大氣壓下直接耦合微波液相等離子體發(fā)生裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明實施例涉及等離子體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大氣壓下直接耦合微波液相等離子體發(fā)生裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，有關(guān)利用液相等離子體進行材料合成、材料表面改性、水處理的相關(guān)研究已有報道。與氣相放電相比較，液相放電產(chǎn)生的等離子具有空間分布大，密度相對較高的特點。在液相中產(chǎn)生等離子體的方法主要是高壓脈沖放電，通過浸沒在液體中的高壓電極和地電極來實現(xiàn)，放電形式主要有流光放電，火花放電和流光/火花混合放電。與氣相放電相比較，在液相中更難激發(fā)等離子體，是因為在液相中需要更高的分解電壓。微波放電等離子體一直被視為具有電子密度高、空間分布大的優(yōu)勢。然而，水是微波良好的吸收體(介電常數(shù)為80)，因此，水中很難形成強電場并使其產(chǎn)生微氣泡，而微波液相等離子體的激發(fā)，實際上是強電場擊穿水中的氣泡，進而形成電子雪崩，產(chǎn)生等離子體。人們通常采用的方法是對反應(yīng)器進行減壓進而降低水的飽和蒸汽壓，使水在大氣壓下容易產(chǎn)生氣泡。另一種方法是向水中注入超聲波，利用超聲空化原理，使水中產(chǎn)生氣泡。以上兩種方法都添加了額外的設(shè)備，增加了運行成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明實施例提供一種大氣壓下直接耦合微波液相等離子體發(fā)生裝置和方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中液相微波等離子體中無法在大氣壓下激發(fā)并穩(wěn)定維持的關(guān)鍵問題。
[0004]本發(fā)明液相微波等離子發(fā)生裝置，包括:
[0005]反應(yīng)器、進液口、排氣口、微波放電電極、矩形波導管、微波發(fā)生器;所述反應(yīng)器為石英材料、陶瓷材料或者其混合物，以使微波經(jīng)過所述矩形波導管直接耦合到所述反應(yīng)器內(nèi)部的液體中；
[0006]所述反應(yīng)器上端分別設(shè)置有所述進液口和所述排氣口，所述微波放電電極置于所反應(yīng)器中軸線位置，所述反應(yīng)器直接垂直貫穿所述矩形波導管，所述矩形波導管與所述微波發(fā)生器相連，放電電極全部浸在液體中。所述反應(yīng)器石英管在波導管區(qū)域內(nèi)充滿放電液體。
[0007]進一步地，所述微波放電電極可螺旋式上下調(diào)節(jié)。
[0008]進一步地，所述放電電極直徑為2mm-6mm。
[0009]進一步地，所述放電電極為鉑、鎢、鐵、鎳、銅、鈰或者其合成的合金。
[0010]進一步地，所述放電電極上部為金屬下部為陶瓷的復合體。
[0011]進一步地，所述反應(yīng)器為突變圓柱體、長方體、正方體以及球體的其中一種或其組入口 ο
[0012]本發(fā)明還提供一種大氣壓下直接耦合微波液相等離子體發(fā)生方法，包括:
[0013]進液栗將溫度為20°C_99°C的液體注入反應(yīng)器中；
[0014]開啟微波發(fā)生器，微波經(jīng)矩形波導管穿過石英反應(yīng)器，直接耦合到液體中，放電電極尖端形成微氣泡，微氣泡內(nèi)電子在強電場的作用下加速而獲得更高的能量，被加速的電子與水分子碰撞電離，導致氣泡擊穿，進而形成電子雪崩發(fā)展成液相等離子體。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
[0016]1、通過電極的上下螺旋式移動，將放電電極的尖端穩(wěn)固的旋入電場中，避免了因放電過程中電極劇烈震動而偏離電場中心，可以簡單穩(wěn)定的實現(xiàn)液相微波等離子體的激發(fā)；圓柱突變型石英反應(yīng)器設(shè)計，既保證了微波等離子體始終在液體中產(chǎn)生，同時液體又起到冷卻電極的作用，極大減緩了電極的燒灼。
[0017]2、無需任何減壓設(shè)備，在大氣壓條件下，直接在液相中激發(fā)等離子體并穩(wěn)定維持，極大減少了設(shè)備運行成本和設(shè)備體積
[0018]3、與傳統(tǒng)方法相比，即利用放電電極作為微波發(fā)射天線將微波能量傳入反應(yīng)器，本發(fā)明微波能量通過矩形波導管直接耦合到反應(yīng)器中，極大減少了微波反射損耗及傳輸轉(zhuǎn)換損耗，提尚能量利用效率。
【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1為本發(fā)明大氣壓下直接耦合微波液相等離子體發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021 ]圖2為本發(fā)明大氣壓下直接耦合微波液相等離子體發(fā)生方法流程圖。
[0022]附圖標記說明:
[0023]101-反應(yīng)器、102-進液口、103-排氣口、104-微波放電電極、105-矩形波導管、106-
微波發(fā)生器。
【具體實施方式】
[0024]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0025]圖1為本發(fā)明大氣壓下直接耦合微波液相等離子體發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本實施例的裝置可以包括:
[0026]反應(yīng)器101、進液口 102、排氣口 103、微波放電電極104、矩形波導管105、微波發(fā)生器 106。
[0027]所述反應(yīng)器101與直接垂直貫穿所述矩形波導管105，保證了微波能量直接耦合到反應(yīng)器的液體中，減少了微波反射損耗和微波轉(zhuǎn)換損耗，極大提高了能量利用率。
[0028]所述反應(yīng)器101上端分別設(shè)置有所述進液口102和所述排氣口 103，所述微波放電電極105置于所述反應(yīng)器101中軸線位置，所述矩形波導管與所述微波發(fā)生器106相連。放電電極全部浸在液體中。所述反應(yīng)器石英管在波導管區(qū)域內(nèi)充滿放電液體。矩形波導管采用電場加強型結(jié)構(gòu)設(shè)計使微波能量集中，并通過適當調(diào)節(jié)微波輸出功率，實現(xiàn)了大氣壓下液相中激發(fā)微波等離子體并穩(wěn)定維持。
[0029]具體來說，該漸變結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器保證了微波放電電極尖端附近的空間相對較小，電場得以加強，易于將反應(yīng)器局部液體汽化并激發(fā)等離子體。同時，也保證了該微波放電電極尖端上方有足夠大的液體儲備空間，以使等離子體始終在液體中展開和維持。
[0030]進一步地，所述微波放電電極可螺旋式上下調(diào)節(jié)。通過可螺旋式上下移動的微波放電電極，既保證了電極在反應(yīng)器中的穩(wěn)定性，又實現(xiàn)了電極尖端在電場中的最佳放電位置，并且拆卸簡單便于更換電極。該電極的設(shè)計簡單方便的實現(xiàn)液相微波等離子體的激發(fā)。
[0031]進一步地，所述放電電極為鉑、鎢、鐵、鎳、銅、鈰或者其合成的合金。
[0032]進一步地，所述放電電極為復合式絕緣。
[0033]具體來說，復合式絕緣的放電電極尾部的耐高溫絕緣部件避免了放電過程中微波向下部發(fā)射。
[0034]進一步地，所述反應(yīng)器為圓柱體、減縮圓柱體、長方體、正方體或者球體。圓柱突變型石英反應(yīng)器設(shè)計，既保證了微波等離子體始終在液體中產(chǎn)生，同時液體又起到冷卻電極的作用，極大減緩了電極的燒灼。
[0035]圖2為本發(fā)明大氣壓下直接耦合微波液相等離子體發(fā)生方法流程圖，如圖2所示，本實施例方法，包括:
[0036]步驟101、進液栗將溫度為20°C_99°C的液體注入反應(yīng)器中；
[0037]步驟102、開啟微波發(fā)生器，微波經(jīng)矩形波導管穿過石英反應(yīng)器，直接耦合到液體中，放電電極尖端形成微氣泡，微氣泡內(nèi)電子在強電場的作用下加速而獲得更高的能量，被加速的電子與水分子碰撞電離，導致氣泡擊穿，進而形成電子雪崩發(fā)展成液相等離子體。
[0038]具體來說，首先通過進液栗將溫度為20°C_99°C的液體以一定流量進入反應(yīng)器中，本實施例中反應(yīng)液為純水。同時通過將微波放電電極尖端移動到諧振腔中心處;矩形波導管與微波發(fā)生器相連，微波經(jīng)矩形波導管穿過石英反應(yīng)器，直接耦合到液體中，隨著微波輻射的時間增加，電極尖端形成微氣泡，微氣泡內(nèi)的電子在強電場的作用下加速而獲得更高的能量，被加速的電子與水分子碰撞電離，導致氣泡擊穿，進而形成電子雪崩發(fā)展成液相等咼子體。
[0039]本實施例液相微波等離子發(fā)生裝置中的微波放電電極與氣相放電電極不同，是始終直接與稠密的液體相接觸。液相放電不需要載氣，直接在液體中放電產(chǎn)生等離子體，生成的自由基等反應(yīng)活性物質(zhì)直接參與反應(yīng)，不需要傳質(zhì)過程，相比之下，液相放電等離子體密度大。本裝置實現(xiàn)了在大氣壓下微波液相中激發(fā)等離子體并穩(wěn)定維持。
[0040]最后應(yīng)說明的是:以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制;盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種大氣壓下直接耦合微波液相等離子體發(fā)生裝置，其特征在于，包括: 反應(yīng)器、進液口、排氣口、微波放電電極、矩形波導管、微波發(fā)生器;所述反應(yīng)器為石英材料、陶瓷材料或者其混合物，以使微波經(jīng)過所述矩形波導管直接耦合到所述反應(yīng)器內(nèi)部的液體中； 所述反應(yīng)器上端分別設(shè)置有所述進液口和所述排氣口，所述微波放電電極置于所述反應(yīng)器中軸線位置，所述反應(yīng)器直接垂直貫穿所述矩形波導管，所述矩形波導管與所述微波發(fā)生器相連，放電電極全部浸在液體中。所述反應(yīng)器石英管在波導管區(qū)域內(nèi)充滿放電液體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述微波放電電極可螺旋式上下調(diào)節(jié)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述放電電極直徑為2mm-6mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述放電電極為鉑、鎢、鐵、鎳、銅、鈰或者其合成的合金。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述放電電極為金屬與陶瓷的復合式混合體。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述反應(yīng)器為突變圓柱體、長方體、正方體以及球體的其中一種或其組合。7.一種大氣壓下直接耦合微波液相等離子體發(fā)生方法，其特征在于，包括: 進液栗將溫度為20°C_99°C的液體注入反應(yīng)器中； 開啟微波發(fā)生器，微波經(jīng)矩形波導管穿過石英反應(yīng)器，直接耦合到液體中，放電電極尖端形成微氣泡，微氣泡內(nèi)電子在強電場的作用下加速而獲得更高的能量，被加速的電子與水分子碰撞電離，導致氣泡擊穿，進而形成電子雪崩發(fā)展成液相等離子體。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種大氣壓下直接耦合微波液相等離子體發(fā)生裝置和方法，包括：反應(yīng)器、進液口、排氣口、微波放電電極、矩形波導管、微波發(fā)生器；反應(yīng)器為石英材料、陶瓷材料或者其混合物；反應(yīng)器直接垂直貫穿矩形波導管，微波經(jīng)過矩形波導管直接耦合到反應(yīng)器內(nèi)部的液體中。反應(yīng)器上端分別設(shè)置有進液口和排氣口，微波放電電極置于反應(yīng)器的中軸線位置，矩形波導管與微波發(fā)生器相連。本裝置實現(xiàn)了在大氣壓條件下微波液相中激發(fā)等離子體并穩(wěn)定維持，極大減小了設(shè)備運行成本。
【IPC分類】H05H1/24
【公開號】CN105430860
【申請?zhí)枴緾N201510815739
【發(fā)明人】孫冰, 趙曉彤, 朱小梅, 嚴志宇, 劉慧 , 劉永軍
【申請人】大連海事大學
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年11月19日