CN104162392A - 一种核壳结构的多孔球及其制造方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明属于低温等离子体应用领域，具体涉及一种核壳结构的多孔球及其制造方法和用途。核壳结构的多孔球包括导体核、绝缘壳和催化剂涂层。其特征是导体核紧密包裹在绝缘壳里面，绝缘壳的表面设有催化剂涂层。其制造方法是先制作导体核，然后包裹陶瓷粉体于导体核上，并涂覆催化剂粉体于球体外表面，最后经1000-1600℃高温烧结成型，工艺简单，易于规模化生产。导体核易于被电场极化，置于气体放电的气隙中可充当中间电极。陶瓷壳是多孔结构，表面积大，咐附能力强，适合作过滤填料，尤其适合作为放电气隙的填料应用于等离子体空气/水净化器中。

Description

一种核壳结构的多孔球及其制造方法和用途

技术领域

本发明属于低温等离子体应用领域，具体涉及一种核壳结构的多孔球及其制造方法和用途。

背景技术

陶瓷多孔球、麦饭石多孔球和石英多孔球等具有高孔隙率和高表面积的材料，对污染物有很强吸附能力，一直被广泛应用于水过滤系统中作为过滤填料。然而，目前采用多孔球作为过滤填料的水过滤系统中，过滤料均无有效的自清洁方法，需要定期更换新的多孔球过滤填料。定期的维护，不仅增加材料成本，也增加过滤系统的维护成本，并且，对用户使用造成不便。一旦维护不及时，不但不能净化水质，还可能导致水源的二次污染，安全性无保障。目前，这类水过滤系统的用户接受度不高，影响了其大规模推广应用。因此，多孔球过滤系统必须具备即时自清洁功能，不让污染物长时间滞留在多孔球表面，一方面确保过滤系统在长期使用中都能时刻保持多孔球表面的清洁度和强吸附能力，安全性有保障；另一方面节省了大量维护成本和更换多孔球过滤填料的费用，提高过滤系统的使用经济性。

然而，多孔球本身是无源过滤填料，本身不具备分解或者清理表面污染物的能力，即只收集不处理，需要考虑与其他有源净化系统的结合才能实现系统的即时自清洁功能。

近年来,低温等离子体技术作为一种新兴的污染物处理技术,具有流程短、效率高、适用范围广等特点,被广泛应用于工业废气处理、除尘、汽车尾气处理、废水处理、臭氧合成和活化水领域。低温等离子体体技术主要是基于大气压放电等离子体技术，利用大气压放电所产生的臭氧、氧原子、羟基等活性自由基团与大气或者水中污染源的深度氧化和分解反应，来达到脱除大气或者水中有害物质的目的，同时伴随紫外光解、冲击波作用，从而脱除大气或者水中的有机物、杀灭病菌。即利用等离子体中的各种活性自由基和紫外线的强氧化作用和灭菌效应，降解有机污染源、沉降金属离子、杀灭病菌，对生活和工业排放的污染源均有普遍适用性，体积紧凑，投资低，不受环境限制，受到广泛认可。

然而，目前公开的等离子体水处理装置和方法都存在能效偏低，单位能耗高等问题，单次净化效果远低于预期，原因是目前用于处理污水的等离子体装置都是基于介质阻挡放电、电晕放电、火花放电或热平衡等离子体。一方面由于气压高，放电只能在局部小区域内激发等离子体，并且，碰撞频率高、自由程短，等离子体中活性自由基扩散性差、寿命短，不易于充分与水中污染源接触反应，因此，活性自由基的利用率不高，导致处理效率低；另一方面水流快速通过放电隙，污染物与等离子体接触时间太短暂，或者有部分污染物没机会与等离子体接触，未被等离子体分解就离开放电区，因此，单次净化效果不佳。单纯增加放电强度对提高单次净化效果并无显著效果，反而会进一步增加能耗，如何使污染物较长时间滞留在放电区与等离子体充分接触，才是提高单次净化效果的有效途径。

多孔球对污染物有强吸附能力，而等离子体则具有强分解能力，二者结合具有互补性：多孔球优先吸附污染物，使污染物不会随水流或气流快速离开放电区，使污染物与等离子体有充分接触机会和分解时间，大幅提高单次净化效果；等离子体的强分解能力能即时清洁吸附于多孔球表面的污染物，使多孔球表面在长期应用中均无污染物堆积，时刻保持表面的清洁度和强吸附能力。

将多孔球作为过滤填料置于放电区中，会挤占放电空间和水流或者气流通道，为保证有足够的放电空间和水流或者气流通道，必须加大放电电极间距。然而，放电电压与两电极的间距成正比例关系，电极间距增大，放电电压也随之增加，并且，电极间加入介电常数较高的多孔球，如陶瓷球多孔球、麦饭石多孔球和石英多孔球等，强电场主要落在多孔球上，会进一步提高放电电压。过高的放电电压会增加等离子体发生器成本和能耗。需要采取措施，既增大了电极间的名义间距，获得足够的放电空间和水流或者气流通道，并在电极间放入了高介电常数的多孔球填料，又不增加实际放电电极间距，并且，落在多孔球上的电压占放电电压比例还不能高。

发明内容

本发明的目的是为宽电极间距放电的等离子体净化系统提高一种多孔球过滤填料，一方面多孔球作为放电区的过滤填料，要有高孔隙率和大表面积，起到吸附污染物、净化水质或者气体的作用；另一方面，多孔球又充当两组放电电极之间的中间电极，缩小实际放电电极间距，降低放电电压。作为过滤填料，多孔球必须具有大表面积，而作为中间电极，又必须具备导电能力。

本发明的核壳结构多孔球具有导体核、多孔介质壳和光催化剂表面的结构。多孔介质壳表面积大，并且，表面涂覆了纳米晶光催化剂层，进一步增大表面积，增强表面吸附能力，纳米晶光催化剂还能吸收来自等离子体的紫外光，辅助分解污染物；导体核则具有良好的导电率，在电场中被极化，在放电区中充当放电中间电极，使实际放电间距缩小为：

L=L₀-N*D

其中，L为实际放电间距，L₀为名义电极间距，N为放电电极连线上填入的多孔球个数，D为多孔球导体核的直径。

所述的一种核壳结构多孔球，包括导体核101、绝缘壳102和催化剂涂层103。其特征是导体核101紧密包裹在绝缘壳102里面， 绝缘壳102的表面设有催化剂涂层103。

所述的导体核101是实心或者穿孔的任意形状金属颗粒或者导电磁体颗粒。作为放电中间电极的导体核除了有导电性外，如果还具有磁性，可获得磁化健康水。

所述的绝缘壳102是多孔陶瓷壳层，其主要成份是SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、MgO、CaO、K₂O、Na₂O、TiO₂和MnO中的一种或几种混合物。

所述的催化剂涂层103的成份是TiO₂、ZnO、ZnS、Fe₂O₃、CdS、CdSe或WO₃纳米晶光催化剂中的一种或几种混合物。

所述核壳结构多孔球的用途是作为中间电极和过滤填料应用于气体放电隙中。核壳结构多孔球对污染物有强吸附能力和光催化能力，与具有强分解能力的等离子体结合，可大幅提高单次净化效果，并能时刻保持多孔球表面的清洁度、强吸附能力和光催化能力。

所述的核壳结构多孔球的制造方法，其特征在于包括以下八个步骤：

A、制作导体核101：将导电金属或者导电磁体压制或者铸造成颗粒状备用；

B、制作陶瓷粉体和催化剂粉体：将SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、MgO、CaO、K₂O、Na₂O、TiO₂和MnO中的一种或几种混合物粉体置于滚筒搅拌器中搅拌均匀，留在搅拌器中备用；将TiO₂、ZnO、ZnS、Fe₂O₃、CdS、CdSe或WO₃纳米晶光催化剂中的一种或几种混合物粉体置于滚筒搅拌器中搅拌均匀，留在搅拌器中备用；

C、制作溶胶涂层：把步骤A中制作好的导体核，或者步骤E中制得的核壳球硬胚料倒入溶胶中搅拌，使导体球或者核壳球硬胚料表面均匀包裹一层溶胶；

D、制作绝缘壳102：把步骤C中制作好的表面包裹了溶胶层的导体核倒进步骤B中制作好的陶瓷粉体中继续滚动搅拌，直到陶瓷粉体均匀粘到导体核表面上，制得核壳球软胚料；

E、溶胶固化：将步骤D中制作好的核壳球软胚料放进烤炉中，在300-500℃温度下固化，制得核壳球硬胚料；重复步骤B、C、D和E，可以制得不同壳层种类和厚度的核壳球硬胚料；

F、制作溶胶涂层：将步骤E中制作的核壳球硬胚料再次放进溶胶中搅拌，使核壳球硬胚料表面均匀包裹一层溶胶；

G、制作催化剂涂层103：把步骤F中制作好的表面包裹了溶胶层的核壳球硬胚料倒进步骤B中制作好的催化剂粉体中继续滚动搅拌，直到催化剂粉体均匀粘到导体核表面上，制得核壳球毛胚；

H、烧结成型：将步骤G制得的核壳球毛胚置于高温炉中烧结成型，烧结温度为1000-16000℃。 

附图说明

图1、核壳结构多孔球切面示意图。

图2、大气压放电等离子体水/气体净化装置切面示意图。

图中101-导体核，102-绝缘壳，103-催化剂涂层，201-核壳结构多孔球，202-地电极，203-高压电极，204-外介质管，205-内介质管，206-高压电源，207-进水/气口，208-出水/气口。 

具体实施方式

本发明的按以下具体实施方式制成如图1所示核壳结构多孔球：

A、制作导体核101：将铝压制成直径3mm的球形颗粒状备用；

B、制作陶瓷粉体和催化剂粉体：将主要成份为SiO₂的石英砂或者主要成份为Al₂O₃的刚玉砂置于滚筒搅拌器中搅拌均匀，留在搅拌器中备用；将纳米晶TiO₂置于另一个滚筒搅拌器中搅拌均匀，留在搅拌器中备用；

C、制作溶胶涂层：把步骤A中制作好的导体核，或者步骤E中制得的核壳球硬胚料倒入淀粉溶胶中搅拌，使导体球或者核壳球硬胚料表面均匀包裹一层淀粉溶胶；

D、制作绝缘壳102：把步骤C中制作好的表面包裹了溶胶层的导体核倒进步骤B中制作好的石英砂或者陶瓷砂粉体中继续滚动搅拌，直到石英砂或者陶瓷砂均匀粘到导体核表面上，制得核壳球软胚料；

E、溶胶固化：将步骤D中制作好的核壳球软胚料放进烤炉中，在300℃温度下脱水固化，制得1mm厚壳层的核壳球硬胚料；

F、制作溶胶涂层：将步骤E中制作的核壳球硬胚料再次放进淀粉溶胶中搅拌，使核壳球硬胚料表面均匀包裹一层淀粉溶胶；

G、制作催化剂涂层103：把步骤F中制作好的表面包裹了溶胶层的核壳球硬胚料倒进步骤B中制作好的纳米晶TiO₂粉体中继续滚动搅拌，直到纳米晶TiO₂粉体体均匀粘到导体核表面上，制得核壳球毛胚；

H、烧结成型：将步骤G制得的核壳球毛胚置于高温炉中烧结成型，在1100℃烧结温度下煅烧2小时，溶胶蒸发，留下大量孔隙，自然冷却即制成核壳结构多孔球201。

将制成的核壳结构多孔球201应用于如图2所示等离子体水/气体净化装置中。放电装置主体结构是，同轴烧接在一起的两支石英管分别作为放电的外介质管204和内介质管205，外介质管204外设有地电极202，内介质管内设有高压电极203，核壳结构多孔球201设在外介质管204和内介质管205之间的放电隙中，高压电源的高压输出端接高压电极203，高压电源与地电极202共地。外介质管204向上开口为进水/气口207，底部侧开口为出水/气口208。

Claims (6)

1.一种核壳结构多孔球，包括导体核（101）、绝缘壳（102）和催化剂涂层（103），其特征是导体核（1）紧密包裹在绝缘壳（102）里面， 绝缘壳（102）的表面设有催化剂涂层（103）。

2.如权利要求1所述的核壳结构多孔球，其特征是所述的导体核（1）是实心或者穿孔的任意形状金属颗粒或者导电磁体颗粒。

3.如权利要求1所述的核壳结构多孔球，其特征是所述的绝缘壳（102）是多孔陶瓷壳层，其主要成份是SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、MgO、CaO、K₂O、Na₂O、TiO₂和MnO中的一种或几种混合物。

4.如权利要求1所述的核壳结构多孔球，其特征是所述的催化剂涂层（103）的成份是TiO₂、ZnO、ZnS、Fe₂O₃、CdS、CdSe或WO₃纳米晶光催化剂中的一种或几种混合物。

5.如权利要求1、2、3和4所述的核壳结构多孔球，其特征是所述核壳结构多孔球的用途是作为中间电极和过滤填料应用于气体放电隙中。

6.如权利要求1所述的核壳结构多孔球的制造方法，其特征在于包括以下八个步骤：

A、制作导体核（101）：将导电金属或者导电磁体压制或者铸造成颗粒状备用；

B、制作陶瓷粉体和催化剂粉体：将SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、MgO、CaO、K₂O、Na₂O、TiO₂和MnO中的一种或几种混合物粉体置于滚筒搅拌器中搅拌均匀，留在搅拌器中备用；将TiO₂、ZnO、ZnS、Fe₂O₃、CdS、CdSe或WO₃纳米晶光催化剂中的一种或几种混合物粉体置于滚筒搅拌器中搅拌均匀，留在搅拌器中备用；

C、制作溶胶涂层：把步骤A中制作好的导体核，或者步骤E中制得的核壳球硬胚料倒入溶胶中搅拌，使导体球或者核壳球硬胚料表面均匀包裹一层溶胶；

D、制作绝缘壳（102）：把步骤C中制作好的表面包裹了溶胶层的导体核倒进步骤B中制作好的陶瓷粉体中继续滚动搅拌，直到陶瓷粉体均匀粘到导体核表面上，制得核壳球软胚料；

E、溶胶固化：将步骤D中制作好的核壳球软胚料放进烤炉中，在300-500℃温度下固化，制得核壳球硬胚料；重复步骤B、C、D和E，可以制得不同壳层种类和厚度的核壳球硬胚料；

F、制作溶胶涂层：将步骤E中制作的核壳球硬胚料再次放进溶胶中搅拌，使核壳球硬胚料表面均匀包裹一层溶胶；

G、制作催化剂涂层（103）：把步骤F中制作好的表面包裹了溶胶层的核壳球硬胚料倒进步骤B中制作好的催化剂粉体中继续滚动搅拌，直到催化剂粉体均匀粘到导体核表面上，制得核壳球毛胚；

H、烧结成型：将步骤G制得的核壳球毛胚置于高温炉中烧结成型，烧结温度为1000-16000℃。