CN103263825A - 去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体偶合光催化方法与系统 - Google Patents

去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体偶合光催化方法与系统 Download PDF

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宋贤良
罗树灿
梁嘉亮
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Abstract

本发明公开一种去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化方法及系统，其方法是先利用电晕放电生成等离子体对蔬果保鲜库中的乙烯进行初步氧化降解，再利用光催化剂对蔬果保鲜库中的乙烯进行进一步氧化降解；其系统包括通过气体管道依次循环连接的蔬果保鲜库、电晕放电等离子体偶合光催化装置和动力风机；电晕放电等离子体偶合光催化装置中分别设有电晕放电等离子反应单元和光催化反应单元。本发明采用电晕放电等离子体偶合及光催化相结合的方法去除蔬果保鲜库中乙烯，可高效地处理含乙烯的蔬果保鲜库气体，并有效地降低蔬果保鲜库内气体含O3的浓度，其乙烯降解效率、蔬果保鲜品质相对于传统方法得到较大的提高。

Description

去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体偶合光催化方法与系统
技术领域
本发明涉及农产品加工与贮藏技术领域，特别涉及一种去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化方法与系统。
背景技术
乙烯作为植物激素，对植物生长、衰老等许多方面都起作用。成熟的园艺产品贮藏于保鲜冷藏库等封闭的空间时，由于采收或剥皮、切块初加工处理的伤口会产生大量的乙烯，累积的乙烯难以排除，容易刺激植物产生更多量的乙烯，而乙烯加速植物的成熟与老化，降低蔬果、花卉等的贮藏品质与寿命。因此，若能在保鲜冷藏库中降解乙烯浓度，对园艺产品贮藏的效果及其品质的保证具有重要意义。
目前，脱除贮藏环境中的乙烯主要有物理型吸附法、高锰酸钾脱除法、用于气调库催化脱除乙烯法、低温等离子体技术法和光催化技术法等。但这些方法都存在较多的缺陷，如物理型吸附法，其吸收能力有限，容易发生解吸作用，清除乙烯的效果有限；高锰酸钾脱除法，其保鲜作用不持久，需要经常更换小包装，而且容易造成污染；用于气调库的催化脱除乙烯法，通过加热催化剂及闭路循环系统完成脱除乙烯的过程，成本比较高，对制冷功率要求较高；低温等离子体法虽具有处理流程短、适于处理低浓度大风量气体等特点，但单独使用时乙烯降解效率受工作电压的影响，一般要得到高的降解效率，必须提高工作电压，这样就会导致臭氧排放量难于控制，对保鲜产品会造成一定伤害；光催化法虽具有能耗低、易操作没有有害副产物产生等优点，但其也存在着效率较低、难以处理高浓度大风量气体、催化剂易中毒失活等缺点。因此，若能将低温等离子体法与光催化法进行有机结合，必然能有效改善蔬果的保鲜品质。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化方法，该方法可提高蔬果保鲜库中的乙烯降解效率及蔬果保鲜品质。
本发明的另一目的在于提供一种用于实现上述方法的去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化系统。
本发明的技术方案为：一种去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化方法，先利用电晕放电生成等离子体对蔬果保鲜库中的乙烯进行初步氧化降解，再利用光催化剂对蔬果保鲜库中的乙烯进行进一步氧化降解；具体包括以下步骤：
（1）将蔬果保鲜库中的气体送入电晕放电等离子体偶合光催化装置，电晕放电等离子体偶合光催化装置内的高压直流电源放电，利用电晕放电激发电离气体中的O2、N2和H2O，生成等离子体O3、O、O2 -·、·OH、NO·和HO2 ·，等离子体先初步氧化降解气体中的乙烯，使乙烯处于激态；
（2）等离子体初步氧化降解气体中的乙烯的同时，激发光催化剂，光催化剂表面的羟基·OH及O3被催化分解生成中间活性氧粒子O*，将处于激态的乙烯进一步氧化降解，最终生成CO2和H2O，并降低O3浓度，得到净化气体；
（3）净化气体送出电晕放电等离子体偶合光催化装置后，通过动力风机由气体管道返回蔬果保鲜库。
其中，所述蔬果保鲜库中的温度为2～4℃，相对湿度为75%～90%。
所述步骤（1）中，高压直流电源的电压为6～15KV；
高压直流电源的放电形式为采用多个放电针对金属网电晕放电，多个放电针为阳极，金属网为阴极。
所述步骤（2）中，所述光催化剂为纳米Ag和纳米TiO2的纳米复合材料，其中Ag和Ti的摩尔比为0.5:100～1:100。纳米Ag的添加，有利于提高光催化剂去除乙烯的效率，并可大大降低电晕放电等离子体偶合光催化装置出气口处的O3浓度。
所述光催化剂制备时，先通过辐照计量为40KGy的γ射线辐照还原AgNO3溶液所制备纳米Ag，然后在纳米TiO2中添加纳米Ag，再通过辐照计量为20KGy的γ射线辐照纳米TiO2和纳米Ag的混合材料，从而形成纳米复合材料；
光催化剂使用时，固定在活性炭纤维（ACF）上进行使用，通过以下方法制备：用丙酮清洗处理活性炭纤维，再将活性炭纤维在浓度为25mg/L的光催化剂溶液中浸渍，浸渍后提拉，然后采用红外灯烘干。
本发明一种用于实现上述方法的去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化系统，包括蔬果保鲜库、电晕放电等离子体偶合光催化装置和动力风机，蔬果保鲜库、电晕放电等离子体偶合光催化装置和动力风机通过气体管道依次循环连接；电晕放电等离子体偶合光催化装置中设有电晕放电等离子反应单元和光催化反应单元。
所述电晕放电等离子体偶合光催化装置包括壳体、放电针组件、金属网、催化剂支承座和高压直流电源，按照壳体的轴线方向，放电针组件、金属网和催化剂支承座依次设于壳体内，放电针组件和金属网分别与高压直流电源连接；放电针组件、金属网和高压直流电源组成电晕放电等离子反应单元，催化剂支承座为光催化反应单元，催化剂支承座用于放置光催化剂。其中，放电针组件可为不锈钢阳极，金属网可采用不锈钢筛板。
所述放电针组件包括多个放电针、导电支架、绝缘膜层、正电极轴和高压钳，正电极轴的一端通过高压钳与高压直流电源连接，正电极轴的另一端设置导电支架，导电支架的表面设置绝缘膜层，多个放电针穿过绝缘膜层后与导电支架连接。其中，导电支架和绝缘膜层结构相同，均为“十”字形。电晕放电等离子反应单元的体积、光催化反应单元的体积及放电针的个数可根据待处理气流流量和乙烯浓度来确定。
所述壳体为圆筒形壳体，壳体两端分别设置前端盖和后端盖，正电极轴通过轴盖与前端盖固定连接；前端盖上设有进气口，进气口通过气体管道与蔬果保鲜库连接；后端盖上设有出气口，出气口通过气体管道与动力风机连接。
所述动力风机与蔬果保鲜库之间还设有流量计和采样口。
本去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化系统使用时，其原理是：蔬果保鲜库中含有乙烯的气体通过气体管道引入进气口，气体中的乙烯先在电晕放电等离子反应单元内被初步氧化降解，接着在光催化反应单元内进行进一步的氧化降解，形成的净化气体由动力风机通过气体管道送回蔬果保鲜库，从而实现连续循环处理。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
（1）本等离子体耦合光催化方法采用电晕放电等离子体偶合及光催化相结合的方法去除蔬果保鲜库中乙烯，可高效地处理含乙烯的蔬果保鲜库气体，并有效地降低蔬果保鲜库内气体含O3的浓度，其乙烯降解效率及蔬果保鲜品质相对于传统方法得到较大的提高。
（2）本等离子体耦合光催化中，所采用的光催化剂是在经γ射线辐照的纳米TiO2（TiO2 *）中加入纳米Ag，强化了光催化性能，使放电过程中产生的长寿命物质O3的分解量增大，导致羟基·OH及O3催化分解产生的中间活性氧粒子（O*）数量增加，可以有效地降低出口的O3浓度。
（3）本等离子体耦合光催化系统中，在光催化反应单元内，将纳米级催化剂固定在具有比表面积大、微孔含量丰富、对低浓度的吸附质有良好的吸附性的活性炭纤维（ACF）上，在解决催化剂固定同时，利用ACF特点，可有效提高光催化剂与乙烯分子接触机会，从而有效地提高对乙烯降解效率。
（4）本等离子体耦合光催化系统中，等离子反应单元采用直流电晕放电产生等离子，直流高压电源接入阳极与阴极，直流高压电源具有制造容易、高稳定度、节省耗能、高可靠性的优点。
附图说明
图1为本等离子体耦合光催化系统的结构示意图。
图2为本等离子体耦合光催化系统中电晕放电等离子体偶合光催化装置的结构示意图。
图3为图2中A方向上放电针组件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例一种去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化方法，先利用电晕放电生成等离子体对蔬果保鲜库中的乙烯进行初步氧化降解，再利用光催化剂对蔬果保鲜库中的乙烯进行进一步氧化降解；具体包括以下步骤：
（1）将蔬果保鲜库中的气体送入电晕放电等离子体偶合光催化装置，电晕放电等离子体偶合光催化装置内的高压直流电源放电，利用电晕放电激发电离气体中的O2、N2和H2O，生成等离子体O3、O、O2 -·、·OH、NO·和HO2 ·，等离子体先初步氧化降解气体中的乙烯，使乙烯处于激态；
（2）等离子体初步氧化降解气体中的乙烯的同时，激发光催化剂，光催化剂表面的羟基·OH及O3被催化分解生成中间活性氧粒子O*，将处于激态的乙烯进一步氧化降解，最终生成CO2和H2O，并降低O3浓度，得到净化气体；
（3）净化气体送出电晕放电等离子体偶合光催化装置后，通过动力风机由气体管道返回蔬果保鲜库。
其中，蔬果保鲜库中的温度为2～4℃，相对湿度为75%～90%。
步骤（1）中，高压直流电源的电压为6～15KV；
高压直流电源的放电形式为采用多个放电针对金属网电晕放电，多个放电针为阳极，金属网为阴极。
步骤（2）中，光催化剂为纳米Ag和纳米TiO2的纳米复合材料，其中Ag和Ti的摩尔比可为0.5:100～1:100（本实施例中选用1:100）。纳米Ag的添加，有利于提高光催化剂去除乙烯的效率，并可大大降低电晕放电等离子体偶合光催化装置出气口处的O3浓度。
光催化剂制备时，配置浓度为0.03moL/L的AgNO3溶液和25g/L的纳米TiO2溶液各500mL，两者都先经过超声振荡（功率为650W，时间1h）和充氮气（气流量为3mL/min）处理，以除去溶液中的溶解氧，然后分别进行辐照剂量为20kGy和40kGy的辐照处理；取上述制备好的纳米银溶胶溶液和纳米二氧化钛溶胶溶液，按Ag/TiO2摩尔比为1∶100混合，加0.05moL/L硝酸（至pH值为3），再在常温下（25℃）磁力搅拌2h、超声波处理20min（功率650W）。
光催化剂使用时，固定在活性炭纤维（ACF）上进行使用，将先前丙酮清洗处理活性炭纤维薄膜于混合溶液中浸泡60s后以250mm/min的速度进行提拉，再在100℃条件下进行远红外干燥，干燥后以5℃/min左右的升温速率提升至250℃进行焙烧2h即可得到。
本实施例一种用于实现上述方法的去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化系统，如图1所示，包括蔬果保鲜库1、电晕放电等离子体偶合光催化装置2和动力风机3，蔬果保鲜库、电晕放电等离子体偶合光催化装置和动力风机通过气体管道4依次循环连接；电晕放电等离子体偶合光催化装置中设有电晕放电等离子反应单元和光催化反应单元。
如图2所示，电晕放电等离子体偶合光催化装置包括壳体7、放电针组件、金属网8、催化剂支承座9和高压直流电源10（见图1），按照壳体的轴线方向，放电针组件、金属网和催化剂支承座依次设于壳体内，放电针组件和金属网分别与高压直流电源连接；放电针组件、金属网和高压直流电源组成电晕放电等离子反应单元，催化剂支承座为光催化反应单元，催化剂支承座用于放置光催化剂21。其中，放电针组件可为不锈钢阳极，金属网可采用不锈钢筛板。
放电针组件包括多个放电针11、导电支架12、绝缘膜层13（如图3所示）、正电极轴14和高压钳15，正电极轴的一端通过高压钳与高压直流电源连接，正电极轴的另一端设置导电支架，导电支架的表面设置绝缘膜层，多个放电针穿过绝缘膜层后与导电支架连接。其中，导电支架和绝缘膜层结构相同，均为“十”字形。电晕放电等离子反应单元的体积、光催化反应单元的体积及放电针的个数可根据待处理气流流量和乙烯浓度来确定。
本实施例中，电晕放电等离子体偶合光催化装置的主要设计参数为：圆筒型石英玻璃壳体内径50mm，外径56mm，长度220mm；放电针针间间距为12mm，共8枚，针长28mm；放电间隙为12mm，直流电压6～14KV；催化剂厚度为5mm，直径为63mm。
壳体7为圆筒形壳体，壳体两端分别设置前端盖16和后端盖17，正电极轴通过轴盖18与前端盖固定连接；前端盖上设有进气口19，进气口通过气体管道与蔬果保鲜库连接；后端盖上设有出气口20，出气口通过气体管道与动力风机连接。
如图1所示，动力风机与蔬果保鲜库之间还设有流量计5和采样口6。乙烯及臭氧的浓度可在采样口处分别由GC-7890II气相色谱仪、MOT200-O3在线臭氧仪测定浓度。
本去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化系统使用时，其原理是：蔬果保鲜库中含有乙烯的气体通过气体管道引入进气口，气体中的乙烯先在电晕放电等离子反应单元内被初步氧化降解，接着在光催化反应单元内进行进一步的氧化降解，形成的净化气体由动力风机通过气体管道送回蔬果保鲜库，从而实现连续循环处理。
本实施例中，蔬果保鲜库内部空间体积为0.35m3，乙烯浓度为25mg/m3，气流流量为10L/min，直流电压为13.5KV。
将待处理的含乙烯的气体经过电晕放电等离子体偶合光催化装置中处理120min后，实验结果表明，在上述各条件下，乙烯浓度为12mg/m3，乙烯降解效率52%，O3的浓度为4.3mg/m3。
对比例1
本对比例与实施例1相比较，其不同之处在于，光催化剂中不添加纳米Ag。实验结果表明，将待处理的含乙烯的气体经过电晕放电等离子体偶合光催化装置中处理120min后，乙烯浓度为13mg/m3，乙烯降解效率48%，O3的浓度为7.3mg/m3。
对比例2
本对比例与实施例1相比较，其不同之处在于，光催化剂的纳米TiO2不进行辐射及不进行添加纳米Ag。实验结果表明，将待处理的含乙烯的气体经过电晕放电等离子体偶合光催化装置中处理120min后，乙烯浓度为14mg/m3，乙烯降解效率44%，O3的浓度为11.4mg/m3。
对比例3
本对比例与实施例1相比较，其不同之处在于，不添加光催化剂，只用ACF。实验结果表明，将待处理的含乙烯的气体经过电晕放电等离子体偶合光催化装置中处理120min后，乙烯浓度为15mg/m3，乙烯降解效率40%，O3的浓度为20.43mg/m3。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化方法，其特征在于，先利用电晕放电生成等离子体对蔬果保鲜库中的乙烯进行初步氧化降解，再利用光催化剂对蔬果保鲜库中的乙烯进行进一步氧化降解；具体包括以下步骤：
（1）将蔬果保鲜库中的气体送入电晕放电等离子体偶合光催化装置，电晕放电等离子体偶合光催化装置内的高压直流电源放电，利用电晕放电激发电离气体中的O2、N2和H2O，生成等离子体O3、O、O2 -·、·OH、NO·和HO2 ·，等离子体先初步氧化降解气体中的乙烯，使乙烯处于激态；
（2）等离子体初步氧化降解气体中的乙烯的同时，激发光催化剂，光催化剂表面的羟基·OH及O3被催化分解生成中间活性氧粒子O*，将处于激态的乙烯进一步氧化降解，最终生成CO2和H2O，并降低O3浓度，得到净化气体；
（3）净化气体送出电晕放电等离子体偶合光催化装置后，通过动力风机由气体管道返回蔬果保鲜库。
2.根据权利要求1所述去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化方法，其特征在于，所述蔬果保鲜库中的温度为2～4℃，相对湿度为75%～90%。
3.根据权利要求1所述去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化方法，其特征在于，所述步骤（1）中，高压直流电源的电压为6～15KV；
高压直流电源的放电形式为采用多个放电针对金属网电晕放电，多个放电针为阳极，金属网为阴极。
4.根据权利要求1所述去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述光催化剂为纳米Ag和纳米TiO2的纳米复合材料，其中Ag和Ti的摩尔比为0.5:100～1:100。
5.根据权利要求4所述去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化方法，其特征在于，所述光催化剂制备时，先通过辐照计量为40KGy的γ射线辐照还原AgNO3溶液所制备纳米Ag，然后在纳米TiO2中添加纳米Ag，再通过辐照计量为20KGy的γ射线辐照纳米TiO2和纳米Ag的混合材料，从而形成纳米复合材料；
光催化剂使用时，固定在活性炭纤维上进行使用，通过以下方法制备：用丙酮清洗处理活性炭纤维，再将活性炭纤维在浓度为25mg/L的光催化剂溶液中浸渍，浸渍后提拉，然后采用红外灯烘干。
6.用于权利要求1～5任一项所述方法的去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化系统，其特征在于，包括蔬果保鲜库、电晕放电等离子体偶合光催化装置和动力风机，蔬果保鲜库、电晕放电等离子体偶合光催化装置和动力风机通过气体管道依次循环连接；电晕放电等离子体偶合光催化装置中设有电晕放电等离子反应单元和光催化反应单元。
7.根据权利要求6所述去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化系统，其特征在于，所述电晕放电等离子体偶合光催化装置包括壳体、放电针组件、金属网、催化剂支承座和高压直流电源，按照壳体的轴线方向，放电针组件、金属网和催化剂支承座依次设于壳体内，放电针组件和金属网分别与高压直流电源连接；放电针组件、金属网和高压直流电源组成电晕放电等离子反应单元，催化剂支承座为光催化反应单元。
8.根据权利要求7所述去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化系统，其特征在于，所述放电针组件包括多个放电针、导电支架、绝缘膜层、正电极轴和高压钳，正电极轴的一端通过高压钳与高压直流电源连接，正电极轴的另一端设置导电支架，导电支架的表面设置绝缘膜层，多个放电针穿过绝缘膜层后与导电支架连接。
9.根据权利要求8所述去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化系统，其特征在于，所述壳体为圆筒形壳体，壳体两端分别设置前端盖和后端盖，正电极轴通过轴盖与前端盖固定连接；前端盖上设有进气口，进气口通过气体管道与蔬果保鲜库连接；后端盖上设有出气口，出气口通过气体管道与动力风机连接。
10.根据权利要求6所述去除蔬果保鲜库中乙烯的等离子体耦合光催化系统，其特征在于，所述动力风机与蔬果保鲜库之间还设有流量计和采样口。
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