一种液中放电等离子体装置及其应用

技术领域

本发明涉及等离子体电化学领域，尤其涉及液中放电等离子体装置以及该装置的多种潜在应用。

背景技术

放电等离子体中含有自由电子、正离子、多种反应性成分并具有独特的光电性质，因此无论在基础科学还是工业应用领域都有着重要的作用。当等离子体与液体接触并发生相互作用时，在等离子体—液体界面、等离子体本身以及液体内部会发生一系列物理和化学过程，产生大量的活性成分，这些过程和产生的活性成分具有广泛的应用，如新型纳米结构材料合成、等离子体医学、植物增殖、污水处理、食物保存等。

按照等离子体和液体接触的方式，等离子体—液体系统可简单分为液面等离子体与液中等离子体。在液面放电等离子体中，通过等离子体-液体相互作用产生的活性成分有相当一部分会通过气相等离子体扩散掉而没有进入液相，然而液中放电等离子体中的活性成分大部分都进入到了液体之中。因此，相比于液面放电等离子体，液中放电等离子体在将等离子体反应活性转化为液体反应活性方面具有更高的效率，因此也具有较好的应用前景。然而，液体比气体更难击穿而产生放电等离子体，所以一般来讲，液中放电等离子体需要很高的电场强度来激发放电，因此较难产生。本发明旨在提供一种新的设计，从而降低液中放电的激发电场，使得在较低电场下就能形成液中放电等离子体，从而利用该设计高效地产生大量活性成分，使得液中放电等离子体可应用于多种潜在领域。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种可在液体中产生放电等离子体的装置。利用该装置在液体中产生放电等离子，等离子体通过等离子体-液体界面与液体发生相互作用，从而使得等离子体的反应活性转化为液体的反应活性，因而具有广阔的应用前景，如合成双氧水、制备纳米材料、等离子活化水、合成氨等。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种液中放电等离子体装置，包括一个十字型中空管，在十字型中空管的相对的一对管口设置一对包覆在介质管中的金属丝状或管状放电电极，其中至少一个放电电极尖端距介质管口留有一定距离；十字型中空管的另一对管口分别作为液体的流入和流出端口；

通过蠕动泵或者其他流体泵将待处理液体通入十字型中空管，使得十字型中空管内充满液体；在放电电极上施加直流、交流或者脉冲电压，当达到一定电压时，则可在缩进介质管的电极端产生放电等离子体，同时在液体中也可以形成纳米气泡，等离子体和纳米气泡都会对水起到一定的活化作用。

另外，产生放电等离子体处的金属丝状电极也可替换成金属或不锈钢毛细管，从而可选择性地通入等离子体反应气体。

本发明放电等离子体装置的应用领域如下：

1)合成双氧水：在缩进介质管的电极尖端加正电压，即可通过等离子体分解水得到双氧水；

2)合成纳米材料：若以金或者其他金属丝为电极，通过选择合适的处理液体，即可得到相应的金属纳米材料；

3)合成氨：以中空金属管代替缩进的金属丝电极并通入氮气，在液体中产生等离子体，则可得以氮气与水为原料合成氨；

4)以中空金属管代替缩进的金属丝电极并通入空气，在液体中产生空气放电等离子体，则可得到氮元素活化的等离子体活化水。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

本发明通过巧妙设计，使得通常需要极高电场的液中放电等离子体可以在较低的电场下实现。其发明要点为通过将液中电极缩进一个介质管，可以使得电极和液体之间存在一小段气体间隙，因而放电虽然在液体中进行，但实际的放电类似于气体激发放电，从而大大降低了液中放电所需的电场。该装置能产生大量活性成分，证明其可应用于双氧水合成、纳米材料合成及有机污水处理。

附图说明

图1为单个水中放电等离子体装置；(a)单电极放电装置，(b)双电极放电装置。其中，1和1’-十字型中空管，2和2’-液体流入口，3和3’-液体流出口、4和4’–介质管，6、7、6’、7’-放电电极，8和8’-放电等离子体区域。

图2为四组串联的水中放电等离子体装置；(a)单电极放电装置，(b)双电极放电装置。其中，1和1’-十字型中空管，2和2’-液体流入口，3和3’-液体流出口，4和4’–介质管，5和5’–放电电极，6和6’-放电等离子体区域。

图3(a)为液体为阴极，电流为15mA时水中放电照片，图3(b)为液体分别做阴极和阳极时等离子体发射光谱图。

图4为电流15mA，超纯水为阴极情况下，(a)不同流速下所得样品与酸化硫酸钛混合液光吸收谱，(b)不同流速下所得样品中双氧水的浓度，(c)不同流速下所得样品中双氧水的产率；其中407nm吸收强度和双氧水浓度(mM)的比例为0.275。

图5为电流15mA，HAuCl

图6为电流15mA，AgNO

图7为电流15mA，液体做阴极降解甲基橙水溶液(2.5mg/l)，(a)等离子体处理前后甲基橙溶液对比图(20min)，(b)甲基橙溶液吸收光谱随等离子体处理时间的变化。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

实施例1

参见图1(a)，本实施例设有一个十字型中空管1；十字型中空管可以为玻璃管或其他非导电介质管，在十字型中空管的一对管口设置一对包覆在介质管4、5中的金属丝状放电电极6、7，其中一个放电电极的尖端距介质管的管口留有一定距离，为放电等离子体区域8；金属丝可以是钨丝、金丝、铂丝、不锈钢丝等多种常用金属丝，介质管可以是玻璃、石英等介质管；金属丝伸出或者缩进介质管的长度可以根据实际放电情况调整。十字型中空管的另外一对管口分别为液体流入口2’和液体流出口3’。

通过蠕动泵或者其他流体泵将待处理液体分别从液体流入口2通入十字型中空管，并使得液体从液体流出口3流出，使得十字型中空管内充满液体。

在放电电极上施加直流、交流或者脉冲电压，当施加的电压达到缩进放电电极尖端和包覆它的介质管口之间的气体间隙的击穿电压时，则会在此放电电极尖端产生放电等离子体，由于放电作用，同时可在介质管口附近的液体内形成空化作用，产生大量的纳米气泡，等离子体和纳米气泡均会对液体起到一定的活化作用。

实施例2

参见图1(b)，本实施例设有一个十字型中空管1’，在十字型中空管的一对管口设置一对包覆在介质管4’、5’中的金属丝状放电电极6’、7’，其中两个放电电极的尖端距介质管的管口均留有一定距离，为放电等离子体区域8’；十字型中空管的另外一对管口分别为液体流入口2’和液体流出口3’。

实施例3

为了提升放电效率，单个十字型中空管也可通过图2(a)所示扩展为多个单体的串联，从而在液体中产生多组放电。具体地，本实施例设有4个串联的十字型中空管1，串联的一端设有液体流入口2，另一端设有液体流出口3，液体流入口和液体流出口之间平行设有四组介质管4；放电电极5置入介质管内，且只有一排的放电电极距离介质管的管口有一定距离，为放电等离子体区域6，呈单电极放电。

实施例4

参见图2(b)，本实施例设有4个串联的十字型中空管1’，串联的一端设有液体流入口2’，另一端设有液体流出口3’，液体流入口和液体流出口之间平行设有四组介质管4’；放电电极5’置入介质管内，且两排的放电电极距离介质管的管口均有一定距离，为放电等离子体区域6’，呈双电极放电。

应用实例1-合成双氧水

给两个电极施加直流电压，在流动的超纯水中产生放电等离子体。图3(a)为直观的液体做阴极时水中等离子体放电照片，从中可以看出等离子体产生于缩进石英管内的钨丝电极和管外的水之间(缩进2mm)，另一个钨丝电极伸出石英管5mm，但没有放电，仅作为导通电极。图3(b)给出了电流为15mA，液体为分别为阴极和阳极时水中放电的发射光谱。在两种情况下，在309nm和656nm处均出现了发射峰，分别对应OH自由基和H的发射。这说明等离子体将水分解为OH和H，OH通过自结合可形成双氧水(反应1-2)。

2OH→H

另外在300nm～400nm之间，液体做阴极的光谱中还出现N

本发明还考察了在电流15mA，液体为阴极情况下，双氧水浓度随液体流速的变化，图4(a)为不同流速下所得样品与酸化硫酸钛混合液光吸收谱，图4(b)为不同流速下所得样品中双氧水的浓度，图4(c)为不同流速下所得样品中双氧水的产率，其中407nm吸收强度和双氧水浓度(mM)的比例为0.275。结果如图4所示，可见液体做阴极的确可以合成双氧水，而且双氧水浓度和水的流速有关，流速越小，所得浓度越高，在15ml/min时，其浓度为3.2mM，但双氧水产率在30ml/min时最高，为74μmol/min，该产率是目前文献报道液体表面等离子体放电双氧水最高产率的4倍。

液体为阳极时，所得双氧水浓度很低，这和等离子体-液体界面处进入OH自由基被一些次级反应消耗掉有关，从而抑制了OH自我结合形成双氧水

应用实例2-合成纳米材料(合成金和银纳米颗粒)

对金纳米颗粒合成，采用HAuCl

应用实例3-有机污染物降解(降解甲基橙)

本实施例采用甲基橙溶液模拟了有机污水进行等离子体处理。

所处理的溶液为100ml浓度为2.5mg/l的甲基橙溶液，液体流速为100ml/min，等离子体放电电流为15mA，液体作为阴极。图7展示了所设计等离子体放电设备对甲基橙溶液处理的结果。图7(a)明确地表明等离子体处理后，甲基橙溶液完全褪色。图7(b)给出了不同处理时间后甲基橙溶液的吸收光谱，可以看到甲基橙的特征吸收谱带强度随着处理时间迅速降低，证明甲基橙分子能被等离子体的活性成分所分解。因此该等离子体设备完全可应用于有机污水的处理。