CN102695353A - 利用高电压产生气体等离子放电基本单元及反应器 - Google Patents

Abstract

一种利用高电压产生气体等离子放电基本单元，包括电容器、电极和金属导线；所述电极有两个，两个电极平行设置，它们之间构成放电空间，放电空间至少有一个气体出口和至少一个气体进口；电容器有至少一个；两个电极中，至少有一个电极通过金属导线连接电容器的一个极板，电容器的另一个极板作为基本单元的电源输入端。一种采用上述基本单元的分容式等离子体反应器,包括高压电源、等离子体反应器腔体和至少2个基本单元；各个基本单元在等离子体反应器腔体内；各个基本单元的电源输入端与高压电源连接。这种等离子体反应器可以用于如汽车尾气、烟道气、大气、室内空气、各种工业排气的气体净化、也可以用于臭氧制备。

Description

利用高电压产生气体等离子放电基本单元及反应器

[技术领域]

本发明涉及利用高电压产生气体等离子放电基本单元及分容式等离子体反应器。这种分容式等离子体反应器可以用于如汽车尾气、烟道气、大气、室内空气、各种工业排气的气体净化、也可以用于臭氧制备。

[背景技术]

等离子体反应器按电极结构来分，有（1）同轴圆心型（如图1）；（2）面-面型（如图2）；（3）针-面型（如图3）；（4）针-针型（如图4）。这4种等离子体反应器在电极之间只有放电气体（如图4）。如果电极之间加有介质阻挡，则有（5）同轴圆心介质阻挡型（如图5）；（6）管状介质阻挡填充型（如图6）；（7）面-面介质阻挡型（如图7）；（8）沿面介质阻挡型（如图8）。

图1-4中，等离子体反应器的两电极之间只有气体，当高电压加到两电极时，会在两电极的气体中形成放电空间。由于这个放电空间没有能有效阻挡放电，这种形式的等离子体反应器会产生火花放电不均匀放电问题。不均匀放电会导致等离子体反应器处理效果的恶化。在两电极之间加入介质阻挡会改善不均匀放电。但介质阻挡是如金属氧化物、玻璃、橡胶、塑料等绝缘性物质。这些物质有的不耐高温，有的没有耐机械冲击性。因此，即使在两电极之间加入介质阻挡会改善不均匀放电，但这种形式的等离子体反应器在使用上有限制。于是，需要一种能既能产生均匀、又能耐高温和很好的机械冲击性的等离子体反应器。

[发明内容]

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的分容式等离子体反应器提供一种利用高电压来产生气体等离子体放电的反应器。

一种利用高电压产生气体等离子放电基本单元，包括电容器、电极和金属导线；所述电极有两个，两个电极平行设置，它们之间构成放电空间，放电空间至少有一个气体出口和至少一个气体进口；电容器有至少一个；两个电极中，至少有一个电极通过金属导线连接电容器的一个极板，电容器的另一个极板作为基本单元的电源输入端。

所述电容器有两个，两个电容器的一个极板分别通过金属导线连接两个电极。所述两个电极的形状是圆筒型、平板型或球型。所述两个电极的材质是铁、铜、银、金、铂、铝、钛、镁、锰、铅、锡、石墨、不锈钢、铜合金或铝合金。两个电极之间的距离是0.1毫米～50厘米。所述两个电极中至少有一个电极的气体接触面的部分或全部被绝缘膜或板覆盖；该绝缘膜或板的材质是金属氧化物、无机材料、有机材料，或前述三种材质的复合物。该绝缘膜或板形状为致密性膜或板、或多孔性膜或板、或前述二种形状的复合物。所述金属氧化物包括氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化铁、氧化锆、氧化铬、氧化镍或氧化镁；无机材料包括氧化硅或玻璃；有机材料包括塑料或橡胶)。

一种采用上述基本单元的分容式等离子体反应器,包括高压电源、等离子体反应器腔体和至少2个基本单元；各个基本单元在等离子体反应器腔体内；各个基本单元的电源输入端与高压电源连接。

所述等离子体反应器腔体分有相互独立的多个，各个基本单元的电容器的电容器位于一个腔体内，各个基本单元的电极位于一个腔体内。

所述各个基本单元的连接方式是下面方式的任一种：

1）相邻的两个基本单元并联在一起，各个基本单元的两个电极之间构成独立的放电空间；

2）相邻的两个基本单元中，一个基本单元的一个电极与另一个基本单元的一个电极之间构成放电空间。

本技术方案的原理是，本反应器将介质阻挡放电反应器的介质从两电极中移出到两电极外，从而达到介质和电极的分离使用。电极和介质可以在不同的使用条件下工作，这样就得到既能产生均匀、又能耐高温和很好的机械冲击性的等离子体反应器。

[附图说明]

图1～图8是现有技术中的不同结构的等离子体反应器的放电基本单元，其中：图1是同轴圆心型；图2是面-面型；图3是针-面型；图4是针-针型；图5是同轴圆心介质阻挡型；图6是管状介质阻挡填充型；图7是面-面介质阻挡型；图8是沿面介质阻挡型。

图9甲、图9乙为基本单元示意图（图9甲为3根金属导线，一个电容器，二个电极和一个放电空间；图9乙为3根金属导线，二个电容器，二个电极和一个放电空间）。

图10为电容器和电极一体型分容式等离子体反应器示意图，电容器和电极的工作条件相同。

图11为电容器和电极分离型分容式等离子体反应器示意图，电容器和电极的工作条件可以不相同。

图14（A）显示金属铝电极的全部被致密氧化铝绝缘膜覆盖后的电极截面图。

图14（B）显示金属铝电极的全部被多孔氧化铝绝缘膜覆盖后的电极截面图。

图15是金属电极的一部分被致密绝缘膜覆盖后的电极截面图。

图16是分容式等离子体反应器在汽车尾气污染物净化处理方面的应用示意图。

图17分容式等离子体反应器在汽车尾气污染物净化处理方面的应用示意图。

[具体实施方式]

本发明的分容式等离子体反应器的特征是2个以上基本单元并联在一起组成一个等离子体反应器。基本单元如图9所示，其基本结构是有至少3根金属导线、至少一个电容器、至少2个电极、和至少一个放电空间。放电空间至少有一个气体进口和至少一个气体出口。基本单元中的2个电极的形状是园筒型、平板型、球型、或其它形状。基本单元中的2个电极之间的距离在0.1毫米到50厘米。

等离子体反应器的基本单元中的2个电极的材质是铁、铜、银、金、铂、铝、钛、镁、锰、铅、锡、石墨、不锈钢、铜合金、铝合金、或它们的合金。

等离子体反应器的基本单元中的2个电极中至少有一个电极的气体接触面的一部分或全部被绝缘膜或板覆盖，以提高放电的均匀性和消除或减少电极对放电空间化学反应的影响。该绝缘膜或板的形状为致密性膜或板、或多孔性膜、或前述二种形状的复合物。

等离子体反应器的基本单元中的被绝缘膜或板覆盖电极的绝缘膜或板材质是金属氧化物（如氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化铁、氧化锆、氧化铬、氧化镍、氧化镁）、金属氧化物以外的无机材料（如氧化硅、玻璃）、有机材料(如塑料、橡胶)或它们的复合物。在绝缘膜或板上根据需要载有催化剂，以达到所需的化学反应。

等离子体反应器,其特征是基本单元中的一个电极和另一个基本单元中的电极合用。

等离子体反应器对进入反应器内部的气体经放电后在气体中发生化学反应,从而达到净化有害物质或制造有用物质的效果。进入反应器内部的气体可以含有液体或固体颗粒。

下面结合附图与具体实施方式对本发明进一步说明如下：

【实施例1】

本发明的实施例可可以采用图10-11所示的结构示意图来实现。分容式等离子体反应器内有2个以上的基本单元。电容器和电极1和2用金属导线1、2、3来连接。电极1和2之间有一定距离形成气体放电空间。基本单元之间相互独立。基本单元之间是相互并联，并用并联导线1和2来连接。并联连接后的多个基本单元构成分容式等离子体反应器。分容式等离子体反应器的并联导线1和2和高压电源线1和2以及高压电源相连接。气体通过分容式等离子体反应器的放电空间,在放电空间和气体流动方向的下游发生各种化学反应。

图10分容式等离子体反应器使用例子（电容器和电极一体型）

图11分容式等离子体反应器使用例子（电容器和电极分离型）

【实施例2】

图12所示的结构示意图是实现本发明的实施例的另一个例。分容式等离子体反应器内有2个以上的基本单元。电容器和电极1和2用金属导线1、2、3来连接。电极1和2之间有一定距离形成气体放电空间1。基本单元之间共用一个电极形成另一个气体放电空间，如图11中的电极2和电极3形成放电空间2。基本单元之间是相互并联，并用并联导线1和2来连接。并联连接后的多个基本单元构成分容式等离子体反应器。分容式等离子体反应器的并联导线1和2和高压电源线1和2以及高压电源相连接。气体通过分容式等离子体反应器的放电空间,在放电空间和气体流动方向的下游发生各种化学反应。

图12分容式等离子体反应器使用例子（电容器和电极一体型）

图13分容式等离子体反应器使用例子（电容器和电极分离型）

【实施例3】

本发明的等离子体反应器能通过电容器来控制在放电空间的放电。当在放电空间的放电达不到均匀放电的效果或电极材质对放电空间的化学反应有不利影响，可以通过在和气体接触的电极表面的一部分或全部覆盖绝缘膜或板。

当电极表面的全部覆盖绝缘膜或板时,和气体接触的只有绝缘膜或板。因此，金属电极之间的放电被绝缘膜或板所阻挡，形成一个绝缘膜或板介质放电。由放电产生的电子和离子不能通过绝缘膜或板。金属表面也不参与气体中发生的各种化学反应。

当电极表面的一部分覆盖绝缘膜或板时,由放电产生的电子和离子可以通过绝缘膜或板与绝缘膜或板之间的和气体接触面到达金属电极表面。由于和气体接触的金属表面面积相对于无覆盖绝缘膜或板时的金属表面面积要少,从而减少了金属表面对气体中化学反应的影响。

图14（A）显示金属铝电极的全部被致密氧化铝绝缘膜或板覆盖后的电极截面图。由于电极表面有致密绝缘膜或板，和气体接触的面为致密绝缘膜或板的表面而不是金属电极表面。致密氧化铝绝缘膜或板可以通过化学反应将金属铝电极的表面氧化成氧化铝，也可以通过在金属铝电极上面施加氧化铝绝缘膜或板来实现。绝缘膜或板的厚度没有特别要求，一般为10纳米到10毫米。

图14（B）显示金属铝电极的全部被多孔氧化铝绝缘膜或板覆盖后的电极截面图。由于电极表面有多孔绝缘膜或板，增加了气体和多孔绝缘膜或板的接触面积，可以增强气体在多孔绝缘膜或板表面的化学反应。多孔绝缘膜或板对气体中的颗粒物有积蓄功能，可以增加颗粒物和放电气体的接触时间，达到增加净化颗粒物的净化功能。可以通过化学反应将金属铝电极的表面氧化成多孔氧化铝，也可以通过在金属铝电极上面施加氧化铝绝缘膜或板来实现。绝缘膜或板的厚度没有特别要求，一般为10纳米到10毫米，孔直径一般为0.1微米到10毫米，孔深为0.1微米到10毫米。

金属铝电极可以改为金属钛电极。钛电极表面可以覆盖致密氧化钛绝缘膜或板。致密氧化钛绝缘膜或板可以通过化学反应将金属钛电极的表面氧化成氧化钛，也可以通过在金属钛电极上面施加氧化钛绝缘膜或板来实现。绝缘膜或板的厚度没有特别要求，一般为10纳米到10毫米。

致密绝缘膜或板或多孔绝缘膜或板上可以加载催化剂，如白金、金、银、镍、铜、锰、锌、钨等金属及其氧化物。催化剂的加载可以直接将催化剂的颗粒载在绝缘膜或板的表面上，也可通过先将催化剂颗粒载在催化剂载体上后再将载体载在绝缘膜或板表面上。

图15显示金属铝电极的部分被致密氧化铝绝缘膜或板覆盖后的电极截面图。由于电极表面没有全部被致密绝缘膜或板覆盖，和气体接触的面为致密绝缘膜或板的表面和一部分金属铝电极表面。致密氧化铝绝缘膜或板可以通过化学反应将金属铝电极的表面氧化成氧化铝，也可以通过在金属铝电极上面施加氧化铝绝缘膜或板来实现。绝缘膜或板的厚度没有特别要求，一般为10纳米到10毫米。

金属铝电极可以改为金属钛电极。钛电极表面可以覆盖致密氧化钛绝缘膜或板。致密氧化钛绝缘膜或板可以通过化学反应将金属钛电极的表面氧化成氧化钛，也可以通过在金属钛电极上面施加氧化钛绝缘膜或板来实现。绝缘膜或板的厚度没有特别要求，一般为10纳米到10毫米。

致密绝缘膜或板上可以加载催化剂，如白金、金、银、镍、铜、锰、锌、钨等金属及其氧化物。催化剂的加载可以直接将催化剂的颗粒载在绝缘膜或板的表面上，也可通过先将催化剂颗粒载在催化剂载体上后再将载体载在绝缘膜或板表面上。

【实施例4】

图16表示本发明的分容式等离子体反应器在汽车尾气中的氧化氮（NOx）、黑烟（PM）、未完全燃烧碳氢化合物等污染物净化处理方面的应用例子。汽车发动机的尾气经分容式等离子体反应器对未完全燃烧产物进行净化处理。汽车尾气中含有氧气，经等离子体放电后被分解成氧原子。氧原子和水反应生成羟基自由基。氧原子和羟基自由基具有极高的氧化能力，能将汽车尾气中的未完全燃烧产物如碳氢化合物和黑烟氧化成氧化碳和水。

高压电源向分容式等离子体反应器提供高压电。高压电源的电力输入可以从汽车上的发电机或蓄电池来取得。

分容式等离子体反应器的下流可以加催化反应器，可以进一步对尾气进行净化处理。如在等离子体反应器中NO被氧化成的NO₂。NO₂在催化反应器中和碳氢化合物反应将碳氢化合物氧化成二氧化碳和水。同时NO₂被还原成NO或N₂。分容式等离子体反应器和催化反应器可以间隔多个串联安装。图17为2个分容式等离子体反应器和2个催化反应器串联安装例子。

Claims (10)

1.一种利用高电压产生气体等离子放电基本单元，其特征是包括电容器、电极和金属导线；所述电极有两个，两个电极平行设置，它们之间构成放电空间，放电空间至少有一个气体出口和至少一个气体进口；电容器有至少一个；两个电极中，至少有一个电极通过金属导线连接电容器的一个极板，电容器的另一个极板作为基本单元的电源输入端。

2.根据权利要求1所述的基本单元，其特征是所述电容器有两个，两个电容器的一个极板分别通过金属导线连接两个电极。

3.根据权利要求1所述的基本单元，其特征是所述两个电极的形状是圆筒型、平板型或球型。

4.根据权利要求1所述的基本单元，其特征是所述两个电极的材质是铁、铜、银、金、铂、铝、钛、镁、锰、铅、锡、石墨、不锈钢、铜合金或铝合金。

5.根据权利要求1所述的基本单元，其特征是两个电极之间的距离是0.1毫米～50厘米。

6.根据权利要求1所述的基本单元，其特征是所述两个电极中至少有一个电极的气体接触面的部分或全部被绝缘膜或板覆盖；该绝缘膜或板的材质是金属氧化物、无机材料、有机材料，或前述三种材质的复合物；

该绝缘膜或板的形状为致密性膜或板、或多孔性膜或板、或前述二种形状的复合物。

7.根据权利要求6所述的基本单元，其特征是所述金属氧化物包括氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化铁、氧化锆、氧化铬、氧化镍或氧化镁；无机材料包括氧化硅或玻璃；有机材料包括塑料或橡胶。

8.一种采用权利要求1～7任一所述基本单元的分容式等离子体反应器,其特征是包括高压电源、等离子体反应器腔体和至少2个基本单元；各个基本单元在等离子体反应器腔体内；各个基本单元的电源输入端与高压电源连接。

9.根据权利要求8所述的分容式等离子体反应器，其特征是所述等离子体反应器腔体分有相互独立的多个基本单元，各个基本单元的电容器的电容器位于一个腔体内，各个基本单元的电极位于一个腔体内。

10.根据权利要求8或9所述的分容式等离子体反应器，其特征是所述各个基本单元的连接方式是下面方式的任一种：

1）相邻的两个基本单元并联在一起，各个基本单元的两个电极之间构成独立的放电空间；

2）相邻的两个基本单元中，一个基本单元的一个电极与另一个基本单元的一个电极之间构成放电空间。

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