[发明专利]气液双相等离子体反应器

说明书

本发明涉及一种微米流体或毫米流体装置(1)，其包括：‑支撑件(2)，其至少部分地由介电材料制成，所述支撑件(2)包括第一入口(21a)、第二入口(21b)、出口(22)和主微米通道或毫米通道(3)，所述第一入口(21a)适于连接至容纳气体的第一储蓄器，所述第二入口(21b)适于连接至容纳液体的第二储蓄器，所述出口(22)适于连接至容纳气体和/或液体的接收容器，而所述主微米通道或毫米通道(3)存在于所述介电材料中，并使得液体和气体能够从入口朝向出口流动；‑一个或数个接地电极(4)，其埋入所述介电材料中，并且沿着所述主微米通道或毫米通道(3)延伸；以及‑一个或数个高压电极(5)，其埋入所述介电材料中并且沿着所述主微米通道或毫米通道(3)延伸；其中，所述高压电极(5)和接地电极(4)位于所述主微米通道或毫米通道(3)的相反两侧，从而能够在主微米通道或毫米通道(3)内部产生电场。本发明还涉及一种使用这种微米流体或毫米流体装置(1)而以连续的方式产生等离子体的方法。

技术领域

本发明涉及可以作为气液等离子体反应器使用的微米流体(microfluidic)或毫米流体(millifluidic)装置，并且涉及使用这种装置来产生等离子体的方法。根据本发明的微米流体或毫米流体装置旨在通过施加合适的电场而在流动于液体中的气体气泡(bubble)中连续地产生等离子体，从而使得在等离子体中形成的反应物质或分子能够有效地传递至液体中。

背景技术

数个文献公开了在微米流体或毫米流体装置中使用电场。Miura等人在他们的专利申请[9]中描述了包括能够混合两种液体的主流动通道的微反应器，其中使用激光来加速两种液体之间的化学反应。随后在主流动通道的端部施加电场和/或磁场，从而使反应产物物质分离、浓缩。因此在这种装置中，在反应区域之后在主流动通道的端部施加电场。相似地，Paul等人在他们的专利申请[10]中公开的装置包括层叠微米流体结构，所述结构限定了反应器和分离器以进行化学合成和/或分析。这种装置能够包括以适当的几何结构设置在主微米通道的相反两侧的数个电极，以生成非均匀的电势梯度。这能够通过电泳或介电泳(DEP)而分离具有不同极性的物质。因此在化学合成和/或分析区域之后在主微米通道的端部施加电场。

然而，在这些文献中，电场仅用于使反应产物物质分离。其并不像本发明中那样，使等离子体在流动于液体中的气体气泡中产生。此外，这些文献中没有公开异质的液/气反应介质。

过去开发了数种气-液等离子体反应器。这些装置中的大多数的开发的目的在于使水中的污染物氧化。在这种情况下，等离子体反应器的性能的关键点是使等离子体中产生的反应物质从气体传递至液体。Malik等人评估了不同类型的等离子体反应器传递反应物质的效率[5]。利用使水中染料褪色50％所需的能量，这些作者比较了27种不同的等离子体反应器(以g/kWh表示的G₅₀)。他们的结论是，效率最高的反应器是脉冲供能反应器，其中液体(i)被喷入等离子体区域中或(ii)以薄膜的形式沿着圆柱形电极的内壁流下。效率的提高通过液体的大的表面积-体积比率而得到解释，所述大的表面积-体积比率导致反应物质从气体向液体的传递速率更快，并且导致污染物分子在液体中为了到达液体表面所需要扩散的距离较短。

在将液体喷入放电区域中的气-液等离子体反应器中，并不容易精确控制工艺参数(例如气相和液相的驻留时间)。这是这种反应器在过去十年中没有获得很多关注的原因。薄膜流下式反应器吸引了更多的关注。在这种反应器中，在线对柱(wire-to-cylinder)电极[6]之间的气体中发生放电的情况下，液体薄膜沿着圆柱形电极的内壁流下。这种反应器的问题在于难以获得均一的液体膜，特别是就液体薄膜(1mm)而言。

为了分解水中的醋酸，Matsui等人[7]使用另一种反应器，即，将气体气泡喷射入流动液体中的双相流动反应器。在水中流动的氧气气泡中产生脉冲电介质阻挡放电。反应器包括两个共轴玻璃管，内管与外管之间的间隙为1mm。使用在反应器底部的发泡器产生气体气泡。在醋酸分解方面获得了良好的结果。然而，该反应器的缺陷在于气泡尺寸分布范围较大(从0.1至1cm)，不能完全控制双相流动，并且对液体而言存在优选路径。因此，液体的某些部分可能吸收过多的自由基，而其它部分可能缺少自由基。