CN103861435A

CN103861435A - 一种带孔介质阻挡等离子体放电基本单元及反应器

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Publication number: CN103861435A
Application number: CN201410083751.4A
Authority: CN
Inventors: 姚水良; 牛东晖
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: CN103861435B

Abstract

本发明公开了一种带孔介质阻挡等离子体放电基本单元及反应器，该放电基本单元包括第一导线、第二导线、第一介质层、第二介质层、第一电极和第二电极；第一介质层和第二介质层上分别设有多个第一气孔和第二气孔；第一气孔和第二气孔分别在第一介质层和第二介质层表面长度方向上的截面积均为（0.0001，10）mm²，且多个第一气孔和多个第二气孔的截面积总和分别占第一介质层和第二介质层总表面积的（0.00001%，10%）；该反应器中各个放电基本单元置于反应器外壳内部，且各个放电基本单元的电源输入端均与高压电源连接。本发明提供的带孔介质阻挡等离子体放电基本单元及反应器，该放电基本单元及反应器的制造成本低，且均具有较好的均匀放电效果。

Description

一种带孔介质阻挡等离子体放电基本单元及反应器

技术领域

本发明涉及等离子体反应器领域，尤其涉及一种可用于如汽车尾气、烟道气、大气、室内空气及各种工业排气的气体净化的带孔介质阻挡等离子体放电基本单元及反应器。

背景技术

介质阻挡等离子体反应器按电极结构来分，主要有同轴圆心介质阻挡型（图1）、管状介质阻挡填充型（图2）、面-面介质阻挡型（图3）和沿面介质阻挡型（图4），由此可知常用的介质阻挡等离子体反应器均包括两个电极，而两个电极之间均设有一层或二层介质，且两个电极之间设置的介质主要起到保护两个电极不受放电产生的活性物质所腐蚀的作用，在臭氧制备和其它一些化学氧化反应中被广泛使用。另外，除了管状介质阻挡填充型等离子体反应器采用球状介质外，其它三种等离子体反应器均采用平面（板状）或曲面状介质，平面（板状）或曲面状介质中有气孔，当高压电施加在介质两侧的电极上时会发生电极间的火花放电，使得等离子体放电局部化，从而不能达到介质阻挡等离子体反应器应有的均匀放电效果，故为了防止等离子体放电局部化，使用致密性介质（不存在气孔）来制造等离子体反应器似乎是必然的选择。

然而，选用致密性介质制造等离子体反应器不仅使得制造成本大大提高，而且现实中的介质由于其生产过程中存在的问题不可避免地会产生气孔，气孔的大小和数量都会影响到介质阻挡等离子体反应器的使用。如果介质上的气孔数量过多，则会通过气孔引起电极之间的火花放电，使得介质形同虚设，发挥不了应有的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中介质阻挡等离子体反应器制造成本高且放电效果差等上述缺陷，提供一种制造成本低且能均匀放电的带孔介质阻挡等离子体放电基本单元及反应器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带孔介质阻挡等离子体放电基本单元，包括第一导线、第二导线、第一介质层、第二介质层及相互平行的第一电极和第二电极；

第一导线和第二导线分别与第一电极顶端和第二电极底端电气连接；

第一介质层和第二介质层均位于第一电极和第二电极之间并分别与第一电极底端和第二电极顶端相连，且第一介质层和第二介质层之间形成至少一个放电空间；放电空间设有至少一个气体进口和至少一个气体出口；

第一介质层和第二介质层上分别设有多个第一气孔和多个第二气孔；第一气孔在第一介质层表面长度方向上的截面积和第二气孔在第二介质层表面长度方向上的截面积均为（0.0001，10）mm²，且多个第一气孔在第一介质层表面长度方向上的截面积总和与多个第二气孔在第二介质层表面长度方向上的截面积总和分别占第一介质层和第二介质层总表面积的（0.00001%，10%）。

在本发明所述带孔介质阻挡等离子体放电基本单元中，第一介质层和第二介质层上分别设有多个第一气孔和多个第二气孔，其中，第一气孔在第一介质层表面长度方向上的截面积和第二气孔在第二介质层表面长度方向上的截面积均为（0.0001，10）mm²，且多个第一气孔在第一介质层表面长度方向上的截面积总和与多个第二气孔在第二介质层表面长度方向上的截面积总和分别占第一介质层和第二介质层总表面积的（0.00001%，10%），由此可知，本发明的设计采用了带孔介质去取代致密性介质，一方面大大地降低了制造成本，另一方面，本发明通过控制第一介质层和第二介质层上第一气孔和第二气孔的大小和数量来避免产生因为第一气孔和第二气孔太大或数量过多而引起的第一电极和第二电极之间产生火花放电等现象，从而能起到保护第一电极和第二电极不受放电产生的活性物质所腐蚀的作用，且还能达到介质阻挡等离子体放电基本单元应有的均匀放电效果。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，第一气孔和第二气孔之间的最短距离L≥10mm。第一气孔和第二气孔之间的最短距离L≥10mm，这样的设计进一步限定了第一介质层和第二介质层上的第一气孔和第二气孔的数量，增强了所述介质阻挡等离子体放电基本单元的均匀放电效果。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，第一气孔为通孔、盲孔或埋孔。在本发明所述技术方案中，通孔为贯穿介质层的孔，盲孔为介质层上的半孔，埋孔为包含在介质层内部的孔。另外，第一气孔在第一介质层表面长度方向的形状为矩形、圆形、三角形、椭圆形、梯形、十字形、星形、多边形、L形、半圆形、缺角矩形或其它任意形状。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，第二气孔为通孔、盲孔或埋孔。同上所述，通孔为贯穿介质层的孔，盲孔为介质层上的半孔，埋孔为包含在介质层内部的孔，且第二气孔在第二介质层表面长度方向的形状为矩形、圆形、三角形、椭圆形、梯形、十字形、星形、多边形、L形、半圆形、缺角矩形或其它任意形状。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，第一介质层的气体接触面或第二介质层的气体接触面上设有催化剂层。催化剂层可采用由金属、贵金属、稀土金属或含金属、贵金属和稀土金属化合物构成的催化剂。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，第一介质层和第二介质层之间的距离d为（0.1，100）mm。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，第一介质层或第二介质层的材质是金属氧化物、金属氧化物以外的无机材料、有机材料或它们的复合物；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，所述金属氧化物以外的无机材料为氧化硅或玻璃，且所述有机材料为塑料或橡胶。

另外，本发明还提供了采用上述放电基本单元的带孔介质阻挡等离子体反应器，所采用的技术方案如下：包括反应器外壳、高压电源以及至少两个所述放电基本单元；各个放电基本单元置于反应器外壳内部，且各个放电基本单元的电源输入端均与高压电源连接。

在本发明所述带孔介质阻挡等离子体反应器中，各个放电基本单元均置于反应器外壳内部，即采用了上述放电基本单元构成所述带孔介质阻挡等离子体反应器，保证了所述带孔介质阻挡等离子体反应器也能发挥其应有的均匀放电效果，且也能相应地降低制造成本。

优选地，各个放电基本单元之间并联或串联且一并置于反应器外壳内部。

上述各个放电基本单元之间可采用任何一种连接方式：

第一种，相邻的两个放电基本单元并联在一起，各个放电基本单元的两个电极之间构成独立的放电空间；

第二种，相邻的两个放电基本单元串联在一起，一个放电基本单元的一个电极与另一个放电基本单元的一个电极之间构成放电空间。

另外，在本发明所述技术方案中，凡未作特别说明的，均可通过采用本领域中的常规手段来实现本技术方案。

因此，本发明的有益效果是提供了一种带孔介质阻挡等离子体放电基本单元及反应器，该放电基本单元及反应器的制造成本低，且均具有较好的均匀放电效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中同轴圆心介质阻挡型等离子体反应器的结构示意图；

图2是现有技术中管状介质阻挡填充型等离子体反应器的结构示意图；

图3是现有技术中面-面介质阻挡型等离子体反应器的结构示意图；

图4是现有技术中沿面介质阻挡型等离子体反应器的结构示意图；

图5是本发明带孔介质阻挡等离子体放电基本单元的结构示意图；

图6是本发明带孔介质阻挡等离子体放电基本单元的立体图；

图7是设有隔板的带孔介质阻挡等离子体放电基本单元的分解图；

图8是图7的截面图；

图9是本发明中第一气孔在第一介质层电场方向上的截面图；

图10是本发明中第二气孔在第二介质层电场方向上的截面图；

图11是本发明中第一气孔和第二气孔分别在第一介质层和第二介质层表面长度方向上的示意图；

图12是本发明中第一介质层和第二介质层的结构示意图；

图13是本发明中各个放电基本单元之间并联构成的带孔介质阻挡等离子体反应器的结构示意图；

图14是本发明中各个放电基本单元之间并联构成的带孔介质阻挡等离子体反应器的外观结构示意图；

图15是本发明中各个放电基本单元之间串联构成的带孔介质阻挡等离子体反应器的结构示意图；

图16a和图16b是第一介质层的气体接触面上加载有催化剂层的结构示意图；

图17a和图17b是第二介质层的气体接触面上加载有催化剂层的结构示意图；

图18是本发明中带孔介质阻挡等离子体反应器在汽车尾气污染物净化处理的应用图一；

图19是本发明中带孔介质阻挡等离子体反应器在汽车尾气污染物净化处理的应用图二；

附图中，1为第一管状电极，2为管状介质阻挡，3为第一放电空间，4为第二管状电极，5为第三管状电极，6为棒状电极，7为球状介质阻挡，8为第二放电空间，9为第一板状电极，10为第一板状介质阻挡，11为第二板状电极，12为第三放电空间，13为第三板状电极，14为第二板状介质阻挡，15为第四板状电极，16为第四放电空间，17为电极，18为第三板状介质阻挡，19为第五板状电极，20为第五放电空间，21为第一导线，22为第二导线，23为第一介质层，24为第二介质层，25为第一电极，26为第二电极，27为放电空间，28为第一气孔，29为第二气孔，30为催化剂层，31为反应器外壳，32为高压电源，33为放电基本单元，34为第一高压电源线，35为第二高压电源线，36为第一并联导线，37为第二并联导线，38为反应器内胆，39为第一云母隔板，40为第二云母隔板，41为反应器外壳进口，42为反应器外壳出口，43为中间层，44为发电机，45为电源，46为发动机，47为带孔介质阻挡等离子体反应器，48为催化反应器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

一种带孔介质阻挡等离子体放电基本单元33，包括第一导线21、第二导线22、第一介质层23、第二介质层24及相互平行的第一电极25和第二电极26；如图5和图6所示，上述第一导线21和第二导线22分别与第一电极25顶端和第二电极26底端电气连接，上述第一介质层23和第二介质层24均位于上述第一电极25和第二电极26之间并分别与该第一电极25底端和第二电极26顶端相连，且该第一介质层23和第二介质层24之间形成至少一个放电空间27，而该放电空间27设有至少一个气体进口和至少一个气体出口；其中，第一电极25的形状与第一介质层23的电极接触面的形状相同，第二电极26的形状与第二介质层24的电极接触面的形状也相同。

在本实施例中，第一电极25和第二电极26为不锈钢电极，且二者的厚度均为0.1mm，构成的放电空间27的面积为95*95mm；如图7和图8所示，第一介质层23和第二介质层24均为115*115*1mm³氧化铝板，且还采用第一云母隔板39和第二云母隔板40将第一介质层23和第二介质层24隔离开，其中，第一云母隔板39和第二云母隔板40的规格为115*10*dmm³，故形成的放电空间27的面积为95*95mm³，即该放电空间27的厚度为dmm，d的取值范围为（0.1，100）mm，且在该范围内可以自由调节；另外，在本实施例中，第一介质层23或第二介质层24的材质是金属氧化物（如氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化铁、氧化锆、氧化铬、氧化镍或氧化镁）、金属氧化物以外的无机材料（如氧化硅或玻璃）、有机材料（如塑料或橡胶）。

除此之外，在上述第一介质层23和第二介质层24上分别设有多个第一气孔28和多个第二气孔29，如图12所示，第一气孔28和第二气孔29可为矩形、圆形、三角形、椭圆形、梯形、十字形、星形、多边形、L形、半圆形、缺角矩形或其它形状；如图9所示，第一气孔28为通孔、盲孔或埋孔；如图10所示，第二气孔29也可为通孔、盲孔或埋孔；更为关键的是，单个第一气孔28在第一介质层23表面长度方向上的截面积和单个第二气孔29在第二介质层24表面长度方向上的截面积均为（0.0001，10）mm²，且多个第一气孔28在第一介质层23表面长度方向上的截面积总和与多个第二气孔29在第二介质层24表面长度方向上的截面积总和分别占第一介质层23和第二介质层24总表面积的（0.00001%，10%）；又如图11所示，该第一气孔28和第二气孔29之间的最短距离L≥10mm。

本实施例还提供了一种采用上述放电基本单元的带孔介质阻挡等离子体反应器47，该等离子体反应器47包括反应器外壳31、高压电源32以及至少两个上述放电基本单元33，上述各个放电基本单元33之间并联或串联且一并置于该反应器外壳31内部，且各个放电基本单元33的电源输入端均与上述高压电源32连接。

如图13和图14所示，各个放电基本单元33之间相互并联放置在反应器内胆38中，该反应器内胆38置于上述反应器外壳31中；采用第一并联导线36将各个放电基本单元33的第一电极25连接起来，且采用第二并联导线37将各个放电基本单元33的第二电极26连接在一起，而第一并联导线36和第二并联导线37分别通过第一高压电源线34和第二高压电源线35与高压电源32相连。通过高压电源32向带孔介质阻挡等离子体反应器47施加高压交变电场（如脉冲交变电场或交流电场），使带孔介质阻挡等离子体反应器47的放电空间内发生放电，而气体通过带孔介质阻挡等离子体反应器47的放电空间，在该放电空间和气体流动方向的下游发生各种化学反应。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，区别在于：

第一气孔28和第二气孔29的直径均为1mm，且在规格为115*115*1mm³的第一介质层23和第二介质层24上分别设有1-20个第一气孔28和1-20个第二气孔29，此时，多个第一气孔28在第一介质层23表面长度方向上的截面积总和与多个第二气孔29在第二介质层24表面长度方向上的截面积总和分别占第一介质层23和第二介质层24总表面积的（0.062%，1.24%），且第一气孔28和第二气孔29之间的最短距离为50mm。

如图15所示，各个放电基本单元33之间相互串联放置在反应器外壳31内。

另外，如图16a和图17b所示，上述第一介质层23的气体接触面和第二介质层24的气体接触面上设有催化剂层30，催化剂层30可采用如白金、钯、金、银、镍、铜、锰、锌、钨、锶、锆、镁、铁、铬等金属及其氧化物或金属酸化合物或络合物作为催化剂；催化剂的加载可以直接将催化剂的颗粒载在第一介质层23或第二介质层24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第一介质层23或第二介质层24表面上。

又如图16b和图17b所示，在第一介质层23和第二介质层24表面上先覆盖中间层43，该中间层43可为疏水性氧化硅或亲水性氧化硅，然后再加载催化剂，催化剂的加载方法同上所述。

实施例三：

本实施例为实施例一和实施例二中带孔介质阻挡等离子体反应器47在汽车尾气净化处理方面的运用：

汽车尾气的主要成分为氮氧化合物（NOx）、颗粒物（PM）、未完全燃烧碳氢化合物（HC），汽车发动机46的尾气经带孔介质阻挡等离子体反应器47对PM和HC进行净化处理。汽车尾气中含有氧气，经带孔介质阻挡等离子体反应器47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颗粒物氧化成二氧化碳和水。

电源45向带孔介质阻挡等离子体反应器47提供高压电，电源45的电力输入可以从汽车上的发电机44或蓄电池来取得。

如图18所示，该带孔介质阻挡等离子体反应器47的下游可以加催化反应器48，可以进一步对尾气进行净化处理。如在带孔介质阻挡等离子体反应器47中NO被氧化成的NO₂，NO₂在催化反应器48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。又如图19所示，该带孔介质阻挡等离子体反应器47和催化反应器可48以间隔多个串联安装。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种带孔介质阻挡等离子体放电基本单元，其特征在于，包括第一导线、第二导线、第一介质层、第二介质层及相互平行的第一电极和第二电极；

所述第一导线和第二导线分别与所述第一电极顶端和第二电极底端电气连接；

所述第一介质层和第二介质层均位于所述第一电极和第二电极之间并分别与所述第一电极底端和第二电极顶端相连，且所述第一介质层和第二介质层之间形成至少一个放电空间；所述放电空间设有至少一个气体进口和至少一个气体出口；

所述第一介质层和第二介质层上分别设有多个第一气孔和多个第二气孔；所述第一气孔在第一介质层表面长度方向上的截面积和第二气孔在第二介质层表面长度方向上的截面积均为（0.0001，10）mm²，且多个第一气孔在第一介质层表面长度方向上的截面积总和与多个第二气孔在第二介质层表面长度方向上的截面积总和分别占第一介质层和第二介质层总表面积的（0.00001%，10%）。

2.根据权利要求1所述的带孔介质阻挡等离子体放电基本单元，其特征在于，所述第一气孔和第二气孔之间的最短距离L≥10mm。

3.根据权利要求2所述的带孔介质阻挡等离子体放电基本单元，其特征在于，所述第一气孔为通孔、盲孔或埋孔。

4.根据权利要求2所述的带孔介质阻挡等离子体放电基本单元，其特征在于，所述第二气孔为通孔、盲孔或埋孔。

5.根据权利要求1所述的带孔介质阻挡等离子体放电基本单元，其特征在于，所述第一介质层的气体接触面或第二介质层的气体接触面上设有催化剂层。

6.根据权利要求1所述的带孔介质阻挡等离子体放电基本单元，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层之间的距离d为（0.1，100）mm。

7.根据权利要求6所述的带孔介质阻挡等离子体放电基本单元，其特征在于，所述第一介质层或第二介质层的材质是金属氧化物、金属氧化物以外的无机材料、有机材料或它们的复合物；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，所述金属氧化物以外的无机材料为氧化硅或玻璃，且所述有机材料为塑料或橡胶。

8.一种采用权利要求1-7任意一项所述放电基本单元的带孔介质阻挡等离子体反应器，其特征在于，包括反应器外壳、高压电源以及至少两个所述放电基本单元；所述各个放电基本单元置于所述反应器外壳内部，且各个放电基本单元的电源输入端均与所述高压电源连接。

9.根据权利要求8所述的带孔介质阻挡等离子体反应器，其特征在于，所述各个放电基本单元之间并联或串联且一并置于所述反应器外壳内部。