CN102773007A - 一种有机气体等离子催化器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有机气体等离子催化器，其包括一个外壳，外壳中并联或串联多个电场，电场由负电极和正电极组成，正、负电极上均涂覆高介电常数材料层并各自电连接至一个高压脉冲电源，在电场中放置有数个多孔陶瓷制成的电场催化剂蜂窝载体，催化剂蜂窝载体内分别填充负载为TiO2和AL2O3的第一催化剂、负载为V2O5和TiO2的第二催化剂，在电场之后紧邻电场串联一段非电场催化剂蜂窝载体，填充负载为MnO2的第三催化剂。本发明可以大幅提高能量利用效率并减少CO排放量。

Description

一种有机气体等离子催化器
技术领域
本发明涉及一种在常温状态等离子体环境下催化降解有机气体的反应装置。
背景技术
目前，环保领域有机气体的净化方法分为分离法和降解法。分离法有溶剂吸收、吸附脱附分离、冷凝法、膜分离法，降解法有燃烧、催化燃烧、生物降解、等离子消除法。
目前的等离子反应器结构如图1所示：通过直流高压电源90向外壳91内的与外壳91电连接的的第一电极92和第二电极93供电，第二电极93通过尖刺的放电极94向第一电极92和外壳91放电，从而在外壳91空间内产生等离子体。含有有机气体的气流沿着图中C所示的方向流动，在等离子体中有机气体被部分分解产生CO2、H2O、CO、及其中间产物CxHyOz，这种结构不仅降解率低，而且能量利用率低，最重要的是产生可观的CO，带来更严重的污染。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提高气体等离子催化器的能量利用效率。
本发明所要解决的另一个技术问题是减少CO产生量。
为了解决上述技术问题，本发明提供有一种有机气体等离子催化器，其包括一个外壳，外壳中并联或串联多个电场，电场由负电极和正电极组成，正、负电极上均涂覆高介电常数材料层并各自电连接至一个高压脉冲电源的正、负极，在电场中放置由数个多孔陶瓷制成的电场催化剂蜂窝载体，催化剂蜂窝载体内分别填充负载为TiO2和AL2O3的第一催化剂、负载为V2O5和TiO2的第二催化剂，在电场之后紧邻电场串联一段非电场催化剂蜂窝载体，填充负载为MnO2的第三催化剂。
本发明所带来的有益效果是由于采用高压脉冲电源而不是直流高压电源，绝大部分的电能都是用来产生高能电子而不是用来加热气体，所以催化效率和能量利用率大为提高。另外，电场之后的第三催化剂能够将CO彻底氧化成CO2，所以等离子催化器的CO产生量可以得到大幅降低。
附图说明
图1是目前等离子反应器的结构示意图。
图2是本发明一种催化剂能带示意图。
图3是本发明反应机理示意图。
图4是本发明的一个剖视示意图。
图5是本发明图4中A-A方向的剖视示意图。
具体实施方式
如图4、5所示，本发明的有机气体等离子催化器包括一个外壳10，外壳10中并联或串联多个电场20，电场20由作为负电极的外壳10和正电极21产生，正、负电极21、10上均涂覆高介电常数材料层22，正、负电极21、10各自电连接至一个高压脉冲电源23的正、负极从而在电场20内发生介质阻挡层放电。在电场20中放置由数个多孔陶瓷制成的电场催化剂蜂窝载体30，催化剂蜂窝载体30内分别填充负载为TiO2和Al2O3的第一催化剂31、负载为V2O5和TiO2的第二催化剂32。在电场20之后紧邻电场20串联一段非电场催化剂蜂窝载体40，填充负载为MnO2的第三催化剂41。
等离子净化污染物的机理是，尖刺脉冲通过无声放电(高介电常数材料阻挡放电)激发出大量高能电子、丰富的紫外线、少量射线，处于这种环境中的物质原子与高能电子发生非弹性碰撞，引起气体原子外层电子振荡，脱离原子束缚，这个过程会导致化学键断裂，生成活性很高的激发态离子。同时，高能电子和射线的能量被空气分子吸收，会产生强氧化剂O3，活性很高的HO2，OH自由基和准分子O。所有这些激发态离子、强氧化剂、自由基和准分子自身的能量大于有机物的分子键能，从而打开了有机物的化学键发生化学反应。高能电子激发活性物质的化学式：H2O+e-→H*+HO*+e-  H*+O3→OH*+O2  HO*+O3→HO2*+O2HO2*+O3→HO*+2O2。
催化剂蜂窝载体选用具有优良吸附性能和高介电常数的多孔陶瓷体，对于有机物有优先的吸附性，因而能够将有机物在其体内富集，待有机物完全降解后再将降解产物脱附；多孔陶瓷体还能富集短寿命的活性物质如自由基、准分子，这样就意味着有机物和活性物质被富集在特定区域从而增加了有机物降解的机率；高介电常数的多孔陶瓷体在电子和射线轰击下多孔表面被激发成活性中心，利于有机物的降解。
AL2O3和V2O5作为常规催化剂，可以显著提升有机物降解的速度，并且使反应向希望的氧化还原方向进行。MnO2的作用是加速O3→O2+O*，并且利用O*降解有机物。TiO2是一种N型半导体，用作催化剂的TiO2粒子的能带是不连续的，其能带结构由一个充满电子的低能价带(VB)和一个空的高能导带(CB)构成，电子在价带和导带中是非定域化的，可以自由移动。在理想TiO2半导体中，价带顶和导带底之间带隙不存在电子状态，这种带隙称为禁带，禁带宽度用Eg表示。
实际的TiO2半导体由于其中不可避免地存在杂质和各种陷阱，使电子和空穴束缚在其周围，成为捕获电子和空穴的陷阱，产生局域化电子态，在禁带中引入相应电子态能级。如图2所示，以粒子晶体中点缺陷为例，在正电中心，负离子空位和间隙中的正离子都是正电中心，正电中心束缚一个电子，这个被束缚的电子很容易挣脱而成为导带中的自由电子。如图3所示，纳米尺寸的TiO2吸收能量大于等于Eg的光子和高能电子能量，将发生电子由价带向导带的跃迁，从而在价带生成空穴h+，在导带生成电子e-，在反应器电场的驱动下，电子和空穴迁移到粒子表面的不同位置，它们能在电场作用或通过扩散与吸附在催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者直接复合。如图3所示，TiO2等离子催化反应主要步骤中，①TiO2受高能电子和紫外线激发后产生电子-空穴对；②电子-空穴对之间发生复合反应，并以热能或光能的形式释放能量；③由价带空穴诱发的氧化反应；④有导带电子诱发的还原反应；⑤发生进一步催化反应；⑥捕获导带电子生成Ti3+；⑦捕获价带空穴生成Titanol基团。反应④形成的超氧自由基具有很强的氧化能力，对整个有机物的降解起了决速的作用。在没有电场的情况下，反应②的发生概率是主要的，但是由于TiO2催化剂被置于高压脉冲电场中之后，能迫使激发的电子向电场正电极移动，从而显著削弱反应②，使得所需要的反应③④⑤得到明显增强。
如本技术领域的人所知，本发明的附图和实施例仅为说明本发明的功能、结构和原理而不应当成为对本发明理解上的限制；同时，本发明的目的均已经实现。上述实施例可能在不脱离本发明原理的情况下有所变更，故此，本发明的保护应以权利要求书中所描述的范围为准。

Claims (1)

1.一种有机气体等离子催化器，其特征在于包括一个外壳(10)，外壳(10)中并联或串联多个电场(20)，电场(20)由作为负电极的外壳(10)和正电极(21)产生，正、负电极(21、10)上均涂覆高介电常数材料层(22)并各自电连接至一个高压脉冲电源(23)的正、负极，在电场(20)中放置由数个多孔陶瓷制成的电场催化剂蜂窝载体(30)，催化剂蜂窝载体(30)内分别填充负载为TiO2和AL2O3的第一催化剂(31)、负载为V2O5和TiO2的第二催化剂(32)，在电场(20)之后紧邻电场串联一段非电场催化剂蜂窝载体(40)，填充负载为MnO2的第三催化剂(41)。
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