200kpa气压下制备并封存的等离子体活化水仍有4个数量级的杀菌效果，当静置时间为240min时，在200kpa气压下制备并封存的等离子体活化水才基本丧失灭菌效果。

通过上述实验可以表明，通过在等离子体活化水的制备和封存过程中增加气压值，能够有效提升等离子体活化水的杀菌效果，同时延长活化水近一倍的杀菌有效时间。

需要说明的是，上述实施例仅是示例性的，本公开还分别在100kpa、150kpa、250kpa和300kpa气压条件下制备了与上述实施例中相同体积的等离子体活化水，重复上述实验步骤，实验结果表明：在100kpa气压下制备的等离子体活化水的杀菌效果与在标准大气压条件下无显著差异。但是在150kpa气压条件下制备的等离子活化水的杀菌效果大大强于标准大气压下，在250kpa气压条件下制备的等离子体活化水的杀菌效果更优，但是在300kpa气压条件下制备的等离子体活化水的杀菌效果与250kpa差别不明显。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。