含水微空心阴极空气等离子体射流特性及其灭菌应用研究

摘要

·OH具有强氧化性，是自然界除氟外氧化电势最高的物质，且绿色环保，为提高其产量，本文设计并制作了一种含水微空心阴极空气等离子体射流装置。该装置可以使用空气作为工作气体，不仅成本低，还可以产生较强氧化性的氧。此外，它还具有结构简单、成本低，射流温度低以及电离率高等优点，特别适合灭菌等生物应用。本文研究了外加电压、含水量以及模式转变等因素对射流特性的影响，包括射流的长度、温度以及产物等，并应用该装置进行了青霉菌悬浮液灭活实验。
　　首先，为了研究工作气体中混入水蒸气后对射流特性的影响，本文系统地研究了射流长度、温度以及放电模式随外加电压、含水量以及气流量的变化规律。发现了含水微空心阴极空气射流有两种放电模式，随着外加电压的升高，放电逐渐由自脉冲模式转变为直流模式，并且模式转变的临界电压值随着气流量的增大而增大，与工作气体中含水量的多少无直接关系。同时，工作气体中含水量增加，射流的长度缩短，射流的温度提高。当气流量定为150L/h时，射流的长度范围为4.5～11mm，距喷孔4mm处射流温度的变化范围为24.7～39.4℃。
　　其次，为了研究含水空气MHCD射流中产物含量的影响因素，本文搭建了发射光谱诊断系统，测试了·OH（389.98nm）以及 O（777.2nm）的相对含量。实验发现，含水量、外加电压以及放电模式对这些产物的相对含量均有影响。·OH只能在直流放电模式检测到，而活性 O原子在自脉冲放电模式和直流放电模式均能检测到。同时，工作气体中混入水蒸气，有利于·OH的生成，不利于活性O原子的生成。
　　最后，为了研究在非接触灭菌方式下，含水射流是否有意义，进行了青霉菌悬浮液的灭菌实验。实验证明，即使没有与悬浮液直接接触，含水空气MHCD射流依旧有利于提高灭活效率；并且工作气体中含水量越多，射流对青霉菌悬浮液的灭活效率越高。非直接接触的情况下，·OH等自由基很难在溶液中传播，因此在本文中测试了长寿命H2O2的浓度。实验证明，含水射流有利于溶液中H2O2的生成，这可能是其能提高灭活效率的原因之一。此外，实验还发现被含水空气射流处理过的青霉菌悬浮液PH值明显下降，这可能也是一种引起青霉菌失活的原因之一。
　　综上所示，本文对含水微空心阴极空气等离子体射流的特性及非接触式灭菌效果进行了研究，发现含水射流有助于提高·OH含量和灭菌效率，可为相关应用提供参考依据。

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目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 等离子体射流概述

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的研究目的及内容

2 含水微空心阴极空气等离子体射流特性的研究

2.1 实验装置设计

2.1 微空心阴极等离子体射流放电模式研究

2.2 射流长度的影响因素

2.3 射流温度的影响因素

2.4 装置寿命的测试与研究

2.5 本章小结

3 含水微空心阴极空气等离子体射流的光谱诊断

3.1 光谱测量系统的设计与搭建

3.2?OH相对含量的测试与分析

3.3 O相对含量的测试与分析

3.4 本章小结

4 含水微空心阴极空气等离子体射流灭菌研究

4.1 灭菌实验设计与方法

4.2 灭菌实验结果与分析

4.3 H2O2的定量检测

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文主要结论

5.2 后续研究与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利：

C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目目录：