一种空气等离子体制备活化冰的装置及方法
阅读说明：本技术 一种空气等离子体制备活化冰的装置及方法 (Device and method for preparing activated ice by air plasma ) 是由 孙运金 王一丹 王辉 赵春雷 于 2021-05-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种空气等离子体制备活化冰的装置及方法,包括滑动弧放电等离子体反应器、冷凝制冰机构和密封桶体；滑动弧放电等离子体反应器通过管路与密封桶体形成密封连通；密封桶体的顶部喷淋区设置有连接进水管的喷雾口,中部匀水区设置有内网层,下部反应区设置有与进气口连通的出气结构；冷凝制冰机构具有密封桶体,密封桶体具有可开闭的出冰口和进水口,进水口与密封桶体的下部反应区连通。本发明结构简单,直接通过活化水制得活化冰,不添加任何其他成分,同时保证含有的有效活性成分持续长久,融化或解冻后仍然具有良好的活性,不会对环境产生二次污染,有效灭杀细菌和病毒,可广泛应用于各种消毒灭菌。(The invention relates to a device and a method for preparing activated ice by air plasma, which comprises a sliding arc discharge plasma reactor, a condensation ice-making mechanism and a sealing barrel body; the sliding arc discharge plasma reactor is in sealed communication with the sealing barrel body through a pipeline; the top spraying area of the sealed barrel body is provided with a spray nozzle connected with a water inlet pipe, the middle water homogenizing area is provided with an inner net layer, and the lower reaction area is provided with a gas outlet structure communicated with a gas inlet; the condensation ice making mechanism is provided with a sealed barrel body, the sealed barrel body is provided with an ice outlet and a water inlet which can be opened and closed, and the water inlet is communicated with the lower reaction zone of the sealed barrel body. The invention has simple structure, directly prepares the activated ice by the activated water, does not add any other components, simultaneously ensures that the contained effective active components last for a long time, still has good activity after melting or unfreezing, does not generate secondary pollution to the environment, effectively kills bacteria and viruses, and can be widely applied to various disinfection and sterilization.)
技术领域
本发明属于杀菌消毒技术领域，具体涉及一种空气等离子体制备活化冰的装置及方法。
背景技术
经过大气低温等离子体处理的水溶液或介质称之为等离子体活化水或介质，这种活化水溶液富含多种活性抑菌成分，且具有pH值低、氧化还原电位高等特点，是一种良好的、绿色的、无污染的杀菌制剂，有望代替次氯酸、电解水和臭氧水等其他传统杀菌制剂。目前，市场上大多数抑菌制剂存在的时效性短和成本高的问题，等离子体活化水也同样存在活性抑菌成分不能长久保存的问题，大多数情况下是边制备边使用，无法提前储备或批量保存。
在杀菌领域的应用，等离子体活化水无法满足其持久的或者远距离储运的条件，例如家用消毒，主要因为活化水中的活性抑菌成分保存时间较短，导致活化水一旦制备后需要在短时间内使用，增加了活化水制备和运输的成本，从而限制了活化水在杀菌消毒方面的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种空气等离子体制备活化冰的装置及方法，本发明采用的滑动弧放电技术，能够在空气中产生大量的活性物质成分，如羟基自由基、臭氧、过氧化氢、NO2-等，这些含有高浓度活性成分的气体通过溶解于喷雾中的微小水滴中，形成等离子体活化水，并利用冰的低温特性来保持和冻结等离子体活化水的活性。与普通冰相比，活化冰除了可提供低温环境外，还能有效抑制微生物生长繁殖，延长活化水的使用期限，在杀菌消毒甚至保鲜领域具有广泛的应用前景，而且活化冰直接通过活化水制得，不添加任何其他成分，含有的有效活性成分会在较长一段时间后分解或失效，不会对环境产生二次污染，是一种全新理念的环保杀菌技术。
本发明的目的是这样实现的：
一种空气等离子体制备活化冰的装置，包括滑动弧放电等离子体反应器、冷凝制冰机构和密封桶体；
所述滑动弧放电等离子体反应器包括电源、风扇和放电模块；
所述放电模块包括绝缘耐高温管、和设置在绝缘耐高温管内的第一电极和第二电极；所述电源与第一电极和第二电极相连；所述风扇设置于绝缘耐高温管的进风口处；
所述风扇通过进风管连接密封桶体上端的出气口，所述绝缘耐高温管的出气端通过循环管连接密封桶体下端的进气口；
所述密封桶体的顶部喷淋区设置有连接进水管的喷雾口，中部匀水区设置有至少一层内网层，下部反应区设置有出气结构；所述出气结构与所述进气口连通；
所述冷凝制冰机构具有密封桶体，所述密封桶体具有可开闭的出冰口和可开闭的进水口，所述进水口与密封桶体的下部反应区连通。
本发明滑动弧放电等离子体反应器，产生等离体体滑动弧，高温的滑动弧可以激发空气中的自由基；经过风扇动力使气体循环，反复对气体进行滑动弧电离，能够向密封桶体中输入大量的活性物质成分，如羟基自由基、臭氧、过氧化氢、NO2-等，这些含有高浓度活性成分的气体溶解于喷雾形成的微小水滴中，形成等离子体活化水。冷凝制冰机构以整体降温的方式将密封桶体的活化水制备活化冰，通过出冰口逐次排出；所述制冰过程是先密封，后制冰，最后出冰。活化冰直接通过活化水制得，有效保存活化水的性能。如果不密封，不采取整体降温方式，制得活化冰杀菌性能低或无杀菌性能。
本发明一种优选的实施方式，所述电源为直流电源，电压为2kV～40kV，额定功率为1000W～1500W，放电功率100～800W，最大电流80mA，放电时间为5～90min。
目前工业滑动弧放电等离子体，放电功率较高，一般10kW以上，使得滑动弧中心温度甚至达到6000℃，需要配备较大的气流系统和冷却装置，耗能高且不能长时间维持放电状态。经研究，本发明采用额定功率为1000W～1500W的直流电源，通过气流循环、电极形状和放电距离的匹配来降低滑动弧的放电功率(放电功率不低于100W，最大电流80mA)，提高放电稳定性，保证该放电模式远低于常规的滑动弧放电功率并可长期维持这种放电状态，整体较低的制造成本，使用的便携性与安全稳定性保证其在产业化和市场化应用。
本发明一种优选的实施方式，所述出气结构为设置有多孔的板状或盘管结构或纳米起泡器，所述出气结构位于密封桶体的液面以下。
出气结构可以有效增加等离子体与水雾的接触面积，保证充分生成活化水。
本发明一种优选的实施方式，所述进水管连接冷凝机构，所述冷凝机构连接所述密封桶体。
本发明采用的冷凝机构在对进水管的水进行降温的同时，可间接对气流循环的等离子体气体进行降温，从而保证滑动弧放电反应器始终处于较低的温度范围，可实现长期稳定放电，不需额外的冷却装置。
通过冷凝机构可以降低进水的温度，保持水温在0～5℃，温度低可以最大程度保留水中的活性物质，另外制冰的速度也越快，抑菌成分保留的就越多。
本发明一种优选的实施方式，所述内网层上铺满有耐腐蚀绝缘材料的海洋球或类似物品。
内网层可放置若干层海洋球，使底层等离子体气体通过纳米起泡器向上扩散，增加水和气体接触时间，利用微小液滴的高表面能提高对等离子体活性成分的吸附和溶解能力。耐腐蚀的绝缘材料，例如PVC、塑料等。该种材料的抗腐蚀能力强，制造成本低，防水且质量轻，容易被塑制成不同形状，是良好的绝缘体。
本发明一种优选的实施方式，所述出气口为多个，均匀分布于密封桶体上端并远离喷雾口，通过多根气管连通至汇总管，所述汇总管与所述进风管连通。
多个出气口可以分流气体，尽量少地带入水滴，防止导电阻碍等离子发生器的工作，同时出气口远离喷雾口也最大程度减少了空气湿度。
本发明一种优选的实施方式，还包括增压气泵，所述增压气泵连接于所述进风管与所述风扇之间。
增压气泵可以保证气流充足，以满足风力可以吹出滑动弧。
本发明一种优选的实施方式，所述气管为具有上升段的回流管。
所述气管具有上升段可以使得气流爬升过程中水滴挂在管壁上，并回流桶体中。
本发明一种优选的实施方式，所述气管与进风管之间设置有干燥器。
通过干燥器保证了进入气体的干燥，更有效地去除气体中的水雾。
本发明还涉及一种制备活化冰的方法，步骤如下：
1)开启滑动弧放电等离子体反应器空气反复循环电离经过时间t，密封桶体内具有等离子体；
2)打开进水管，喷射水雾，水雾在密封桶体内，内网层及反应区与等离子体充分反应生成等离子活化水；
3)开启进水口，活化水进入冷凝制冰机构的密封桶体后关闭进水口；
4)活化水在冷凝制冰机构的密封桶体内整体降温至-5～-50℃，制备等离子体活化冰；
5)打开出冰口，输出活化冰块；
6)关闭出冰口；
7)重复步骤3)～6)，持续制备活化冰块。
本发明至少具有以下有益效果：
1)本发明采用的滑动弧放电技术，能够在空气中产生大量的活性物质成分，如羟基自由基，臭氧等，这些含有高浓度活性成分的气体通过纳米起泡器溶解于空气中的微小液滴中，形成等离子体活化水，再通过冷凝制冰机构形成活化冰。该技术制备的活化冰克服了等离子体活性物质分布不均、处理体积小等技术缺陷，简单的操作方法和较低的成本有利于等离子体活化冰规模化生产，并满足大众的需求。而且活化冰不添加任何其他成分，含有的有效活性成分在较长一段时间后分解或失效，不会对环境产生二次污染。
2)本发明吹出的等离子体温度低，活性气体不带热量，并通过空气中喷洒的喷雾溶解活性物质，有利于制备高浓度的活性冰。
3)本发明采用额定功率为1000W～1500W的直流电源，通过气流循环、电极形状和放电距离的匹配来降低滑动弧的放电功率(放电功率不低于100W，最大电流80mA)，提高放电稳定性，保证该放电模式远低于常规的滑动弧放电功率并可长期维持这种放电状态，整体较低的制造成本，使用的便携性与安全稳定性保证其在产业化和市场化应用。
4)本发明可根据用量制备不同体积活化冰，满足一定规模内的杀菌要求。
5)本发明采用水温为0～5℃自来水述制备等离子活化冰。活化水的温度越低，制冰的速度越快，抑菌成分保留的就越多，可提高活化冰的保鲜能力。
6)本发明采用整体降温的方式制冰，温度降温至-5～-50℃，使一定体积活化水在短时间内迅速降温，最大程度保留水中活性物质。
7)本发明采用的冷凝装置在对密封桶体中的水进行降温的同时，可间接对气流循环的等离子体气体进行降温，从而保证滑动弧放电反应器始终处于较低的温度范围，可实现长期稳定放电，不需额外的冷却装置。
8)本发明设置气体循环干燥系统，气体循环干燥系统中的回流装置可降低进气口橡胶管内气体的湿度在90％以下，维持正常的滑动弧放电。
9)本发明所制备大小适中的活化冰，活化冰融化后的水可持续对物品表面进行杀菌并在较低温度下保持活化冰中活性物质的活性。
10)本发明密封桶体内为0.1～1标准大气压，真空密闭桶体可提高装置内气体流动速度。
11)本发明的接入水源的压力为0.1～1标准大气压，底部的制冰装置是在结冰后脱离排出，不会影响密封桶体内部的气体压力。
12)本发明中密封桶体和内网层、海洋球的材质均为耐腐蚀的绝缘材料，例如PVC、塑料等。该种材料的抗腐蚀能力强，制造成本低，防水且质量轻，容易被塑制成不同形状，是良好的绝缘体。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图中，1-冷凝机构；2-回流管；3-增压气泵；4-风扇；5-海洋球；6-放电模块；7-内网层；8-密封桶体；9-电源；10-纳米起泡器；11-移动隔板；12-出冰口；13-冷凝制冰机构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一
图1示出了本发明的装置的一种实施例示意图；
一种空气等离子体制备活化冰的装置，包括滑动弧放电等离子体反应器、冷凝制冰机构13和密封桶体8；
所述滑动弧放电等离子体反应器包括电源9、风扇4和放电模块6；
所述放电模块包括绝缘耐高温管、和设置在绝缘耐高温管内的第一电极和第二电极；所述电源模块与第一电极和第二电极相连；所述风扇4设置于绝缘耐高温管的进风口处；
所述风扇4通过进风管连接密封桶体上端的出气口，所述绝缘耐高温管的出气端通过循环管连接密封桶体下端的进气口；
所述密封桶体8的顶部喷淋区设置有连接进水管的喷雾口，中部匀水区设置有至少一层内网层7，下部反应区设置有出气结构；所述出气结构与所述进气口连通；
所述冷凝制冰机构13具有密封桶体，所述密封桶体具有可开闭的出冰口12和可开闭的进水口，所述进水口与密封桶体的下部反应区连通。
具体而言，放电模块6外部设有绝缘保护罩，对等离子体发生器产生一定的保护作用，发生器高压电极与保护罩绝缘良好。风扇4具有壳体，壳体设有进出口，可以保证气体连通循环的密闭性。
具体而言，所述电极为柱状，所述电极的中心线与气流方向垂直；所述电极间距在5mm～70mm范围可调。电极距离在5mm～70mm，放电弧的长度随气流的大小有所改变，弧长一般在1cm～5cm，弧越长，放电功率越高，放电弧的长度不随放电距离的变化而变化。但起弧距离与电极距离紧密相关，放电间距高于7cm，放电较难起弧，不会产生放电。
具体而言，冷凝制冰机构13位于密封桶体8的下方，进水口为移动隔板11，通过隔板11实现进水和关闭。
具体而言，所述电源为直流电源，电压为2kV～40kV，额定功率为1000W～1500W，放电功率100～800W，最大电流80mA，放电时间为5～90min。
优选地，所述出气结构为设置有多孔的板状或盘管结构或纳米起泡器10，所述出气结构位于液面以下。
具体而言，密封桶体使本装置具有0.1～1.0标准大气压；使底层等离子体气体通过纳米起泡器向上扩散，增加水和气体接触时间。
优选地，所述进水管连接冷凝机构1，所述冷凝机构1连接所述密封桶体。通过冷凝液的循环将流动水的水温温降至0～5℃，并喷洒进密封桶体内部。
优选地，所述冷凝机构1，可将密封桶体8中温度控制在较低温度，对等离子体气体降温，间接冷却滑动弧反应器，保证可长期稳定工作。
优选地，所述内网层上铺满有耐腐蚀绝缘材料的海洋球5。
优选地，所述出气口为多个，均匀分布于密封桶体上端并远离喷雾口，通过多根气管连通至汇总管，所述汇总管与所述进风管连通。
优选地，还包括增压气泵3，所述增压气泵3连接于所述进风管与所述风扇4之间。
优选地，所述气管为具有上升段的回流管2。多个回流管2共同构成了回流装置，通过设有回流装置；所述其具有空气干燥功能，可降低进气口橡胶管内气体的湿度在90％以下，维持正常的滑动弧放电。
优选地，回流管2由环形橡胶管连接密封桶体。
优选地，回流管2可由冷凝机构1进一步降温(图中未标出)，以尽量排出空气中的水。
优选地，所述气管与进风管之间设置有干燥器。
具体而言，干燥器为具有桶体，桶体内设置干燥吸附材料。
优选地，电源9为脉冲直流电源，制备条件为电压不低于2KV，放电功率不低于100W，脉冲驱动可降低放电功率，有利于热量扩散，产生的副产物较少。通过电源调节放电功率可调节弧焰长度；密封桶体8中的气体通过两电极间时形成滑动弧放电等离子体，该等离子体气体可由气流循环后多次电离；最后，含有较高浓度的活性气体被密封桶体底部的水溶解、降温并被喷洒的微小液滴吸附、溶解，制备成等离子体活化水。
具体而言，所述密封桶体8制备活化水体积为1～12L。
优选地，等离子体活化水制备体积为6L。
具体而言，所述密封桶体8底部的冷凝制冰机构13以整体降温的方式，将活化水降温至-5～-50℃制活化冰。
优选地，活化水制成活化冰的温度为-20℃。
具体而言，所述大小适中的活化冰与新鲜水产品通过层层堆叠的方式置于保温箱。
优选地，将所述保温箱置于0～4℃环境条件下保鲜。
具体而言，所述密封桶体8内气压为0.1～1.0标准大气压。
优选地，密封桶体8内大气压为0.8标准大气压。
具体而言，所述密封桶体8和内网层7、海洋球5的材质均为耐腐蚀的绝缘材料。
优选地，所选用材料为PVC、塑料等。
实施例二：
本发明还涉及一种活化冰的制备方法，包括实施例一中的反应装置，步骤如下：
1)开启滑动弧放电等离子体反应器空气反复循环电离经过时间t，密封桶体内具有一定浓度的等离子体气体；
2)打开进水管，喷射水雾，水雾在密封桶体内，内网层及反应区与等离子体充分反应生成等离子活化水；
3)开启进水口，活化水进入冷凝制冰机构具有密封桶体后关闭进水口；
4)活化水在冷凝制冰机构的密封桶体内整体降温至-5～-50℃，制备等离子体活化冰；
5)打开出冰口，输出活化冰块；
6)关闭出冰口；
6)重复步骤3)～5)，持续制备活化冰块。
不同因素影响下活化冰杀菌效果及电化学指标变化：
(1)不同制冰方式对等离子体活化冰灭菌效果的影响
采用实施例中所示的装置制备等离子体活化冰，制冰工艺：水温4℃，放电功率400W，放电时间20min，水体积2L，制冰方式分别为整体降温-20℃和制冰机制备活化冰，将两组活化冰分别与1ml大肠杆菌菌液离心后的菌泥进行灭杀，菌落数的降低程度如表1所示，根据菌落计数GB4789.2-2016，大肠杆菌的原始菌落为7～8log值，经过与活化冰接触杀菌后，经整体降温-20℃制成的活化冰杀菌效果较好，菌落数最高降低2个log值，灭活效率达99％。
制冰方式
灭活效率
整体降温-20℃
＞99％
制冰机制冰
＜20％
表1
(2)不同制冰方式下活化冰ORP和电导率的变化
采用实施例中所示的装置制备等离子体活化冰，制冰工艺：水温4℃，放电功率400W，放电时间20min，水体积2L，制冰方式分别为整体降温-20℃和制冰机制备活化冰，测定不同制冰方式下活化冰完全化成水后的ORP值和电导率变化，如表2所示。
表2
(3)不同水温制备等离子体活化冰ORP及电导率的变化
采用实施例中所示的装置制备等离子体活化冰，将4、20、50℃的自来水分别通入活化冰制冰装置，制冰工艺均为：放电功率400W，放电时间20min，水体积2L，制冰方式为整体降温-20℃制备活化冰。测定不同水温制成的活化冰完全化成水后的ORP值和电导率变化，如表3所示。
表3
(4)活化冰放置时效对灭菌效果的影响
采用实施例中所示的装置制备等离子体活化冰，制冰工艺：水温4℃，放电功率400W，放电时间20min，水体积2L，制冰方式为整体降温-20℃制备活化冰。将活化冰在冰箱分别放置1、3、5、7天后分别与1ml大肠杆菌菌液离心后的菌泥进行灭杀，菌落数的降低程度如表4所示，根据菌落计数GB4789.2-2016，结果显示活化冰在-20℃冰箱放置不同天数天后灭活效率无较大变化，均达99％以上。
放置天数
灭活效率
1天
＞99％
3天
＞99％
5天
＞99％
7天
＞99％
表4
(5)活化冰对冰鲜白虾的灭菌效果实验
采用实施例中所示的装置制备等离子体活化冰，制冰工艺：水温4℃，放电功率400W，放电时间20min，水体积2L，制冰方式为整体降温-20℃制备活化冰，作为处理组；用普通自来水制冰，作为对照组。将两组冰块分别和新鲜接种大肠杆菌白虾层层堆叠放入保温箱置于0～4℃环境条件下保鲜24h后测定白虾的菌落总数。如表5所示，根据菌落计数GB4789.2-2016，制备的活化冰具有较好的杀菌效果，大肠杆菌最高可降低3.5个对数值，灭活效率达99.96％。
制冰方式
灭活效率
整体降温-20℃
＞99.96％
表5
(6)活化冰对冰鲜白虾pH的影响
采用实施例中所示的装置制备等离子体活化冰，制冰工艺：水温4℃，放电功率400W，放电时间20min，水体积2L，制冰方式为整体降温-20℃制备活化冰，作为处理组；用普通自来水制冰，作为对照组。将两组冰块分别和新鲜接种大肠杆菌白虾层层堆叠放入保温箱置于0～4℃环境条件下保鲜5天，每天测定两组白虾pH值的变化。如表6所示，制备的活化冰具有较好的保鲜效果，5天内处理组白虾较对照组白虾pH值升高缓慢。
表6
(7)活化冰对冰鲜白虾汁液损失率的影响
采用实施例中所示的装置制备等离子体活化冰，制冰工艺：水温4℃，放电功率400W，放电时间20min，水体积2L，制冰方式为整体降温-20℃制备活化冰，作为处理组；用普通自来水制冰，作为对照组。将两组冰块分别和新鲜接种大肠杆菌白虾层层堆叠放入保温箱置于0～4℃环境条件下保鲜5天，每天测定两组白虾重量的变化。如表7所示，制备的活化冰具有较好的保鲜效果，5天内处理组白虾较对照组白虾重量下降缓慢，贮藏期间汁液损失率小。
表7
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。
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