CN102870502A - 用于将等离子粒子施加至液体的方法和装置以及用于消毒水的用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于产生等离子粒子并且将等离子粒子施加至液体的方法和装置。将液体进料(例如，混合有生物质的水和/或烃)通过管道泵送；之后将单相流转变为室内的两相液体-气体流。转变通过将流从高压区转移至较低压力区实现。当该流进一步通过用于雾化液体的器件时可能出现压降。在室内，用超过两相介质的击穿电压的阈值的强度水平产生电场，导致等离子态的生成。此外，本发明使用等离子粒子使污染水的生物制剂失活，以提供能量效率高度适应性的和通用的用于清洁水的方法和装置。

Description

用于将等离子粒子施加至液体的方法和装置以及用于消毒水的用途

发明领域

本发明涉及一种在液体和气体的混合物中产生等离子体的方法，以及为此的装置。更具体地，本发明提供一种用于产生等离子体并且将等离子粒子施加至悬浮在气态环境中的液滴，以便促进多种化学和物理相互作用的方法和装置。 

发明背景 

等离子体是物质的一种状态，其中物质粒子可以以离子形式在高能条件下自由流动。等离子态可以在通过释放在小空间中限制的大量电能的情况下人工引发。 

需要高能量局部施加的多种工业应用采用等离子体。例如，在水性电解液中的电弧放电，如用于在海水之下焊接，被广泛地在工程和建筑中使用。 

已知用等离子体可以采用的显著量的能量，以及这种应用的空间控制水平，可以预期的使用等离子体的工业应用的数目是显著的。然而，目前液体介质中稳态等离子体放电的唯一已知形式是液体水中的电弧放电。 

近年来，在多种物理化学研究和多种材料的合成中使用了水中的电弧放电。液体介质中电弧放电的具体特性是电极末端附近的等离子体区域的局域化和“下降”形式的伏安特性。 

现有技术提供了在液体内产生等离子体的尝试的多个实例。在美国，有描述用于在液相内引发等离子体放电的方法和装置的大量专利和已公开专利申请，其中存在气相状气泡，以及该放电用于化学过程的激励如化合物的分解和物质的裂化的用途，例如，其可以在解毒中使用。 

在Nomura等的专利US 7,067,204(2006)中，提出了“浸没式等离子体产生器，在液体中产生等离子体的方法和用液体中的等离子体分解毒性物 质的方法(Submerged plasma generator，method of generating plasma in liquid and method of decomposing toxic substance with plasma in liquid)”。描述了一种用于在液体中产生等离子体的方法和装置。该装置包括用于在液体中产生气泡的超声波产生器，以及电磁波产生器，所述电磁波产生器用于从液体内部将电磁波连续地照射至液体中，以便产生等离子体。在液体中产生等离子体的方法包括以下步骤：通过在液体中照射超声波在液体中产生气泡，以及通过从液体内部将电磁波连续地照射至气泡而在气泡中产生等离子体。此发明包括：在液体介质内产生气泡的多种方法，如加热器件、减压器件或超声波产生器。通过后面的描述的气泡产生方法获得的气体-液体比例小。基本上，在介质中液相占优势。因此，放电的稳定燃烧区相当小，导致器件的应用领域非常小。 

在Long和Raymond的专利US 5,270,515(1993)中，提出了“用于危险废弃物的微波等离子体解毒反应器和方法(Microwave plasma detoxification reactor and process for hazardous wastes)”。公开了用于二 

英类、呋喃类和其他毒物的“原位”解毒的大体积微波等离子体方法。将低损耗电介质管的螺旋管和圆筒共轴设置在微波共振腔内以从交叉极化的流体入口延伸至交叉极化的蒸气出口。通过引入至该腔内的微波能量，将通过螺旋管圆筒的流体直接离子化为等离子态。螺旋管相对于圆筒的几何结构在等离子体中诱导磁场，从而将等离子体压缩至圆筒的中心，从而防止圆筒壁的炭化(charring)。该几何构型还提供用于处理液体和固体废物的较慢的落空(fall through)速率。该方法和装置特别适合于用于危险废弃物的现场处理的移动应用。在后一种装置中，通过用于离子化的微波照射，处理液体介质。然而，后一种方法需要复杂的仪器和高能量微波照射，并且仅可以应用于有限范围的液体。在后一种发明中，使用微波以离子化通过的螺旋管圆筒的流体，用于产生等离子体，其消耗大量的能量。 

在Chang等的专利US 4,886,001“用于液体废弃物的等离子体高温分解的方法和装置(Method and apparatus for plasma pyrolyisis of liquid waste)”中，公开了用于热解分解废料的方法和装置。该方法的特征在于：将废弃物和水的混合物注入至具有超过5000℃的操作温度的等离子体炬中，以形成产物气体和固体颗粒的混合物。将气体和颗粒在旋风分离器中 分离。第二旋风分离器和部分真空将任何载气与颗粒分离。将载气和颗粒在洗涤器中用苛性溶液和水处理，以便从气体除去任何负载的颗粒，并中和气体中存在的盐酸(HCl)。最终将气体从洗涤器移除。在后一种装置中，仅使用等离子体作为用于物质分解的高温源。 

在都是Bar-Gadda的美国专利申请2004/0265137 A1，12/2004，和美国专利7,384,619，“用于从等离子体中的水或水蒸气产生氢的方法(Method for generating hydrogen from water or steam in plasma)”中，提出了通过在超高无线电频率或低无线电频率且用电弧放电激发的等离子体放电的方式由水或水蒸气制备氢的方法。Bar-Gadda描述了将水分子以水蒸气的形式注入至等离子体放电体中，所述水蒸气通常由水沸腾器产生，因此降低了整个工艺的效率。 

Wang的美国专利7,070,634 B1 A1，4/2006，“用于从水和燃料制备氢的等离子体转化器(Plasma reformer for hydrogen production from water and fuel)”描述了：用于将水蒸气和烃的气态混合物转化为氢的等离子体装置。反应室由充当发射电极的外壁和充当收集电极的内壁组成。将水蒸气和烃的混合物引入至在非平衡热等离子体环境内的这两个层之间。使用非燃烧高温分解工艺产生该环境。 

在Shibata等的日本申请JP2006273707中，涉及公开“无定形碳纳米粒子和碳包封的金属纳米粒子在液体苯中通过超声空化场中的电等离子体放电的合成(Synthesis of amorphous carbon nanoparticles and carbon-encapsulated metal nanoparticles in liquid benzene by an electric plasma discharge in ultrasonic cavitation field)y，Ultrasonic Sonochemistry 13(2006)6-12，Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Material(IMRAM)，Tohoku University。此申请示例了用于制备纳米碳材料的方法和器件，其不需要昂贵的生成设施如用于干处理通常需要的设施。这可以容易地产生纳米碳材料，因为不需要施加高电压，既不恶化也不破坏生产地的工作环境，并且同时考虑到了安全性。该方法通过提高生产效率，显著地降低生产成本，原因在于其连续生产和回收，并且提供用于大量生产的备选方法。该方法包括：过程(A)，用于设置连接至电源的电极，一个阴极和一个阳极；连接至其中在填充容器的有机溶剂内的超声产生器的超 声角(horn)；以及过程(B)，用于在超声角的头部周围通过进入有机溶剂中的超声波产生超声空化场；和通过将电压施加至电极实现分子在有机溶剂中的热分解，以便在适合于制备纳米碳材料的超声空化场内产生等离子体放电。 

Yamasaki等的美国专利6,835,523描述了“用于用超声震动制造碳涂层的方法(Method for fabricating with ultrasonic vibration a carbon coating)”，这是用于在设置在连接至高频电源的电极的一侧上的介质中制造碳涂层的方法。之后将超声振动施加至目标。 

现有技术(上述)缺乏连续操作的控制，并且需要大的功率，这可能是在工业上不可行的。因此，已知使用等离子体引起破坏化合物和合成新的一种两者的化学反应的实际预期的益处，对于提供以成本有效的水平和用于可放大工业应用的模块化的连续操作的方法和装置存在需要。 

发明概述 

本发明提供一种用于产生等离子体和将等离子粒子施加至液体的方法和装置。根据本发明的将等离子粒子施加至液体的方法依赖于将液体转变为悬浮在气相中的液滴的混合物且在气相中激发等离子态的基本概念。等离子粒子可能通过液滴扩散。液滴可以具有数十微米(或者甚至更小)的直径，从而给定液滴的小尺寸和气体与液相之间的大比例，扩散过程高度有效并且需要少量的时间。 

下一个阶段典型地包括使混合物返回为液相。然而，因为在等离子体的存在下发生的一个或多个反应的产物可以包括一种或多种气体、固体粒子或任意其他副产物，可以实施一种或多种产物分离的方式。 

根据本发明的实施的方法包括：将单相流转变为两相液体-气体或液体-蒸气流，其可以通过将流从高压区(例如，管道内)转移至较低压力区(例如，等离子体室)实现。此外，转移可以穿过隔膜、超声流体动力型换能器或能够雾化液体的任何其他工具进行。 

该方法包括在混合物内激发等离子态。后者典型通过以下方式进行：以超过低压区内的两相介质的击穿电压的阈值的水平并且穿过两相介质的流产生电场。 

与用于激发和维持等离子体以便将等离子粒子施加至液体的现有技术比较，能量消耗速率相当更低。根据本发明的方法的高效率赋予本发明的实施灵活性、可放大性以及因此的模块性，所有特性有利于用于大量生产的工业实施。 

反应典型地在反应器中进行，所述反应器具有在入口处用来雾化液体的喷嘴和在出口处的背压***。其中产生放电的两相流具有在气相与液相(即气体相流中的液滴)之间具有大界面的动力学团簇结构。通过改变喷嘴的输入中的压力和出口管道中的反压，可以改变流中气相与液相的比例，以及放电稳定燃烧的模式以及由此，在等离子体室中发生的化学反应的方向和速度。 

根据本发明的装置可以在用于实施多种应用的多个***中采用。本公开描述了用于使用等离子粒子的施加消毒供水的应用。在很多紧急情况下，如在飓风、季侯风、地震、洪水、恐怖袭击、战争或任何其他类型的影响的后果中，供水可以被有害的生物制剂污染。在这些情况下，可以将水清洁***安装在特定区域以消毒水。这些区域可以包括住宅、工厂、医院或可以是例如包括危险生物制剂的恐怖袭击的目标的任意类型的建筑物。实施本发明的水清洁***可以放置在水基站之后以及在每个建筑物的附属物内以提供水消毒。 

在等离子体中产生的多种离子化粒子、新合成的分子(例如臭氧)以及由较大分子的破坏得到的分子可以在将污染水流的生物制剂去活中有效。实施本发明的水清洁装置是高度可适应的和通用的。例如，可以组合多个装置以增加清洁产量。同样，控制输入参数的可能性使得装置的使用者能够管理对水每种效果(即UV、IR、臭氧、弹性波的频率)的产生，以便最优化消毒工艺。此外，因为操作的低能量需求，可以使装置适合于由太阳能驱动。因此，在需要的情况下提供在边远的区域中可以使用的***。 

此外，可以将处理过的水在相同的器件和/或多个器件(例如，串联安装)内再循环以便确保高水平的消毒。例如，因为进料可以含有每一种可能需要特定处理的多种污染物，可能需要再循环阶段以将水脱除特定污染物。 

附图简述 

图1是表示根据本发明的实施方案的用于在两相介质中产生等离子态的全部步骤的流程图。 

图2是表示实施用于将等离子体施加至液体的本发明的***的基本组件的框图。 

图3显示根据本发明的实施方案的用于将等离子体施加至液体的***的一部分的剖面图。 

图4显示根据本发明的实施方案采用流体动力型换能器用于将等离子体施加至液体的***的一部分的剖面图。 

图5显示根据本发明的实施方案采用微波功率源产生电场的用于将等离子体施加至液体的***的一部分的剖面图。 

图6是表示根据本发明的实施方案的消毒水的步骤的流程图。 

图7是表示实施本发明的提供水清洁的***的组件的框图。 

图8是表示以本地水平使用本发明的实施方案的***的框图，其中水源是大的分配网络并且实施本发明的装置在消费者附近采用。 

图9是表示实施本发明的依赖于太阳能提供水清洁的***的组件的框图。 

发明详述 

本发明提供用于将等离子体施加至液体的方法和装置。本发明使用与现有技术的教导比较基本上更低的能量需求，提供在气体中产生的高导电性，这有助于引发并维持等离子态。本发明的实施方案通过有效地产生悬浮在气体中的液滴的两相介质实现后者。本发明提供用于控制液滴的尺寸、液体与气体的比例以及等离子体的强度、其局域化和多个其他参数的手段，这些将允许本领域技术人员将本发明应用至多种应用。 

在以下说明中，给出了许多具体细节以提供本发明的更彻底的说明。然而，对相关领域的技术人员将显见的是，可以不带有这些具体细节实施本发明。在其他情况下，公知的特征未详细描述以便不使得本发明没有重点。该说明书之后的权利要求定义了本发明的边界和限制。 

除了其他示例应用之外，本公开还描述了本发明的以下实施方案：其 中实施本发明的***能够使已知(或可能潜在地)被除生物制剂污染的水脱除。相关领域的技术人员将知道按照本发明的教导可以设计多种***和方法以实施多种不同应用，而不脱离本发明的精神和范围。 

术语 

在本公开中，对“气体”的提及有时可以用于指代物质的状态，其中物质以其通常形式发现(例如，空气)，但在其他情况下，它可以用于指代暂时获得一些或所有的气体性质的物质(例如，蒸气)。类似地，对液体的提及可以用于指代通常以其液体形式发现的物质，和/或暂时形成液体(例如，冷凝物)，或者与其他物质(例如，通过稀释)组合并且暂时形成液体的物质。这些状态，和/或状态变化对本发明的实施方案可以是非常有益的，以便例如使用过渡状态从混合物分离给定物质。 

一般概念 

在通常的条件下，气体中电荷载体(电子和离子)的浓度非常低：气体是非常好的电介质。气体需要可以通过离子化产生的大量电荷载体的存在以便获得任何显著的导电性。一旦存在电荷的起源与消失之间的平衡，气体就获得稳定的导电性。 

人工产生等离子体的最普通的方法是通过在高电压下在一对电极之间产生电弧。在气体中，放电电压必须达到给定的水平即击穿电压，以便离子化气体粒子。之后可以由持续的电流通过等离子体保持等离子态。 

气相中放电的出现或阈值相当地依赖于气体的压力。因此，在击穿电压的均匀场(自维持的放电起始电压)的情况下，阈值由压力与电极之间的距离的乘积，根据帕邢定律(Paschen′s Law)确定。帕邢(Paschen)确定击穿电压由以下公式确定： 

$V=\frac{a\left(\mathrm{pd}\right)}{\ln \left(\mathrm{pd}\right)+b}$

其中“V”是以伏特计的击穿电压，“p”是气氛中的压力，“d”是以米计的空隙距离，并且“a”和“b”是表征电极之间的特定气体的常数。因此，与相对 不可压缩的液体相反，通过改变电极之间的气体的压力，可以在气体中实施不同形式的放电。 

在气相中，可以实施不同类型的放电以产生等离子体，其外部表现和电参数与在每个实施和确定穿过气体的电流通道的条件的多种基本过程中使用的器件在宽范围的技术特征相关。 

根据本发明的方法将液体从非常高压区转移至较低压区。液体因此展现一种“蒸发”(或气化)现象。此外，对后一种固有行为，在本发明的实施方案中液体的气化可以由一个或多个用于雾化液体的工具进行。例如，实施本发明的***可以采用喷嘴、隔膜、流体动力型换能器或能够产生液滴的任何其他工具。作为转变的结果，液相组成和物理性质由仅液体急剧改变至液体和气体的两相状态。后一种状态有利于在液体和气体的混合物内产生放电。 

在本发明的实施方案中，随着气体与液体的比例增加，当需要等离子产生态时，它产生促使电击穿的条件。 

图1是表示根据本发明的实施方案的用于在两相介质中产生等离子态的全部步骤的流程图。在步骤110，实施本发明的***获得液体混合物，即进料。进料可以包含任意数目和种类的液体，任选地与一种或多种稀释、悬浮和/或乳化的物质混合。对于使用本发明的实施方案的任何特定应用，可以由用户选择进料的组成。进料可以含有水、电解质和任何其他物质(例如，油)，它们可以在根据本发明的应用作为在反应中破坏、合成或促进(例如，催化作用)的靶标。 

在步骤120，实施本发明的***使进料通过将进料由液相转变为含有液体和气体的两相状态的器件。后者可以是通过以下方式实现：使液体通过喷嘴、隔膜、流体动力型换能器或能够产生液体的液滴如喷雾的任何其他工具。 

对于每种进料，可以调整将液体转变为两相状态的参数和方式。例如，可以根据进料的密度和/或组成，或对于使用本发明的实施方案的给定应用的任何其他需求，调节喷嘴的开口尺寸和很多其他参数，如压力、流体动力型换能器调节，或任何其他参数。 

在本发明的实施中，可以将进料从液体至液体-气体状态的转变设计 为在至反应器中的通道处出现。反应器(更详细的说明见下文)典型地包括具有用于引发并维持等离子体的电极的容器。 

在步骤130，进料穿过简称为反应器的的反应室，其中引发并保持等离子体。等离子粒子的存在、温度、压力、进料组成决定在反应器发生的化学反应的类型。等离子态增加局部温度和压力并产生其他效果如发光、红外(IR)辐射和紫外(UV)辐射。可以继之而来的是化学键断裂和自由基释放。例如，如果流体为水，等离子态将产生臭氧和OH自由基，它们具有极大的反应性和氧化性气氛，其对流体具有重要的效果。 

在反应室中，可以实现稳定的和稳态的电等离子体放电。可以对于每种介质测量这些稳定的特征，从而使得可以通过收集数据并调节参数最优化燃烧参数，以便根据所需的应用，满足具体的技术任务。给定燃烧特征的稳定性，本发明使得人们可以容易地调整需求或功率。 

在步骤130，可以在本发明的实施方案中采取用于分离反应的副产物的其他步骤。 

在步骤140，将液体-气体进料的流转化回至液态。然而，因为其他固体和/或气体化合物可以由在反应器发生的反应得到，可以将那些化合物通过不需要至液相的转化的其他方式(见下文)分离。 

图2是表示实施用于将等离子体施加至液体的本发明的***的基本组件的框图。框220表示一个或多个进料源(其也可以被称为进料容器)，它可以是应用储存进料和/或制备进料的混合物的槽。此外，框220可以表示用于进料的连续进料的管道。进料容器220向由框230表示的预调节***进料。可以使用对于传送进料所需的泵、管道和任何其他器件将进料从进料源220转移至预调节***。 

框230表示一个或多个预调节***，所述预调节***可以包括加热器、冷却***、真空和/或压缩器件和可以对在根据本发明的实施方案用等离子体处理液体之前处理进料有益的任何其他***。因为该预调节***提供的高多功能性，实施本发明的装置可以容易地改变操作参数如温度、压力、密度和浓度等。以多种方式配置预调节***的能力使得本发明的实施方案能够提供最优化的一组参数，以对进料和/或进料的类型施加等离子体的每个所需结果引发并保持稳定的等离子体放电。 

框240表示数据收集、处理和控制***。可以配置实施本发明的***的任何组件以将数据收集并传送至控制***。例如，可以在操作的任何阶段测量环境参数，如温度和压力，并且收集并处理数据。此外，可以将控制***配置为控制***的任何器件并使用反馈数据以最优化操作。例如，控制***可以控制泵以便增加或降低反应器内的压力，以便最优化由给定化学反应所需的压力水平，以及通过反应器、预调节***、后调节***或实施本发明的***的任何其他组件的流速。 

加压的流通过预调节***230通过高压管道235流动至反应器260中。通过设计，可以设置反应器260的尺寸，如液体的入口使得液体在反应器内膨胀。 

在本发明的实施方案中，反应器之前的介质压力可以，例如，在1至100atm的范围内，而反应器中的压力可以在0.1至0.8atm的范围内，反应器之后的压力可以在0.5至4atm的范围内。在喷嘴区中所测量的压力通常可以是0.1atm，并且反应器之前液体的压力可以是100atm。 

在本发明的实施方案中，等离子体室260由电介质材料制成，并且包括两个部分，它们之间存在金属密封塞以实现放电电极的角色。第二电极可以连接至单元的管道电枢。 

可以使放电模式适合于实现多种结果，以下是放电激发的变体的实例： 

-放电可以是来自整流器通过镇流电阻的恒定电压 

-放电可以来自充电至击穿电压的能量储存器件(例如电容器) 

-放电可以来自交流电压(例如，具有30-50kHz的频率)的源。在所测试的情况中，将等离子体使用100atm的压力(即在反应器压力之前)和10KV以上的放电电压激发。在稳态模式下，可以将压力降低至65atm以下，并且电极之间的电压为500至4000V(或以上)，其依赖于室的几何结构。放电电流为数百个mA至数个A。 

反应器260可以包括用于控制在反应器内产生的环境的多个器件。例如，反应器包括可以由一系列安全传感器如压力计、温度计、真空计或任何其他传感器触发的紧急倾泄阀。反应器包括用于在反应器内加入试剂的一个或多个喷嘴。 

为了提高两相介质的气体/液体比例，并且依赖于采用所公开的方法 的应用，可以采用喷嘴、隔膜或流体动力型换能器以进一步增强气体和液体的混合物的产生。在本发明的实施方案中，可以在对反应室最小的改变下产生多种不同类型的等离子体。例如，通过更改电源单元(例如，框250)的操作参数可以获得后者。 

框250表示一个或多个电源***。可以使用电源250以控制放电，也可以将其配置为通过控制***240控制，以便调节操作参数用于最优化使用实施本发明的***。 

在通过反应器260之后，该流穿过变窄管道265流入至由框270表示的一个或多个后处理***中。可以使用变窄管道的直径设定反应器之后的压力水平。 

框270表示一个或多个后处理***，所述后处理***包括一个或多个用来冷凝两相流的工具，以便将液体流转变回为液体单相流。根据本发明的实施方案的后处理***包括至少一个冷却器件、至少一个压缩器件、至少一个冷凝器件和可以有益于本发明的任何特定实施的任何其他器件的任意组合。在进料含有两种以上物质的组合或者通常等离子体处理的产物产生含有多于一种物质的液体的情况下，后处理***可以包括多个工作站。例如，根据本发明的后处理***可以包括用于分别收集每个单独的物质的多个后处理工作站。在拥有明显不同的冷凝温度的物质的情况下通过提供多个冷凝工作站可以获得后者，其中每个工作站提供温度和/或压力以允许目标物质或其组合的冷凝。 

将产物和/或残留液体收集在接收槽280中。为完全利用未使用的进料，在***的封闭循环操作中，可以将槽280和210连接。 

如上面所介绍的，实施本发明的***的组件可以是增加并且并联和/或串联安装，以便将任何应用放大至工业水平。***的模块化还允许在一个位置进行一个阶段，并且将液体和/或气体输送至其他工作站用于使用和/或进一步处理。 

用于产生两相介质和等离子粒子的工具 

对于每种类型的进料，依赖于应用存在一组最优的参数。然而，存在反应器内产生稳定的等离子体放电的宽范围的参数组合。对于纯液体，可 以计算这些最优参数或理论推测它们，对于混合物，它们应当被实验测定。 

通过改变放电的电源参数和反应器特征，可以影响在气/液比流内的等离子体辉光的过程。 

可以再特定的应用中使用另外的超声设备，因为它提供用于一些其他应用的可能性，虽然它不是不可缺少的。此外，在入口的单元，除了产生两相介质之外，还具有产生超声波的功能。 

在本发明的实施方案中，强迫单相流由高压区通过喷嘴、隔膜或流体动力型换能器至其中压力低于所述流在局部温度的蒸气压力的区域。将单相流作为液体加速。之后，在喷嘴、隔膜或流体动力型换能器的膨胀区，发生喷射流的闪蒸，因为压力低于蒸气压力。闪蒸现象是瞬间绝热相变，所以它可以被认为是在场中的不连续性，并且在通过蒸发波过程由喷嘴出现的液体核的表面出现。 

在蒸发不连续性的下游，形成两相流，其中连续相是具有分散液滴的气态。该流达到超过局部声速的非常高的速率，从而产生扼流，意味着可能没有流速随着背压(即室内)降低而升高。 

通常，两相流中的声波的速度不仅比液体(水)中的声波的速度低得多，而且也比气体(水蒸气)中的声波的速度低得多。 

例如，在常规条件下，水中的声速为约1500m/s，并且空气中的声速为约340m/s。在其中分体积的比例在0.2至0.9的范围内的空气和水的两相混合物中，声波的速度在20至100m/s的界限内。混合中相的分体积“β”的比例由下式给出： 

β＝Vg·(Vg+Vw)^-1

其中“Vg”是气体/空气的体积，并且“Vw”是水的体积。在0.5的体积比“β”下最小声速值为20m/s。在高真空下，可以将声波的速度降低至每秒数米。 

在本发明的实施方案中，之后可以通过冲击波的方式进行膨胀过程，其中关于对流体的所需效果，流动压力被背压突然稳定。 

图3显示根据本发明的实施方案的用于将等离子体施加至液体的***的一部分的剖面图。管道302中的液体301从高压P区流动至等离子体室303中的低压区中。从高压至低压的转变将管道302中的单相流转变 为等离子体室303内的两相高气/液比流。根据所需应用的需要，将电极304和305设置在等离子体室303内。电极被连接至提供稳态等离子体放电燃烧的激发和维持的电压源。在通过放电区315之后，两相流流动至管道317的变窄区中，在其中它冷凝回为单相流。阀314使***能够控制室内的压力。 

图4显示用于根据本发明的实施方案采用流体动力型换能器将等离子体施加至液体的***的一部分的剖面图。在本发明的实施方案中，流体动力型换能器可以是隔膜416和通过增加通过隔膜416的流的气/液比而改善两相流产生的更大直径的管道402区。根据本发明的特定所需应用的需要，将电极404和405设置在等离子体室403内。电极被连接至电压源，所述电压源提供稳态等离子体放电的燃烧的激发和维持。在通过放电区415之后，两相流流动至管道417的变窄区中，其中它冷凝回单相流。阀414使***能够控制室内的压力。 

在其中不需要使用金属电极的应用中，例如为避免金属离子由电极金属转移至液体中，本发明的实施方案可以采用高频(HF、UHF)和/或微波放电(MW)，其进一步允许输送更高功率的放电而不丧失稳定性。 

图5显示根据本发明的实施方案采用微波功率源产生电场的用于将等离子体施加至液体的***一部分的剖面图。在图5中所示的实例中，可以采用流体动力型换能器516和更大直径的管道502区。将放电区515通过连接至微波功率源507的波换能器506辐射。作为微波功率源，可以使用例如通过铁氧体阀508连接的磁控管。图5还显示了放置在反应室503内以进一步促进两相流的均化的以膜形式的流体动力散热器(radiator)518。在通过放电区515之后，两相流流入管道517的变窄区，在这里它冷凝为单相流。阀514使得***能够控制室内的压力。 

本发明提供实施多个应用的基本方法和装置，每一个应用可以用来达到特定的目的。将等离子粒子施加至液体的目的是多样的，并且可以设计每个特定的应用以产生导致一种或多种物质的破坏的化学反应。在其他实施方案中，目的可以是从进料中存在的原始产物开始的新产物的合成。然而，在其他实施方案中，目的可以是破坏一组化合物同时合成其他产物两者的组合。一个或多个专业领域如等离子体物理、工程、化学和生物化学 中的技术人员将认识到，通过在液体周围高度可控的环境中提供产生等离子体的工具，本发明开创了通向多种应用的道路，其目的可以是破坏一些物质，例如，以便从废水除去毒素，分子的合成如分子氢的形成或两者的组合。 

用于清洁水的方法和装置 

本发明提供用于消毒水的方法和***。遵循本发明的教导，在等离子体的存在下(见以上说明)与等离子体至液体的施加组合在反应器内产生的条件提供用于将水脱除对消费者可能造成危险的生物制剂的合适的环境。 

图6是表示根据本发明的实施方案的将水消毒的步骤的流程图。在步骤610，将对潜在地含有有害的生物制剂的供水带给实施本发明的消毒***。步骤610可以包括预处理的其他步骤，包括过滤、倾析与化学品混合和/或预处理的任何其他步骤。 

在步骤620，将水注入之反应器(如上所述)中以产生含有悬浮在气体中的液滴的两相混合物。该反应器包括一对电极，所述电极用于在反应室内引发等离子体。在步骤630，产生等离子体，例如，通过使高电压电流通过电极产生。多种水消毒因子伴随有等离子体的产生。在消毒因子中有：紫外辐射(UV)、红外辐射(IR)、臭氧和超声振动的冲击。例如，使用上面给定的参数(200至2000伏特/cm)，在等离子体室中产生具有波长约320nm的UV和具有波长840nm的IR。 

下面的表1列出了在等离子体的存在下产生的消毒剂以及将消毒剂施加至水中的生物制剂所预期的效果的概述。 

表1：在等离子体的存在下在反应室中存在的因子和它们对生物制剂的消毒效果。 

归因于通过本发明提供的等离子体对液相中含有的生物制剂的接近，已知具有消毒效果的多种媒介在与生物污染物最接近处的介质中直接产生。 

刚性(Rigid)UV光(具有短波长)对于生物制剂的破坏是最有效的。随电场的压力增加(即其至上面给出的电压范围(200至2000伏特/cm)的顶部边界的移动)，200纳米以下的UV波长倾向于稳定降低。在后一种情况下，在等离子体室中产生高浓度的臭氧。 

具有频率15至40kHz的超声(US)能够灭活生物制剂。在这种情况下，最初的水移动穿过流体动力型换能器进入等离子体室内。可以将流体动力型换能器初步调节至频率的以上范围，并且也可以起至等离子体室的入口喷嘴的功能。 

本发明的实施方案采用由这种金属如银或钛制成的电极，这可以增加处理的抗菌性。放电区中棒状电极的引入导致水被臭氧的饱和。归因于其高度氧化性和对生物试剂的生物化学的效果，臭氧对于细菌和多种类型的微生物的灭活是非常有效的。 

以大的放电电流量，观察到在从紫外至红外的波长的宽范围内的强烈辐射。后者促进在等离子体中和液体中化学活性粒子的形成。通过改变声学和电参数，可以控制所发射的辐射的波长，从而产生位于辐射光谱中300至600纳米的宽光谱的紫外辐射。后者还促成水清洁，因为紫外穿透 有机体细胞壁，从而破坏其遗传物质。 

流体动力型换能器在介质中产生超声场，这提供等离子体放电产物(臭氧、原子氧、氧离子和其他氧化剂)至微生物和污染物的加速质量转移。这种方式，等离子体放电产物在少量的时间内影响微生物和污染物，并且清洁是有效的。 

根据本发明的反应器，除产生消毒媒介(例如，臭氧、紫外和超声波等)自身的每一种之外，还可以同时产生后面的媒介中的两种以上。这些媒介的两种以上的组合在将水清洁上甚至更有效，因为这些效果是可累积的。 

紫外(UV)光是10nm至400nm的范围内的电磁辐射的光谱。使用UV光用于水消毒的可能性已经已知了数十年。UV光穿透细胞体，破坏支撑有机体中所有遗传信息的储存和表达的脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)，从而防止繁殖或杀死细胞。UV处理在化学上不改变水。除了能量之外未加入任何东西。在理想的条件下，UV处理可以提供所有细菌多于99％的减少。 

臭氧通过以下方式生产：当氧(O₂)分子由能量源分解为氧原子并且随后与氧分子碰撞以形成不稳定的气体，即臭氧(O₃)，其用于将水消毒。臭氧现场产生，因为它是不稳定的，并且在生成之后在少量的时间内分解为元素氧；它是非常强的氧化剂和杀菌剂。使用臭氧的消毒机制包括： 

-细胞壁的直接氧化/破坏，使细胞成分漏出细胞外侧。 

-与臭氧分解的自由基副产物的反应。 

-对核酸成分(嘌呤类和嘧啶类)的破坏。 

当臭氧在水中分解时，形成自由基、如过氧羟基(HO₂)和羟基(OH)并且它们具有巨大的氧化能力，其在消毒过程中起积极作用。通常相信的是，因为原生质氧化导致细胞壁分解，细菌被破坏。 

臭氧消毒的主要益处是在破坏病毒和细菌上臭氧比氯更加有效，在臭氧化之后不存在需要移除的有害残余物，因为臭氧迅速分解。在臭氧化之后，不存在微生物的再生，除了由废水流中的颗粒保护的那些之外。 

红外辐射(IR)，如激光，可以被用于将金属基板上的细菌芽孢灭菌。例如，Baca(美国专利6,740,244 B2)公开了用于在牙科手钻(hand-pieces) 中使用的近点近红外激光水处理装置。 

在本发明的实施方案中，IR清洁由用包括远红外线的红外线照射水流通过的等离子体放电在热学上完成，从而将所要清洁的物体的表面迅速加热至用于细菌的致死温度。 

S.Gribin，V.Assaoul和B.Spesivtsev在“用于液体消毒的激光诱导的微***的应用(Application of Laser Induced Micro-Blasts for Liquid Disinfection)”(Modelling and Simulation Society of Australia and New Zealand Conference，1997)中显示了微生物可以在高达100MPa的稳定压力的条件下存活。然而，在脉冲压力下该值显著降低。例如，以50Hz的频率和7MPa的大小持续5至10秒具有重要的杀菌效果。冲击波的空间尺寸为大约1至30mm，这比特征尺寸的微生物大超过1000倍，意味着细菌的机械破坏是可能的。存在感染微生物所需的最小压力大小(ΔP)的值，这是它们的每一个所特有的并且被实验测定。 

在步骤640，如上所述，使两相流返回为水溶液。在步骤650可以进行对于处理的效果的测试。如果发现水被消毒至令人满意的水平，之后在步骤660将水导出***(例如，消毒工作站)，否则可以将水任选地泵回至反应器中用于进一步处理。 

实验显示在150mA至5A的电流放电之后，微生物的生长完全停止，并且将水从一些类型的病毒中有效地消毒。因此，功率密度为大约8kJ/kg。进行了用大肠杆菌(Escherichia coli)(E.coli)和微球菌(Micrococcus luteus)的水溶液的测试实验。将放电电流增加至5A在溶液通过放电区一次之后导致细菌生长的终止。所制备的作物显示在5分钟的影响之后个体的菌体形成的可信的减少，这与用直接显微镜观察相符。在处理10分钟之后，在样品中未发现大肠杆菌(Escherichia coli)。之后，在15分钟之后，微球菌(Micrococcus luteus)也被清除。所处理的水，在后一种情况下，在室温储存至少10天保持没有病菌。放电电流增加至5A导致细菌的生长在溶液通过放电区一次之后终止。 

图7是表示实施本发明提供水清洁的***的组件的框图。框702表示潜在地(或已知)被生物制剂污染的新鲜水源。这种源可以是其无菌状态可能被危及的(例如，作为恐怖袭击的结果)水的分配网络的一部分，或者可 能怀疑水被病菌污染并且不适合于消费的天然水源(例如，井、湖或河)。 

可以采用实施本发明的***以处理通过网络分配和/或孤立方式的水。例如，实施本发明的装置可以是便携的并且能量自持(见下文)，并且可以在边远的地方工作以提供可消费的水。此外，用于清洁水的***可以采用实施本发明的多个装置以增加水处理的能力。框704表示从主水源分度水的通量的***以供给实施本发明的多个装置。 

框700表示实施本发明的装置的一组组件，它实施在图6中描述的该方法步骤。装置可以包括一个或多个用于传递来自源的水的泵(例如，框710)。该装置可以包括在将水注入至反应器中之前一个或多个用于加热水的加热器720。该装置可以包括一个或多个高压管道730。如上所述，除多种器件之外，高压有助于水流由仅是液体转变为包含液体和气体的混合物。 

框740表示反应器，在反应器中产生等离子体，并且通过使等离子体产生的消毒介质与含有生物制剂的水滴接触。如上所述，反应室内的一个或多个因子可以通过产生等离子体生产。实施本发明的装置可以包括一个或多个热交换器(例如，框750)。可以采用热交换器以将水的温度带到用于传送至供水***的后一阶段的水平。一旦使水回复为单液体相，可以对于水检查消毒效率。可以将受到等离子体处理的水(或其一部分)在封闭循环中返回至反应器，以便将其进一步清洁。例如，可以将封闭循环回路设计在反应器下游的任意***组件与反应器上游的任意组件之间。 

在其中将实施本发明的多个装置连接至水分配***例如用于提供过富余和/或增加处理能力的情况下，来自装置的水可以流过一个或多个由框760表示的流量会聚工具，其收集处理过的水并且使水流至水分配网络，如由框770表示的。框770备选地具有一个或多个储水器和分布工具(例如，槽和蓄水池)。 

图8是表示用于在本地水平使用本发明的实施方案的***的框图，其中水源是大分配网络并且在消费者附近采用实施本发明的装置。本发明的装置的益处之一是其多功能性和适应性，为了方便这允许用户将装置安装在很多位置，并且安装多个单元以增加能力和/或提供富余。 

可以作为图8的典型实例代表是当在本地水平(例如，多住宅建筑或 单个住宅)希望或需要水处理时。在后一种情况下，可以将一个或多个装置安装在水分配的最后阶段的每个位置。 

框810表示主供水源，如城市水处理厂。框820表示水分布***。这两个阶段都可以是，例如，使用使水不适合于消费的生物活性制剂的恐怖袭击的位置。此外，因为一旦生物制剂在水中，它们可以再生并且变得难以被从储存和分配***移除。 

框830表示，例如，将水供应至建筑物的水基站。实施本发明的装置，如由框700表示的，可以被安装在对建筑物的主供水与建筑物内的分配网络之间。框850表示水分配网络。后者可以是连接用于建筑物中的消费者的水消毒位置的最终水连接。 

图9是表示实施本发明的***的组件的框图，所述***依赖太阳能以提供水清洁。后一种***可以由捕获光(例如，如由框900表示的)并且将光转化为电功率的光伏板阵列(例如，910)驱动。***可以包括一组备用电池(例如，如由框940表示的)用于当日光不可得时操作。该***可以采用光伏板(例如KYOCERA Panels KD 210GH-2PH，16％效率)以从日光捕获能量和并且将其转变为电功率。 

框920表示电源和控制单元，所述控制单元水消毒装置700的电源、管理在电池组940中储存能量并且当需要时将电功率由电池组收回以驱动水清洁装置。使用电功率驱动***并且同时将电池组(例如AGM Deep Cycle，24V 480Ah)充电。电源和控制单元能够用电子电路启动，所述的电路电子提供用于管理水处理、电源、功率储存和从电池的功率回收的能力。电源和控制单元可以接收多个信息数据(例如，950)以便准确地确定操作的最优参数。例如，***的输出可以依赖于水用量的通量，水储存或用于最大化***性能的任何其他参数(例如，降低能量需求)。 

可以将本发明的实施方案设计为服务于人道主义任务。例如，在其中电力不可得并且水源可能被污染的边远地方，***可以能够对社区提供饮用水。除了消毒水的主功能之外，后一种***应当有其他能力：这能够耐受重负荷操作模式、极端气候条件(例如高温度和湿度、季风季等)、孤立且无人照顾的连续操作等。作为实例，之前与30m²光伏板阵列一起描述的实施方案可以提供每天6000升的清洁过的可饮用水，这可以满足3000 人社区的需求。 

因此，用于允许将等离子粒子施加至液体的方法、***和装置，提供进行多个应用如水清洁的方式。 

Claims (29)

1.一种将等离子粒子施加至液体的方法，所述方法包括以下步骤：

获得液体的第一流；

从所述液体的第一流获得两相混合物，所述两相混合物具有气体部分和液体部分；

在所述两相混合物的所述气体部分中，激发等离子态；以及

在所述激发所述等离子态之后，通过冷凝所述两相混合物获得液体的第二流。

2.权利要求1所述的方法，其中获得所述液体的第一流的所述步骤还包括获得水溶液的流。

3.权利要求1所述的方法，其中获得所述液体的第一流的所述步骤还包括获得液体烃的流。

4.权利要求1所述的方法，其中获得所述液体的第一流的所述步骤还包括压缩所述液体的第一流。

5.权利要求1所述的方法，其中获得所述液体的第一流的所述步骤还包括加热所述液体的第一流。

6.权利要求5所述的方法，所述方法还包括加热所述液体的第一流。

7.权利要求1所述的方法，其中获得所述两相混合物的所述步骤还包括使所述第一流通过喷嘴。

8.权利要求1所述的方法，其中获得所述两相混合物的所述步骤还包括使所述第一流通过用于雾化所述第一流的器件。

9.权利要求1所述的方法，其中获得所述两相混合物的所述步骤还包括使所述第一流通入具有膨胀体积的室中，导致所述第一流周围的压降。

10.权利要求1所述的方法，其中激发所述等离子态的所述步骤还包括将高电压电流施加至位于所述两相混合物内的一组电极。

11.权利要求10所述的方法，所述方法还包括在所述混合物中维持所述等离子态。

12.权利要求1所述的方法，其中获得所述液体的第二流的所述步骤还包括冷却所述第二流。

13.权利要求1所述的方法，其中获得所述液体的第二流的所述步骤还包括从所述混合物分离至少一种气体。

14.一种用于将等离子粒子施加至液体的装置，所述装置包括；

进料输入工具；

液体雾化器，所述液体雾化器用于由液相进料产生两相混合物，其中所述两相混合物具有一部分液滴和一部分气体；

反应器，所述反应器具有一对电极；和

液体冷凝器，所述液体冷凝器用于使所述两相混合物返回到液态。

15.权利要求14所述的装置，其中所述进料输入工具还包括至少一个泵和至少一个高压管。

16.权利要求14所述的装置，其中所述液体雾化器还包括喷嘴。

17.权利要求14所述的装置，其中所述液体雾化器还包括隔膜。

18.权利要求14所述的装置，其中所述液体雾化器还包括流体动力型换能器。

19.权利要求14所述的装置，其中所述反应器还包括安全阀。

20.权利要求14所述的装置，其中所述反应器还包括安全阀。

21.权利要求14所述的装置，其中所述反应器还包括用于测量压力和温度的多个传感器。

22.权利要求14所述的装置，其中所述反应器还包括用于从所述反应器分离至少一种副产物气体的管道。

23.权利要求14所述的装置，其中所述反应器还包括用于将至少一种化合物直接加入至所述反应器中的喷嘴。

24.权利要求14所述的装置，其中所述电极还包括用于产生高频电场的工具。

25.权利要求14所述的装置，其中所述电极还包括用于产生超高频电场的工具。

26.权利要求14所述的装置，其中所述反应器还包括用于产生微波的工具。

27.权利要求14所述的装置，其中所述冷凝器还包括冷却器件。

28.一种用于清洁水的方法，所述方法包括以下步骤：

获得水的两相流，包括将所述水在反应器的入口进料通过雾化器，其中所述反应器具有用于施加放电的工具；

通过施加所述放电，在所述反应器内的所述两相流中激发等离子态；和

将所述水的所述两相流在所述反应器的出口冷凝为液相。

29.一种用于清洁水的太阳能驱动装置，所述装置包括：

用于接收太阳能并将所述太阳能转化为电能的工具；

用于储存所述电功率的工具；和

用于处理水的工具，所述用于处理水的工具由所述电能驱动，还包括：

用于雾化所述水以产生具有液体部分和气体部分的两相混合物的工具；

用于将等离子态施加至所述两相混合物的工具；和

用于将所述混合物冷凝为液态的工具。

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