在流体中形成的等离子体制造技术

本发明专利技术提供了一种在流体中产生等离子体的方法和设备。流体（３）位于具有一对隔开成为阴极和阳极的电极（４，６）的槽（２）中。在靠近阴极的流体内引入或产生气泡流。通过在阴极和阳极之间施加电位差使得在气泡区域中形成辉光放电，并在气泡内形成已电离气体分子的等离子体。然后该等离子体可以用于电解、气体生产、废水处理或杀菌、矿物提取、生产纳米颗粒或材料增强。该方法可以在大气压和室温下进行。该电极可以具有捕获其邻近的气泡的装置。电极之间可以存在隔离物。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及提供在流体中形成的等离子体的方法以及该等离子体的用途，特别是涉及提供在包含于水性介质中的气泡内形成的等离子体的方法以及该等离子体的用途。
技术介绍
等离子体是一种导电性气体，其包含高反应性的粒子例如自由基、原子、等离子体电子、离子等。例如，当气体的原子被激发至高能级而使气体原子失去对其一些电子的束缚并被电离产生等离子体时，可以形成等离子体。包括等离子体弧的热等离子体是已知的。然而等离子体弧常常伴随着高耗电量、用于电解时电极的迅速腐蚀、需要催化剂以及由伴生的高温带来的高能量损耗。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，本专利技术提供了一种在流体中产生等离子体的方法，该方法包括以下步骤提供流体；在所述流体内引入和/或产生一种或多种气囊或气泡，从而使该流体包含所述气囊或气泡；以及处理所述流体使得在所述气囊或气泡内产生等离子体。申请人已经发现在水性介质中的气泡内可以相对容易地产生等离子体。该等离子体会导致分子和/或原子的离解，随后可以对这些分子和/或原子进行处理和/或使其反应，以得到有利的反应产物和/或分子和/或原子。液体容纳装置可以对大气开放，因此该方法可以在实际大气压下进行。替代地，该容纳装置可以包容在密封的反应室中，例如在部分真空下。这种减压可降低在阴极上的气泡内实现辉光放电所需的能量。重要的是，该方法不需要在真空中进行。在一个特别优选的实施方案中，所述液体容纳装置是液槽，例如敞口式矩形液槽。然而对于本领域技术人员显而易见的是，还可以使用各种结构。例如，可以通过对该流体施加电位差来形成等离子体，该电位差优选利用电极来施加。当两电极之间的电势足以通过电流时，与气泡/气囊表面有关的介电屏障被击穿，与此同时在气泡或气囊内形成等离子体放电。与形成等离子体的已知方法相比，上述方法使得能够在极低电压、电流、温度和压力下形成等离子体。例如，与等离子弧相关的典型电压和电流分别是在5KV和200A附近，然而在本专利技术中，可以在低至350V的电压和低至50mA的电流下提供等离子体。包围电极的气泡中的介电击穿导致了在所述电极邻近形成辉光放电区域。气泡具有低导电率，因此在隔着该气泡区域的电极之间存在着较大的电压降。该电压降占了电极之间的总电压降中的大部分。该等离子体产生于在电解液内包含的气泡内部。这可用于将液态电解质作为容纳气泡内等离子体的系统。根据本专利技术，本专利技术人指出产生等离子体需要的这种电压比仅在气体条件下产生的等离子体辉光放电低得多。例如实验证明在低至350V的电压下开始出现等离子体，并且多种液体需要的最大电压应在3000V以内。该需求是基于在放电点可达到的1～3A/cm2的电流密度，由此电流输入为50～约900mA。根据本专利技术，可以用低电压和低供电以稳定的方式创造等离子体，这使能量消耗得到节约。可以通过任何合适的方法产生气泡或气囊，例如电解、电化学反应、电极加热、在液体中释放捕获的气体、超声空化、激光加热和从外部引入气体或其组合。例如，在存在于液体中的气泡或气囊内进行电晕放电和/或辉光等离子体放电。使足够电势的电流穿过液体，会导致介电性气泡屏障的电击穿，同时伴随着气泡/气囊内等离子体放电的形成。气泡可以包含来自于流体(优选是液体，更优选是水性电解质)的前体物质。该物质可以是之前从液体通过扩散或蒸发迁移到气泡的物质。替代地，可以从体系外部直接将前体引入气泡。在水性介质内产生气泡的步骤可以伴随有一个或多个下列过程电解、沸腾、超声空化、雾沫夹带、喷雾、化学反应、通过电子和离子碰撞或局部加热或沸腾进行离解、水力冲击、超声波或激光加热。作为在电极之间施加电位差的结果，可以用电极产生电解气泡，例如由阴极释放氢气泡或由阳极释放氧气泡。可以在电极附近通过电加热产生沸腾气泡。可以通过直接电加热或通过用移动电线或栅极加热电极附近区域以产生气泡。微波加热和使用激光加热也可以用于产生沸腾气泡。可以通过使用超声波气泡发生器或注入电极附近的电解质的流体喷射流或气体和液体的混合物喷射流产生空化气泡。还可以通过电极附近电解质的水动力流动产生空化气泡。电极附近的气体喷雾也可以用于产生气泡。还可以通过放出气体作为反应产物的化学反应产生气泡。这种反应一般包括电解质中化合物的热分解或电解质中的酸碱反应。还可以通过在电解质中加入塞漏(fother)形成气泡。通常气泡的产生会在所述电极附近形成气泡鞘。气泡鞘可以具有几纳米到约50毫米的厚度。通常气泡鞘可以具有1～5mm的厚度。此外，应该理解的是，气泡可以不在整个鞘中均匀。在容器外形成的气体或蒸气可以泵入或吹入水性介质中阴极附近。因此可定制在气泡内产生的等离子体成分，以使其适用于该等离子体的用途，气泡可以是在等离子体内产生或从外部容纳装置引入液体。气泡可以具有不同的尺寸和形状，可以不同于传统的球形气泡，例如通过呈现片状气隙或气囊覆盖遮盖电极或以微气泡的形式遍布整个液体介质。液体泡沫也可以视为用于本专利技术目的的气泡或气囊，这是在连续互联的液体薄膜内气体的高浓度分散物。气体体积可以高达包含气体区域的80％，由此在反应器内部产生的气体或从外部引入反应器的气体还可包封在发泡剂内，以进行例如等离子体放电处理。处于有限空间中的粘稠液雾内捕集的气体也视为包含气泡的气体，该气泡所含的气体和液体蒸汽提供了产生无热等离子体的条件。当等离子体放电时该液体将作为用于离解的源物质的一部分而起作用。在实践中，电解工序中在电极附近放出并覆盖电极的气泡会产生阻碍并减慢电流流动的介电屏障。同时溶解气体或微气泡扩散并融入液体体积中，因此产生高百分比的空隙组分(微气泡)，该空隙组分又会增大电阻，从而使横跨液体介质的电压上升。当电压增加至足够大时，气泡内部捕获的气体发生非平衡等离子体转化。此时，出现电击穿使得电流继续穿过气泡鞘或气囊层。在水电解情况下，将重新开始产生氢气，否则将因气泡屏障的存在而减慢氢气的产生。当出现等离子体放电时，气泡内部的任何水蒸气将经历等离子体离解，从而形成H+、OH-，O-、H、H3和其它的氧化物、还原物和自由基物质。当然形成带电荷的等离子体物质也取决于电解质的化学组成。作为气泡鞘的气液界面的内衬的任何水分子和原子也将受等离子体的影响而产生H+和OH-和其它的自由基物质。一些中和原子和分子将移位进入气泡作为附加的气体增加气泡的尺寸。这样，在下一个连续的等离子体放电之前气泡得到更多的液体蒸汽。取决于电极和反应器的构成，该重复放电循环可以发生在几分之一秒至几秒内。在水性介质内产生气泡的步骤可以包括加入发泡剂至水性介质，使得在泡沫内形成气泡。起泡气泡受到导电的水性介质的限制。起泡气泡尺寸可以在大范围内变化直至小到几分之一毫米。产生气泡的步骤可以包括形成气溶胶雾。该气溶胶雾内的气体大致定义了液滴之间存在大量气体的气泡。这些呈液滴间空间的形式的气泡的作用方式与液体内的常规气泡相似，等离子体以与上述相同的方法在该气体内形成。泡沫和气溶胶雾的优点是它提供了气态组分在该气溶胶雾和泡沫内的优良混合。在泡沫和气溶胶雾的气泡中产生等离子体的方法与在水性液体中形成等离子体的方法相同，例如通过在泡沫或气溶胶雾内间隔放置的电极之间通过电流来产生。在气泡区域中形成辉光放电的步骤可以通过增加电极间电位差以使其超出某个阈值来实现。可以通过脉冲或稳定的本文档来自技高网...

【技术保护点】
在流体中产生等离子体的方法，该方法包括以下步骤：－提供流体，－在所述流体内引入和／或产生一种或多种气囊或气泡，从而使该气囊或气泡由所述流体包含，－处理所述流体以使得在所述气囊或气泡内产生等离子体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：译民托马斯张，
申请(专利权)人：译民托马斯张，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]