CN100376319C

CN100376319C - 在常温大气压下对材料进行处理的等离子体流化床及方法

Info

Publication number: CN100376319C
Application number: CNB2004100483041A
Authority: CN
Inventors: 陈光良; 杨思泽; 张谷令; 王久丽; 刘元富; 冯文然; 刘赤子
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: CN1709563A

Abstract

本发明涉及一种在常温大气压下对材料进行处理的等离子体流化床，包括：用绝缘材料制作的床体，其床体下端口设置一气体分配器，和在气体分配器下面安装一漏斗形进气口，进气口通过带气体流量计的管道与气源相连；床体上部的侧壁上开有气体出口，在床体的气体出口的位置之上开孔，该孔安装一根带阀的管道，其管道连通一进料斗；在床体的气体出口以下至气体分配器一段外壁上设置一外电极，外电极与高压交流电源的一极电连接；内电极插入床体内，并通过一绝缘板密封固定在床体上端口，露出床体上端口的内电极与高压交流电源的另一极电连接。本发明的处理方法可在常温大气压下运行不需要真空设备，运行成本低。不会损害粉末材料，可适用的改性材料范围广。

Description

在常温大气压下对材料进行处理的等离子体流化床及方法

技术领域

本发明涉及一种用于对材料进行改性处理的等离子体处理装置，特别是涉及一种在常温大气压下对材料进行处理的等离子体流化床及处理方法。

技术背景

当前流化床设备及工艺已相对成熟，在化工企业已得到广泛应用。用等离子体对材料进行处理的技术也比较成熟，本申请人就这一主题申请了若干专利。而把物理方法与化学方法相结合制作的等离子体流化床，在世界上还是刚刚开始研制，从国外的报道看有一种射频等离子体流化床，如文献1：Plasma fluidized bedimaging and possible strong coupling effects，APPLIED PHYSICSLETTERS，Vol76No.18，2000.5.所介绍的：这种等离子体流化床主要有四部分组成：流化气体控制，气体分配器，产生等离子体的射频感应线圈，石英管。流化气体控制系统是流化床调控的一个重要方面，它会影响到颗粒的流化程度，气体分配器可使气流分布均匀，线圈与射频电源相连就会在有一定真空度的石英管内产生等离子体。石英的透光性能优良，利用石英管可以对间歇式等离子体流化床的相关参数，如等离子体的电子温度和密度等进行测量。该射频等离子体流化床如图1所示，其工作原理是使用13.56MHz射频电源在一定真空度的玻璃管内感应产生等离子体，流化床的底部通氩气，当氩气达到一定气流时，管内的颗粒就会悬浮产生流化现象。该装置只有在一定真空条件下才能产生等离子体，真空设备会增加运行费用，同时真空条件的存在影响了其适用范围。

还有一种直流等离子体流化床，如文献2：A direct current，plasmafluidized bed reactor：its characteristics and application in diamondsynthesis，POWDER TECHNOLOGY，88(1996)65-70所介绍的间歇式流化床，该间歇式流化床如图2所示，底部通氩气使粉末颗粒流化，反应气体从器壁一侧进入，等离子体的产生依靠阴阳两极之间拉电弧实现，生成的等离子体被底部通入的氩气吹入到流化床中，反应气体从气体分配器位置的侧面通入，由于电极温度较高需要用冷却水冷却，同时也限制了改性材料的种类。由于这些缺点的存在，影响了这两类等离子体流化床的便用效能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺陷；提供一种既适于各种粉末材料的表面改性处理，又可进行薄膜材料和对污水废气的降解处理；特别是非导电粉末材料处理效果更佳的适用性广的，可在常温大气压条件下对材料进行处理的等离子体流化床及处理方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的在常温大气压下对材料进行处理的等离子体流化床由等离子体产生系统和粉末流化系统组成，具体装置如图3.所示。该流化床包括：一床体13，其床体13下端口设置一气体分配器6，和在气体分配器6下面安装一漏斗形进气口14，进气口14通过带气体流量计16的管道15与气源1相连；床体13上部的侧壁上开有气体出口12，在床体的气体出口12的位置之上开孔，该孔安装一根带阀的进料管23，其管道连通一进料斗3；在床体的气体出口12以下至气体分配器6一段外壁上设置一外电极2，外电极2与高压交流电源9的一极用导线连接；内电极8插入床体内，并通过一绝缘板5密封固定在床体上端口，露出床体上端口的内电极8与高压交流电源9的另一极用导线连接；所述的床体13用绝缘材料制作的。

所述的气体分配器6为一非金属薄片，其上开有圆孔，孔径的大小根据改性材料颗粒直径而定，一般小于待处理改性材料的颗粒直径。该非金属薄片包括有机或无机材料，例如工程塑料、陶瓷材料、石英玻璃或云母等。

所述的床体13外壁上设置的外电极为一中空壳层，该壳层的上部开有导电液体出口4，其下部开有导电液体入口7，其内充有导电液体24；或者外电极为包覆床体13外壁上一层导电膜；或者均匀缠绕导电丝，且内外电极之间用绝缘材料隔离。

所述的内电极可以是导电金属棒、导电金属管或导电金属制作环形电极等，且内电极数量至少为一根，设置在管内。

所述的高压交流电源9采用电压在0-30KV，频率在20-40KHz可调的交流高压电源。

所述的改性气体可从进气口通入，也可从底部随流化气体一起通入，且流化气体为空气、氩气、氮气等。

所述的导电液体包括由导电物质配制的液体均可，例如：自来水、溶于水的无机盐溶液等。

所述的床体13用绝缘材料制作的，绝缘材料包括有机玻璃、工程塑料、陶瓷材料、石英玻璃等。

本发明提供的在常温大气压下对粉末材料进行处理的方法，包括在等离子体流化床上按以下步骤进行：

1.当使用导电液做外电极时，首先向等离子体流化床外电极的中空壳层内通入导电液体，并将高压交流电源的一极插入导电液体内固定连接；或者将金属外电极直接与高压交流电源的一极连接；

2.向漏斗内加入待改性的粉末材料，继而打开阀门将该粉末材料向流化床内输送预定量的粉末材料；

3.把内电极与与高压交流电源的另一极连接；

4.打开气瓶或压缩气源，通过气路上的气体流量计控制气体流速，当气体流速达到预定的流化速度时，粉末材料就会处于流化态(不同的颗粒，不同的气流速度)；

5.打开高压交流电源，电压调节到产生等离子体时，通入待改性气体；

6.材料改性完成后，加大流化气体流速把改性粉末带出流化床，然后进行分离。

还包括在气体分配器上加适合于待测废气的催化剂颗粒，待测废气从床体进气口通入，调节气体流速要小于催化剂的带出速度。其具体处理方法如下：

本发明提供的在常温大气压下对废水进行处理的方法，包括在等离子体流化床上按以下步骤进行：

1.当进行废水处理时，必须用废水做外电极，首先向等离子体流化床外电极的中空壳层(外电极)内通入废水，且根据不同处理要求即可单向通入也可循环通入，并将高压交流电源的一极插入废水(外电极)内固定连接；

2.把内电极与与高压交流电源的另一极连接；

3.打开压缩气源，通过气路上的气体流量计控制气体流速；

4.打开高压交流电源，电压调节到产生等离子体，并根据放电情况再一次调节气体流量，防止气流过大影响放电的均匀性；

5.将经过流化床的气体通入到流过外壳层的废水，废水在紫外线和氧化基团的作用下，就会得到有效降解。

还包括在外壳层中通入加碱的废水，气体分配器上加适合于待处理废气的催化剂，待测废气从床体进气口通入，调节气体流速要小于催化剂的带出速度。其

具体处理方法如下：

本发明提供的在常温大气压下对废气进行处理的方法，包括在等离子体流化床上按以下步骤进行：

2.把内电极与与高压交流电源的另一极连接：

3.向漏斗内加入适合于待处理废气的催化剂，继而打开阀门将该催化剂向流化床内输送适量的催化剂；

4.从进气口通入废气，通过气体流量计调节废气流量使催化剂处于流化或非带出状态即可；

5.打开高压交流电源，电压调节到产生等离子体，并根据放电情况再一次调节气体流量，以确保废气处理质量；

6.将处理后的废气通过碱性溶液，就会把废气中被氧化而易溶于水的酸性气体滤掉。

本发明提供的在常温大气压下对废水废气同时进行处理的方法，包括在等离子体流化床上按以下步骤进行：

1.向外壳层中通入加碱后的废水，并用导线与高压交流电源一极相连；

2.把内电极与与高压交流电源的另一极连接；

4.从床体进气口通入废气，通过气体流量计调节废气流量使催化剂处于流化或非带出状态即可；

6.将处理后的废气通过废水，就会把废气中被氧化而易溶于水的酸性气体滤掉，酸性气体生成的酸与碱发生中和反应变为无害物质。

本发明的优点在于：本发明提供的对材料进行处理的等离子体流化床由于采用连续供料和外电极导热结构，可在常温大气压下运行不需要真空设备，运行成本低。再者由于流化床中温度接近常温，不会损害粉末材料，可适用的改性材料范围广，且改性均匀。外电极是导电导热液体，故可很好的导走放电介质管上的热量，使该装置能长时间的工作；本装置是连续性操作，可明显提高生产效率；以及结构简单、造价低。

利用本发明的装置对于粉末材料改性是通过装置上面的漏斗连续加料，当底部通入气流在某一速度时，粉末材料所受的重力与浮力达到平衡，这时颗粒就会悬浮在流化床中而不被带出(这时气体的速度叫流化速度)，随同气流可加入改性气体。当在内电极与外导电液体(外电极)之间加高频高压电压时，就会在石英管壁与内电极之间产生等离子体，由于等离子体中含有大量的带电粒子，粒子会与改性气体分子碰撞，这样便产生许多活性基团，活性基团就会在粉末材料表面聚合成功能膜层，从而达到粉末材料改性的目的，改性完成后再加大气流把改性的粉末带出分离(这时的速度叫带出速度)。该处理方法简单，以及不需真空设备，大大地降低运行费用。

附图说明

图1是已有的射频等离子体流化床结构示意图

图2是已有的直流等离子体流化床结构示意图

图3是本发明的等离子体流化床结构示意图

图面说明

1.气源 2.外电极 3.进料斗

4.导电液体出 5.固定板(各种绝缘材料) 6.气体分配器

7.液体进 8.内电极 9.高压交流电源

10.导线 11.阀门 12.气体出口

13床体 14进气口 15管道

16气体流量计 17射频感应线圈 18石英管

19阴极 20阳极 21冷却水

22等离子体 23进料管 24导电液体

具体实施方式

参照图3，制作一可处理粉末材料，水为外电极在常温大气压下工作的等离子体流化床。

采用绝缘材料，例如一直径为φ20mm×长150mm的有机玻璃圆筒做床体13，床体13下端口安装一气体分配器6，该气体分配器6为机玻璃薄片上均匀开有直径为φ0.2mm交替排列的圆孔，个数根据具体材料的颗粒大小而定(也可使用流化床通用的气体分配器)，和在气体分配器6下面安装一有机玻璃制的漏斗形进气口14，进气口14通过带阀门的管道15与气源1相连；床体13上部的侧壁上开有气体出口12，在床体的气体出口12的位置之上开孔，该孔安装一根带阀门的进料管23，其进料管23连通一漏斗形的进料斗3；在床体的气体出口12以下至气体分配器6的外壁上设置一段中空壳层，该壳层的上部开有导电液体出口4，其下部开有导电液体入口7，其内充有导电液体24作为外电极2，外电极2与高压交流电源9的一极用导线10连接；一根不锈钢管(通常等离子体处理装置中使用的电极材料均可)制作的内电极8插入床体内，并通过一绝缘有机玻璃板5密封固定在床体3上端口上，露出床体上端口的内电极8与高压交流电源8的另一极导线连接，高压交流电源9采用电压在0-30KV，频率在20-40KHz可调的电源。

外电极8也可为在床体13外壁上用市场上买来的导电膜包覆一层；或者用市场上买来的导电丝均匀缠绕，但内外电极之间要用绝缘材料隔离开。

内电极8可以是市场上买来的任何导电金属棒、导电金属管或导电金属制作环形电极等，内电极可以设置2根以上，均匀设置在管内。

利用上述实施例制作的图3所示的大气压等离子体流化床，对材料进行改性处理的具体实施方式：

一、例如利用图3实现对碳酸钙粉末材料亲水性能的改性：碳酸钙粉末是一种亲水性能非常优良的材料，要使其变为非亲水性能材料只需在粉末表面涂敷一层低表面能材料即可。

1.首先向等离子体流化床外电极的中空壳层内通入普通自来水，并将高压交流电源的一极插入导电液体内固定连接；或者将金属外电极直接与高压交流电源的一极连接；

2.将带有孔径5微米的气体分配器放入流化床底端安装好；

3.再向漏斗3中加入直径约为5微米的碳酸钙粉末，继而打开阀门将该粉末材料向流化床内输送预定量的碳酸钙粉末；

4.把内电极与高压交流电源的另一电极用导线相连；

5.打开氩气阀门调整气体流速到3L/s，流化床中的碳酸钙粉末就会流化，通过气路上的气体流量计控制气体流速，当气体流速达到预定的流化速度时，粉末材料就会处于流化态；(不同的颗粒大小，不同的气流速度)；

6.调节高压交流电源到10KV就会在流化床内产生等离子体，这时向氩气中加入六甲基二硅氧烷蒸汽，在等离子体作用下该有机硅蒸汽就会电离成活性基团，在碳酸钙粉末表面形成有机硅的低表面聚合物，这样碳酸钙粉末就变成疏水性材料。

二、废水废气处理

在该发明装置对废水废气处理有三种模式：a.单独对废水处理模式；b.单独对废气处理模式；c.废水废气同时处理模式。例如利用图3.装置处理化工厂废水和汽车尾气。

a.单独废水处理模式

将化工厂排出的废水通入外电极(也可使废水循环通过外电极)，放电管内通入空气，重复对粉末材料处理方法的实施例一的步骤，调节高压交流电源到10KV，使流化床中产生等离子体并使电离的空气通过废水，在电离空气中的氧化性活性基团和等离子体中紫外线的作用下，废水会得到有效降解。

b.单独进行废气(汽车尾气)的处理：

外电极可加任何导电液体，本实施例用KCl或NaCl无机盐配制而成的导电溶液，也可用其它任何形式的电极，并在气体分配器上加相应于待处理废气的催化剂颗粒像V₂O₅，TiO₂等，重复对粉末材料处理方法的实施例一的步骤，汽车尾气从床体进气口通入，通过气体流量计控制气体流速，使其流速要小于催化剂的带出速度，当它流经放电区后，废气中的NO，SO₂等有害气体就会被氧化成易溶于水的气体，达到处理的目的。

C.废水废气同时处理时：外电极壳层中通废水，放电管内通汽车尾气，并在气体分配器上加催化剂V₂O₅，TiO₂等，经过放电区的废气通过处理后的后加碱的废水(在废水中加适量的碱会与废气中的酸性气体反应，从而把酸性气体滤掉)，就会把废气中被氧化而易溶于水的酸性气体滤掉，酸性气体生成的酸与碱发生中和反应变为无害物质。

这三种模式的放电形式与碳酸钙粉末改性运行形式相同，不予累述。

Claims

1.一种在常温大气压下对材料进行处理的等离子体流化床，包括：一床体(13)，其床体(13)下端口设置一气体分配器(6)，和在气体分配器(6)下面安装一漏斗形进气口(14)，进气口(14)通过带气体流量计(16)的管道(15)与气源(1)相连；床体(13)上部的侧壁上开有气体出口(12)，其特征在于：还包括在床体的气体出口(12)的位置之上开孔，该孔安装一根带阀的管道，其管道连通一进料斗(3)；在床体的气体出口(12)以下至气体分配器(6)一段外壁上设置一外电极(2)，外电极(2)与高压交流电源(9)的一极电连接；内电极(8)插入床体内，并通过一绝缘板(5)密封固定在床体上端口，露出床体上端口的内电极(8)与高压交流电源(9)的另一极电连接；所述的床体(13)用绝缘材料制作的。

2.按权利要求1所述的在常温大气压下对材料进行处理的等离子体流化床，其特征在于：所述的外电极(2)为在床体(13)外壁上设置一中空壳层，该壳层的上部开有导电液体进口(4)，该壳层的下部开有导电液体出口(7)，该壳层内充有导电液体(24)。

3.按权利要求1所述的在常温大气压下对材料进行处理的等离子体流化床，其特征在于：所述的外电极(2)为包覆床体(13)外壁上一层导电膜；或者所述的外电极(2)为均匀缠绕导电丝，且内外电极之间用绝缘材料隔离。

4.按权利要求1所述的在常温大气压下对材料进行处理的等离子体流化床，其特征在于：所述的内电极(8)是导电金属棒、导电金属管或导电金属制作环形电极，且内电极数量至少为一根，设置在管内。

5.按权利要求1所述的在常温大气压下对材料进行处理的等离子体流化床，其特征在于：所述的高压交流电源(9)采用电压为大于0kV且小于等于30kV，频率在20～40kHz可调的高压交流电源。

6.按权利要求2所述的在常温大气压下对材料进行处理的等离子体流化床，其特征在于：所述的导电液体包括由导电物质配制的液体、溶于水的无机盐溶液或自来水。

7.一种在权利要求1所述的等离子体流化床上对材料进行处理的方法，所述方法按以下步骤进行：

A、当使用导电液做外电极时，首先向等离子体流化床外电极的中空壳层内通入导电液体，并将高压交流电源的一极插入导电液体内固定连接；或者将金属外电极直接与高压交流电源的一极连接；

B、向进料斗内加入待改性的粉末材料，继而打开阀门向等离子体流化床内输送预定量的该粉末材料；

C、把内电极与高压交流电源的另一极连接；

D、打开气瓶或压缩气源，通过气路上的气体流量计控制流化气体流速，将气体流速达到预定的流化速度，从而形成流化气体；

E、打开高压交流电源，电压调节到产生等离子体时，通入待改性气体；

F、粉末材料改性完成后，加大流化气体流速把改性后的粉末材料带出等离子体流化床，然后进行分离。