CN103120922B - 装载盐催化剂的气体等离子放电反应器及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器；包括从上至下依次排列的电极Ⅰ、介质阻挡板、催化剂层Ⅰ、放电空间、催化剂层Ⅱ以及电极Ⅱ；放电空间上至少设置有一个进气口和一个出气口；电极Ⅰ通过金属导线Ⅰ连接到高压电源的一个输出端，电极Ⅱ通过金属导线Ⅱ连接到高压电源的另外一个输出端；高压电源输出的电压波形为脉冲形状或交流形状，电压峰值在100V到150kV之间；催化剂层Ⅰ和催化剂层Ⅱ均由含氧酸盐构成，含氧酸盐为硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐、钛酸盐、铁酸盐、锰酸盐、钒酸盐或铬酸盐；含氧酸盐中包含有钙、锌、钾、镁或铜等中的一种或二种以上的金属。

Description

装载盐催化剂的气体等离子放电反应器及使用方法

技术领域

本发明涉及一种等离子放电反应器，尤其是一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器及使用方法；这种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器既可用于汽车尾气、烟道气、大气、室内空气以及各种工业排气的净化，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，可以分成同轴圆心型（如图9）、面-面型（如图10）、针-面型（如图11）以及针-针型（如图12）。这4种等离子体反应器在电极之间只有气体。如果电极之间加有介质阻挡，则又可分为同轴圆心介质阻挡型（如图13）、管状介质阻挡填充型（如图14）、面-面介质阻挡型（如图15和图16）以及沿面介质阻挡型（如图17）。图9～图17中，等离子体反应器的两电极之间有气体，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。气体放电时会产生大量活性化学物质，这些化学物质被用于各种用途，如氧原子被用于制备臭氧。然而，由于活性化学物质极易发生各种副化学物质反应，使活性化学物质的使用效率降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能高效利用活性化学物质的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器及使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器，包括外接高压电源和从上至下依次排列的电极Ⅰ、介质阻挡板、催化剂层Ⅰ、放电空间、催化剂层Ⅱ以及电极Ⅱ；所述放电空间上至少设置有一个进气口和一个出气口；所述电极Ⅰ通过金属导线Ⅰ连接到高压电源的一个输出端，电极Ⅱ通过金属导线Ⅱ连接到高压电源的另外一个输出端；所述高压电源输出的电压波形为脉冲形状或交流形状，电压峰值在100V到150kV之间；所述催化剂层Ⅰ和催化剂层Ⅱ均由含氧酸盐构成，所述含氧酸盐为硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐、钛酸盐、铁酸盐、锰酸盐、钒酸盐或铬酸盐；所述含氧酸盐中包含的金属为钙、锌、钾、镁、铜、铁、钠、铝、锡、镍、钴、锑、镉、铋、铬、锰、锶和钡中的一种或二种以上。

作为对一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的改进：所述电极Ⅰ和电极Ⅱ的形状为圆筒型、平板型或球型。

作为对一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的进一步改进：所述电极Ⅰ和电极Ⅱ的材质为铁、铜、银、金、铂、铝、钛、镁、锰、铅、锡、石墨、不锈钢、铜合金或铝合金。

作为对一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的进一步改进：所述电极Ⅰ和电极Ⅱ之间的距离是0.1毫米～50厘米。

作为对一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的进一步改进：所述介质阻挡板的材质为金属氧化物、无机材料、有机材料或者金属氧化物、无机材料以及有机材料的复合物；所述金属氧化物为氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化铁、氧化锆、氧化铬、氧化镍或氧化镁；无机材料为氧化硅、玻璃或云母；有机材料为塑料或橡胶。

作为对一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的进一步改进：所述介质阻挡板的形状为致密性膜、致密性板、多孔性膜、多孔性板、致密性和多孔性相结合的膜或者致密性和多孔性相结合的板；所述介质阻挡板的厚度为10纳米到10毫米。

一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的使用方法：气体从放电空间的进气口进入放电空间，通过放电空间后从出气口离开放电空间；所述电极Ⅰ和电极Ⅱ通过高压电源输出的电压将电场施加到放电空间的气体上，使得气体发生放电现象； 在放电空间的电场中生成的氧原子被催化剂层I和催化剂层II的含氧盐分子中的2个氧原子吸收形成一个有氧原子吸收的盐；有氧原子吸收的盐和可被氧化的物质如碳、碳氢化合物、氧气等反应生成一氧化碳、水或臭氧。

本发明的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器上设置有由含氧酸盐构成的催化剂层Ⅰ和催化剂层Ⅱ；在电极Ⅰ和电极Ⅱ接通高压电源的时候，电极Ⅰ和电极Ⅱ通过高压电源输出电压对放电空间内的气体施加电场，使得放电空间内的气体发生放电。电压峰值在100V到150kV之间，电压波形为脉冲形状或交流形状；在放电空间内，通过进气口通入气体，气体通过放电空间后从出气口离开放电空间。气体中含有的氧气分子、水等含氧物质被放电分解为氧原子，生成的氧原子被含氧盐分子中的2个氧原子吸收形成一个有氧原子吸收的盐；有氧原子吸收的盐和可被氧化的物质如碳、碳氢化合物、氧气等反应生成一氧化碳、水或臭氧。通过采用含氧酸盐以及电极Ⅰ和电极Ⅱ之间的电场的共同作用下，提高了活性化学物质的利用效率，极大地提高气体净化效率。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器及使用方法的主要结构示意图；

图2是图1中盐催化剂反应器模块400的主要结构示意图；

图3是图2的右侧结构示意图；

图4是图1在发动机尾气净化处理中的结构示意图；

图5是图1中盐催化剂反应器模块400的第二种结构示意图；

图6是图1中盐催化剂反应器模块400的第三种结构示意图；

图7是图1中盐催化剂反应器模块400的第四种结构示意图；

图8是实施例2中的PM的净化相对效果示意图；

图9是第一种现有的等离子体反应器结构示意图（包括电极Ⅰ102、电极Ⅱ103和放电空间101）；

图10是第二种现有的等离子体反应器结构示意图（包括电极Ⅰ202、电极Ⅱ203和放电空间201）；

图11是第三种现有的等离子体反应器结构示意图（包括电极Ⅰ302、电极Ⅱ303和放电空间301）；

图12是第四种现有的等离子体反应器结构示意图（包括电极Ⅰ402、电极Ⅱ403和放电空间401）；

图13是第五种现有的等离子体反应器结构示意图（包括外部管状电极502、内部管状电极503、放电空间501和管状介质阻挡504）；

图14是第六种现有的等离子体反应器结构示意图（包括板状电极Ⅰ602、板状电极Ⅱ603、放电空间601和板状介质阻挡板604）；

图15是第七种现有的等离子体反应器结构示意图（包括板状电极Ⅰ702、板状电极Ⅱ703、放电空间701和板状介质阻挡板704）；

图16是第八种现有的等离子体反应器结构示意图（包括管状电极802、棒装电极803、放电空间801和球状介质阻挡804）；

图17是第九种现有的等离子体反应器结构示意图（包括电极902、板状电极903、放电空间901和板状介质阻挡904）。

具体实施方式

一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器及使用方法，包括电极Ⅰ、电极Ⅱ、介质阻挡板、催化剂层Ⅰ和催化剂层Ⅱ；电极Ⅰ和电极Ⅱ之间的空间内设置介质阻挡板，介质阻挡板上设置催化剂层Ⅰ，正对着催化剂层Ⅰ，在电极Ⅱ上设置催化剂层Ⅱ，催化剂层Ⅰ和催化剂层Ⅱ设置有放电空间；在使用的时候，电极Ⅰ和电极Ⅱ接通高压电源，通过在电极Ⅰ和电极Ⅱ之间产生的电场以及催化剂层Ⅰ和催化剂层Ⅱ之间共同作用后对通过放电空间的气体进行放电处理。

由以下三个实施例具体说明本发明的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的具体结构以及使用的方法。

实施例1、如图1、图2和图3所示，一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器及使用方法，包括盐催化剂反应器模块400和不锈钢反应器容器9；盐催化剂反应器模块400如图2和图3所示，包括从上至下依次排列的盐催化剂层Ⅲ33、介质阻挡板Ⅲ23、电极Ⅰ11、介质阻挡板Ⅰ21、盐催化剂层Ⅰ31、盐催化剂层Ⅱ32、介质阻挡板Ⅱ22、电极Ⅱ12、介质阻挡板Ⅳ24以及盐催化剂层Ⅳ34，介质阻挡板Ⅰ21与介质阻挡板Ⅱ22之间的前后两侧分别通过放电空间隔板Ⅰ61和放电空间隔板Ⅱ62相互固定（即通过放电空间隔板Ⅰ61和放电空间隔板Ⅱ62，在介质阻挡板Ⅰ21与介质阻挡板Ⅱ22之间隔离出放电空间4，放电空间4以没有放电空间隔板Ⅰ61和放电空间隔板Ⅱ62的左右两端做为气体流通的进口与出口）；不锈钢反应器容器9的左端设置有进气口7，不锈钢反应器容器9的右端设置有出气口8，不锈钢反应器容器9的内部空腔里设置有若干组盐催化剂反应器模块400，一组盐催化剂反应器模块400的介质阻挡板Ⅲ23与另外一组盐催化剂反应器模块400的介质阻挡板Ⅳ24之间均通过其他的放电空间隔板Ⅰ61和放电空间隔板Ⅱ62相互固定，并形成另外的放电空间4。

以上所述的电极Ⅰ11和电极Ⅱ12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。本发明的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的电极Ⅰ11和电极Ⅱ12采用的材质为不锈钢。电极Ⅰ11和电极Ⅱ12之间的距离为0.1毫米～50厘米，电极Ⅰ11和电极Ⅱ12均采用平板形状，尺寸为90x95x0.1mm³。

以上所述的介质阻挡板Ⅰ21、介质阻挡板Ⅱ22、介质阻挡板Ⅲ23和介质阻挡板Ⅳ24的材质为金属氧化物、无机材料、有机材料或者金属氧化物、无机材料和有机材料的复合物。金属氧化物为氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化铁、氧化锆、氧化铬、氧化镍或氧化镁；无机材料为氧化硅、玻璃或云母；有机材料为塑料或橡胶。本发明中的介质阻挡板Ⅰ21、介质阻挡板Ⅱ22、介质阻挡板Ⅲ23和介质阻挡板Ⅳ24所采用的材质为纯度为96%的氧化铝，尺寸为115x115x1mm³。介质阻挡板Ⅰ21、介质阻挡板Ⅱ22、介质阻挡板Ⅲ23和介质阻挡板Ⅳ24的形状为致密性膜、致密性板、多孔性膜、多孔性板、致密性和多孔性相结合的膜或者致密性和多孔性相结合的板；介质阻挡板Ⅰ21、介质阻挡板Ⅱ22、介质阻挡板Ⅲ23和介质阻挡板Ⅳ24的厚度为10纳米到10毫米。放电空间4上至少设置有一个气体出口和一个气体进口。

放电空间隔板Ⅰ61和放电空间隔板Ⅱ62的材质为（115 x 10 x t）mm³的氧化铝板或云母板，t为厚度，t的取值范围为0.1毫米到20毫米之间（即放电空间隔板Ⅰ61和放电空间隔板Ⅱ62的材质为介质阻挡板材质中的一种）。本发明中采用的放电空间隔板Ⅰ61和放电空间隔板Ⅱ62的材质为115 x 10 x 0.5mm³的氧化铝板。

以上所述的盐催化剂层Ⅲ33、盐催化剂层Ⅰ31、盐催化剂层Ⅱ32以及盐催化剂层Ⅳ34均是含氧酸盐；含氧酸盐为硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐、钛酸盐、铁酸盐、锰酸盐、钒酸盐或铬酸盐；含氧酸盐中所含有的金属为钙、锌、钾、镁、铜、铁、钠、铝、锡、镍、钴、锑、镉、铋、铬、锰、锶、钡或钙、锌、钾、镁、铜、铁、钠、铝、锡、镍、钴、锑、镉、铋、铬、锰、锶或钡组成的混合物。含氧酸盐可以和其它物质混合存在于电极Ⅰ11、电极Ⅱ12或介质阻挡板的表面。以上所述的其它物质包括贵金属或者氧化物。贵金属是金、银及铂，氧化物是氧化铝、氧化镍、氧化镁、氧化锌、氧化钛、氧化铁、氧化铬、氧化锰或者氧化硅。

在实际使用的时候，电极Ⅰ11上连接金属不锈钢导线Ⅱ52，电极Ⅱ12金属不锈钢导线Ⅰ51，金属不锈钢导线Ⅰ51和金属不锈钢导线Ⅱ52的另外一端分别与高压电源300的两个输出端相连接，由高压电源300输出电压，高压电源300的输出电压波形可以是脉冲形状或交流形状，电压峰值在100V到150kV之间。

进入本发明的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器内部的气体经电极Ⅰ11和电极Ⅱ12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。进入装载盐催化剂的气体等离子放电反应器内部的气体可以含有液体或固体颗粒。

在实际使用的时候步骤如下：

1、电极Ⅰ11和电极Ⅱ12分别通过金属不锈钢导线Ⅱ52和金属不锈钢导线Ⅰ51与高压电源300相连接。

2、由高压电源300输出高压电加载到电极Ⅰ11和电极Ⅱ12上，使得电极Ⅰ11和电极Ⅱ12之间的放电空间4形成一个电场，放电空间4内的气体被电离后产生电子和离子。

电子（即电离后产生的电子或者气体中原先就存在的电子）在电场作用下获得能量，然后与气体中的分子或原子碰撞将分子或原子分解。由分解成生的各种化学物质引发各种化学反应（如下所示盐的催化氧化机理）：

1、氧原子的吸收反应：

2、氧原子的放出反应：

以上公式中，为含氧盐；A为硫、氮、碳、磷、钛、铁、锰、钒或铬；M为钙、锌、钾、镁、铜、铁、钠、铝、锡、镍、钴、锑、镉、铋、铬、锰、锶或钡；为氧原子在含氧盐上的吸收；B为碳、碳氢化合物或氧气等可被氧化物质；BO为碳、碳氢化合物或氧气的氧化物质；O为氧原子。

通过高压电源300所加的电压波形为交流形状、正脉冲、负脉冲、正负脉冲或负正脉冲，电压峰值的绝对值在100伏到150千伏，常用的电压峰值的绝对值在1千伏到10千伏。

当通入图1所示的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器内的气体为含氧气体（如空气或氧气），氧分子被电子分解成氧原子，然后氧原子和氧分子反应生成臭氧，从装载盐催化剂的气体等离子放电反应器出来的气体中有臭氧，因此装载盐催化剂的气体等离子放电反应器可以用来作为臭氧发生器。

实施例2、如图1、图2、图3和图4所示，一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器及使用方法，具体结构如实施例1所述，本实施例中，盐催化剂层Ⅲ33、盐催化剂层Ⅰ31、盐催化剂层Ⅱ32以及盐催化剂层Ⅳ34均为硫酸盐，硫酸盐包括硫酸镁（MgSO₄）、硫酸钾（K₂SO₄）、硫酸锌（ZnSO₄·7H₂O）、硫酸钙（CaSO₄·2H₂O）或硫酸铝（Al₂(SO₄)₃ H₂O）。

具体的使用的时候，步骤如下：

1、将装载盐催化剂的气体等离子放电反应器放置入恒温器中，控制气体温度（恒温器控制）；电极Ⅰ11和电极Ⅱ12分别通过金属不锈钢导线Ⅰ51和金属不锈钢导线Ⅱ52与高压电源300相连接。

2、通过高压电源300所加的电压波形为正负脉冲和负正脉冲，电压峰值的绝对值在在1千伏到10千伏。

3、步骤2所述的电压下，通过进气口7通入含颗粒物（即particulatematter，以下文中简称为PM，主要成分为碳和碳氢化合物）的气体。

4、在步骤3中的气体经过放电空间4后，气体中的氧分子被分解成氧原子，氧原子和PM发生氧化反应，使PM氧化生成二氧化碳和一氧化碳。从而达到净化颗粒物的目的。

5、净化后的气体通过出气口8排出。

以下所述为PM试验来具体列举通过本发明的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的净化效果：

在盐催化剂层Ⅰ31和盐催化剂层Ⅱ32的表面再涂上从发动机200的尾气中收集到的PM层。盐催化剂层Ⅰ31和盐催化剂层Ⅱ32的量为颗粒物0.01毫克/厘米²，PM层的量为0.2毫克/厘米²。气体经过放电空间4后，气体中的氧分子被分解成氧原子，氧原子和PM发生氧化反应，使PM氧化生成二氧化碳和一氧化碳。试验结果如图8所示。

实施例3、如图1、图2、图3和图4所示，一种装载盐催化剂的气体等离子放电反应器及使用方法；在发动机200尾气中的氧化氮（NOx）、黑烟（含有大量的PM）或者未完全燃烧碳氢化合物等污染物净化处理方面的应用。

装载盐催化剂的气体等离子放电反应器及使用方法的结构如实施例1所述，装载盐催化剂的气体等离子放电反应器及使用方法的进气口7与汽车发动机200的尾气排放口201相连接，高压电源300与汽车的发电机100（或者蓄电池）相连接，由汽车的发电机100（或者蓄电池）提供电力输入。

具体的实施步骤如下：

1、发动机200产生的尾气通过尾气排放口201经进气口7进入不锈钢反应器容器9；

2、装载盐催化剂的气体等离子放电反应器对汽车尾气进行处理，以未完全燃烧碳氢化合物为例子，进行净化处理。

3、发动机200的尾气中含有氧气，经过不锈钢反应器容器9内的放电空间4放电后被分解成氧原子。

4、氧原子和水（气体中含有水）反应生成羟基自由基。

5、氧原子和羟基自由基具有极高的氧化能力，将汽车尾气中的未完全燃烧碳氢化合物（如碳氢化合物和颗粒物）氧化成一氧化碳、二氧化碳和水。

6、一氧化碳、二氧化碳和水通过排气口8排出。

本发明的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器还包括平板型、圆筒型或者球型这几种结构，分别如实施例4、实施例5和实施例6所述。

实施例4、如图5所示，一种圆筒型或者球型的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器（圆筒型或者球型装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的剖面相同，所以以图5来说明圆筒型或者球型的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器），包括圆筒型或者球型的电极Ⅰ91、圆筒型或者球型的电极电极Ⅱ92、圆筒型或者球型的介质阻挡板Ⅰ95、圆筒型或者球型的盐催化剂层Ⅰ93、圆筒型或者球型的盐催化剂层Ⅱ94和一种圆筒型或者球型的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的放电空间96（仅仅是指图5中的放电空间96）。

实施例5、如图6所示，一种平板型的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器，包括平板型的电极Ⅰ71、平板型的电极电极Ⅱ72、平板型的介质阻挡板Ⅰ73、平板型的介质阻挡板Ⅱ74、平板型的盐催化剂层Ⅰ75、平板型的盐催化剂层Ⅱ76和一种平板型的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的放电空间77（仅仅是指图6中的放电空间77）。

实施例6、如图7所示，再一种平板型的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器，包括再一种平板型的电极Ⅰ81、再一种平板型的电极电极Ⅱ82、再一种平板型的介质阻挡板Ⅰ85、再一种平板型的盐催化剂层Ⅰ83、再一种平板型的盐催化剂层Ⅱ84和再一种平板型的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的放电空间86（仅仅是指图7中的放电空间86）。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种通过盐催化剂的气体等离子放电反应方法，基于装载盐催化剂的气体等离子放电反应器实现；其特征是：其基于装载盐催化剂的气体等离子放电反应器包括从上至下依次排列的电极Ⅰ、介质阻挡板、催化剂层Ⅰ、放电空间、催化剂层Ⅱ以及电极Ⅱ；所述放电空间上至少设置有一个进气口和一个出气口；所述电极Ⅰ通过金属导线Ⅰ连接到高压电源的一个输出端，电极Ⅱ通过金属导线Ⅱ连接到高压电源的另外一个输出端；所述催化剂层Ⅰ、催化剂层Ⅱ由含氧酸盐构成；

所述含氧酸盐为硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐、钛酸盐、铁酸盐、锰酸盐、钒酸盐或铬酸盐；

气体从放电空间的进气口进入放电空间，通过放电空间后从出气口离开放电空间；

电极Ⅰ和电极Ⅱ通过高压电源输出的电压将电场施加到放电空间的气体上，使得气体发生放电现象；

在放电空间的电场中生成的氧原子被催化剂层I和催化剂层II的含氧盐分子中的2个氧原子吸收形成一个有氧原子吸收的盐；

所述有氧原子吸收的盐和可被氧化的物质反应生成一氧化碳、水或臭氧；

所述可被氧化的物质为碳、碳氢化合物、氧气。

2.根据权利要求1所述的通过盐催化剂的气体等离子放电反应方法，其特征是：所述含氧酸盐中包含的金属为钙、锌、钾、镁、铜、铁、钠、铝、锡、镍、钴、锑、镉、铋、铬、锰、锶和钡中的一种或二种以上。

3.根据权利要求2所述的通过盐催化剂的气体等离子放电反应方法，其特征是：所述高压电源输出的电压波形为脉冲形状或交流形状，电压峰值在100V到150kV之间。