大气压下直接耦合微波液相等离子体发生装置和方法

摘要

本发明提供一种大气压下直接耦合微波液相等离子体发生装置和方法，包括：反应器、进液口、排气口、微波放电电极、矩形波导管、微波发生器；反应器为石英材料、陶瓷材料或者其混合物；反应器直接垂直贯穿矩形波导管，微波经过矩形波导管直接耦合到反应器内部的液体中。反应器上端分别设置有进液口和排气口，微波放电电极置于反应器的中轴线位置，矩形波导管与微波发生器相连。本装置实现了在大气压条件下微波液相中激发等离子体并稳定维持，极大减小了设备运行成本。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及等离子体技术领域，尤其涉及一种大气压下直接耦合 微波液相等离子体发生装置和方法。

背景技术

目前，有关利用液相等离子体进行材料合成、材料表面改性、水处理的 相关研究已有报道。与气相放电相比较，液相放电产生的等离子具有空间分 布大，密度相对较高的特点。在液相中产生等离子体的方法主要是高压脉冲 放电，通过浸没在液体中的高压电极和地电极来实现，放电形式主要有流光 放电，火花放电和流光/火花混合放电。与气相放电相比较，在液相中更难 激发等离子体，是因为在液相中需要更高的分解电压。微波放电等离子体一 直被视为具有电子密度高、空间分布大的优势。然而，水是微波良好的吸收 体(介电常数为80)，因此，水中很难形成强电场并使其产生微气泡，而微 波液相等离子体的激发，实际上是强电场击穿水中的气泡，进而形成电子雪 崩，产生等离子体。人们通常采用的方法是对反应器进行减压进而降低水的 饱和蒸汽压，使水在大气压下容易产生气泡。另一种方法是向水中注入超声 波，利用超声空化原理，使水中产生气泡。以上两种方法都添加了额外的设 备，增加了运行成本。

发明内容

本发明实施例提供一种大气压下直接耦合微波液相等离子体发生装 置和方法，解决了现有技术中液相微波等离子体中无法在大气压下激发并 稳定维持的关键问题。

本发明液相微波等离子发生装置，包括：

反应器、进液口、排气口、微波放电电极、矩形波导管、微波发生器； 所述反应器为石英材料、陶瓷材料或者其混合物，以使微波经过所述矩形波 导管直接耦合到所述反应器内部的液体中；

所述反应器上端分别设置有所述进液口和所述排气口，所述微波放电电 极置于所反应器中轴线位置，所述反应器直接垂直贯穿所述矩形波导管，所 述矩形波导管与所述微波发生器相连，放电电极全部浸在液体中。所述反应 器石英管在波导管区域内充满放电液体。

进一步地，所述微波放电电极可螺旋式上下调节。

进一步地，所述放电电极直径为2mm-6mm。

进一步地，所述放电电极为铂、钨、铁、镍、铜、铈或者其合成的合 金。

进一步地，所述放电电极上部为金属下部为陶瓷的复合体。

进一步地，所述反应器为突变圆柱体、长方体、正方体以及球体的其中 一种或其组合。

本发明还提供一种大气压下直接耦合微波液相等离子体发生方法，包 括：

进液泵将温度为20℃-99℃的液体注入反应器中；

开启微波发生器，微波经矩形波导管穿过石英反应器，直接耦合到液体 中，放电电极尖端形成微气泡，微气泡内电子在强电场的作用下加速而获得 更高的能量，被加速的电子与水分子碰撞电离，导致气泡击穿，进而形成电 子雪崩发展成液相等离子体。

本发明的有益效果：

1、通过电极的上下螺旋式移动，将放电电极的尖端稳固的旋入电场 中，避免了因放电过程中电极剧烈震动而偏离电场中心，可以简单稳定的 实现液相微波等离子体的激发；圆柱突变型石英反应器设计，既保证了微 波等离子体始终在液体中产生，同时液体又起到冷却电极的作用，极大减 缓了电极的烧灼。

2、无需任何减压设备，在大气压条件下，直接在液相中激发等离子 体并稳定维持，极大减少了设备运行成本和设备体积

3、与传统方法相比，即利用放电电极作为微波发射天线将微波能量 传入反应器，本发明微波能量通过矩形波导管直接耦合到反应器中，极大 减少了微波反射损耗及传输转换损耗，提高能量利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下 面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明大气压下直接耦合微波液相等离子体发生装置结构示意 图。

图2为本发明大气压下直接耦合微波液相等离子体发生方法流程图。

附图标记说明：

101-反应器、102-进液口、103-排气口、104-微波放电电极、105-矩形波 导管、106-微波发生器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明大气压下直接耦合微波液相等离子体发生装置结构示意 图，如图1所示，本实施例的装置可以包括：

反应器101、进液口102、排气口103、微波放电电极104、矩形波导管 105、微波发生器106。

所述反应器101与直接垂直贯穿所述矩形波导管105，保证了微波能量 直接耦合到反应器的液体中，减少了微波反射损耗和微波转换损耗，极大提 高了能量利用率。

所述反应器101上端分别设置有所述进液口102和所述排气口103，所 述微波放电电极105置于所述反应器101中轴线位置，所述矩形波导管与所 述微波发生器106相连。放电电极全部浸在液体中。所述反应器石英管在波 导管区域内充满放电液体。矩形波导管采用电场加强型结构设计使微波能量 集中，并通过适当调节微波输出功率，实现了大气压下液相中激发微波等离 子体并稳定维持。

具体来说，该渐变结构的反应器保证了微波放电电极尖端附近的空间相 对较小，电场得以加强，易于将反应器局部液体汽化并激发等离子体。同 时，也保证了该微波放电电极尖端上方有足够大的液体储备空间，以使等离 子体始终在液体中展开和维持。

进一步地，所述微波放电电极可螺旋式上下调节。通过可螺旋式上下移 动的微波放电电极，既保证了电极在反应器中的稳定性，又实现了电极尖端 在电场中的最佳放电位置，并且拆卸简单便于更换电极。该电极的设计简单 方便的实现液相微波等离子体的激发。

进一步地，所述放电电极为铂、钨、铁、镍、铜、铈或者其合成的合 金。

进一步地，所述放电电极为复合式绝缘。

具体来说，复合式绝缘的放电电极尾部的耐高温绝缘部件避免了放电过 程中微波向下部发射。

进一步地，所述反应器为圆柱体、减缩圆柱体、长方体、正方体或者 球体。圆柱突变型石英反应器设计，既保证了微波等离子体始终在液体中 产生，同时液体又起到冷却电极的作用，极大减缓了电极的烧灼。

图2为本发明大气压下直接耦合微波液相等离子体发生方法流程图，如 图2所示，本实施例方法，包括：

步骤101、进液泵将温度为20℃-99℃的液体注入反应器中；

步骤102、开启微波发生器，微波经矩形波导管穿过石英反应器，直接 耦合到液体中，放电电极尖端形成微气泡，微气泡内电子在强电场的作用下 加速而获得更高的能量，被加速的电子与水分子碰撞电离，导致气泡击穿， 进而形成电子雪崩发展成液相等离子体。

具体来说，首先通过进液泵将温度为20℃-99℃的液体以一定流量进 入反应器中，本实施例中反应液为纯水。同时通过将微波放电电极尖端移 动到谐振腔中心处；矩形波导管与微波发生器相连，微波经矩形波导管穿 过石英反应器，直接耦合到液体中，随着微波辐射的时间增加，电极尖端 形成微气泡，微气泡内的电子在强电场的作用下加速而获得更高的能量， 被加速的电子与水分子碰撞电离，导致气泡击穿，进而形成电子雪崩发展 成液相等离子体。

本实施例液相微波等离子发生装置中的微波放电电极与气相放电电极不 同，是始终直接与稠密的液体相接触。液相放电不需要载气，直接在液体中 放电产生等离子体，生成的自由基等反应活性物质直接参与反应，不需要传 质过程，相比之下，液相放电等离子体密度大。本装置实现了在大气压下微 波液相中激发等离子体并稳定维持。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修 改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替 换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。