CN105719931A - 一种粉体或颗粒等离子体处理装置 - Google Patents

一种粉体或颗粒等离子体处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种粉体或颗粒等离子体处理装置，包括：具有腔室的可旋转筒体或球体，腔室空间为圆柱体或球体；驱动筒体或球体旋转的驱动装置；多个位于腔室中的固定的棒形正电极，正电极的纵向与腔室空间的纵向一致；金属负电极；与正电极和负电极实现电连接使腔室中产生等离子体气体的等离子体电源；其中，腔室壁体的至少一部分构成金属负电极，在正电极和负电极之间有至少一个介电材料层，上述多个固定的棒形正电极的横截面呈正多边形排列或圆形排列，并且在棒形正电极工作时，其即被用作正电极，又被用作粉体或颗粒的搅拌棒，从而使粉体或颗粒被均匀分散和均匀处理。上述等离子体处理装置特别适合于处理各种催化剂，从而大大改善催化剂的性能。

Description

一种粉体或颗粒等离子体处理装置
本申请是2012年11月30日在中国专利局提交的申请号为201210505886.6、名称为“一种粉体或颗粒等离子体处理装置”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种粉体或颗粒等离子体处理装置，特别是，涉及一种能够均匀分散和均匀处理粉体或颗粒、并能有效进行工业放大的等离子体处理装置。本发明装置特别适合于对各种催化剂进行改性处理，以改善他们的催化性能。
背景技术
用等离子体处理粉体和颗粒已有多年实践。已证明等离子体处理可改善粉体和颗粒材料的各种化学和/或物理特性，例如氧化、还原、交联、解吸、蚀刻、接枝和/或聚合等性能。粉体和颗粒材料可是碳纳米管、炸药、催化剂等。例如，用等离子体处理催化剂可使其具有商业应用价值所需的性能。
用等离子体处理粉体或颗粒的现有设备结构各异，但它们都有明显缺点，如装载量低、操作复杂、或工业放大困难等。
CN2718948Y公开了一种等离子体材料处理设备，该装置用一种流化床使粉体或颗粒在反应器中流化，并在反应器中生成等离子体以处理粉体或颗粒。在流化作用下，粉体或颗粒可以被均匀处理。但是，根据等离子体的生成理论，反应器的体积非常有限。在该专利文献中，反应器的尺寸为Φ20mmxL150mm，并且在反应器的中心还有一个正电极，正电极也会占据一定的空间，使反应器的有效利用空间非常有限。而且反应器中的正电极与外部的负电极的距离被严格限制到一定的范围(小于10mm)，从而限制了装置的处理能力。另外，虽然流化可以使处理变得均匀，但处理不同的粉体时，实现流化的参数是不同的，因此也就导致了该装置操作非常复杂。
CN101687171A公开了一种粉体处理装置。虽然该粉体处理装置能更均匀地处理粉体，但结构过于复杂以至于难以大规模工业放大。此外，该装置必须使用真空系统，这又增加了操作费用，并限制了该装置的推广。而且，为了使粉体从腔室内壁上脱离，该文献中还引入了一个复杂的脱离系统。
上述专利文献在此全文引入以作参考。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明旨在提供一种结构简单、操作容易、能均匀分散和均匀处理粉体或颗粒、并能有效进行工业放大的等离子体处理装置。
根据本发明的第一方面，提供一种粉体或颗粒等离子体处理装置，包括：具有腔室的可旋转筒体或球体，所述腔室的空间为圆柱体或球体，在所述筒体或球体上具有所述粉体或颗粒的入口和工作气体入口，以便将所述粉体或颗粒和工作气体送入上述腔室中；
用于驱动所述筒体或球体旋转的驱动装置；
多个位于所述腔室中的固定的棒形正电极，所述正电极的纵向与所述腔室空间的纵向一致；
金属负电极；
与所述正电极和负电极实现电连接使所述腔室中产生等离子体气体的等离子体电源；
其中，所述腔室壁体的至少一部分构成所述金属负电极，在所述正电极和负电极之间有至少一个介电材料层，所述至少一个介电材料层对应所有的正电极或其中的一个正电极，其特征在于：
上述多个固定的棒形正电极的横截面呈正多边形排列或圆形排列，并且在棒形正电极工作时，其即被用作正电极，又被用作上述粉体或颗粒的搅拌棒，从而使所述粉体或颗粒被均匀分散和均匀处理。
根据本发明的第二方面，提供一种粉体或颗粒等离子体处理装置，包括：具有腔室的可旋转筒体或球体，所述腔室的空间为圆柱体或球体，在所述筒体或球体上具有所述粉体或颗粒的入口和工作气体入口，以便将所述粉体或颗粒和工作气体送入上述腔室中；
用于驱动所述筒体或球体旋转的驱动装置；
一个位于所述腔室中的固定的正电极，所述正电极的横截面为扇形或所述正电极为扇形，并且扇形圆心线位于腔室圆柱体空间轴线上或扇形圆心位于腔室球体空间中心上；
金属负电极；
与所述正电极和负电极实现电连接使所述腔室中产生等离子体气体的等离子体电源；
其中，所述腔室壁体的至少一部分构成所述金属负电极，在所述正电极和负电极之间有至少一个介电材料层，所述至少一个介电材料层对应所有的正电极或其中的一个正电极，其特征在于：
在所述腔室内表面上有至少一个凸起部件，被用作上述粉体或颗粒的搅拌装置，从而使所述粉体或颗粒被均匀分散和均匀处理。
所述凸起部件的形状或其横截面形状可是锐角形、钝角形、半圆形、弧线形、和/或流线型。
根据本发明第一和第二方面，在所述筒体或球体上还具有压缩空气入口，以便将压缩空气送入上述腔室中，用于将粘附在所述腔室内壁上或正电极表面上的粉体或颗粒剥离。
优选地，所述介电材料层为石英玻璃管、有机材料管和/或陶瓷管，所述有机材料可是一些有机高分子材料，例如聚胺或聚酯材料，所述陶瓷例如可是刚玉瓷或氧化铝瓷，上述介电材料层可是包围所有正电极的介电材料层，也可是仅包围一个正电极的介电材料层，此时介电材料层的数量与正电极数量相同，在此情况下，优选地，介电材料层形成套管，套在每一个棒形正电极上面，以减少正电极的工作磨损；所述等离子体是介质阻挡放电(DBD)产生的等离子体气体；所述正电极与所述负电极之间的距离可是1-50毫米；所述正电极材料为石墨或含石墨的物质；所述金属负电极材料为铁、钢、铜、铝、各种合金或贵金属；所述等离子体工作气体是空气和/或惰性气体；所述等离子体电源的工作电压为104～106伏；频率为50赫兹-1兆赫兹；所述等离子体电源还包括一个脉冲变压器。
通常，所述粉体或颗粒等离子体处理装置为卧式结构，即所述腔室的纵向在水平方向上；所述装置在常温和常压下工作；一次加入到所述腔室中的所述粉体或颗粒的体积是所述腔室空间体积的10-70％，优选是20-50％，例如30-40％。
上述粉体或颗粒等离子体处理装置可处理单一种类的粉体或颗粒，也可处理几种粉体或颗粒的混合物，还可处理粉体和颗粒的混合物，其特别适合于处理各种催化剂，从而大大改善催化剂的性能。
附图说明
从下述参考附图的描述中可明显地看出本发明上述和其它特征和优点，附图各图中相对应或等同的部位或部件将采用相同的标记数表示。其中：
图1是本发明一个实施方式的粉体或颗粒等离子体处理装置的主视图；
图2是图1所示的粉体或颗粒等离子体处理装置中的筒体和腔室的纵向剖视图；
图3是本发明另一个实施方式的用于粉体或颗粒等离子体处理装置的筒体和腔室横向剖视图；
图4是图1所示的粉体或颗粒等离子体处理装置的横向剖视图；；
图5是未经本发明粉体或颗粒等离子体处理的装置处理的催化剂的TEM照片；
图6是经本发明粉体或颗粒等离子体处理装置处理后的催化剂的TEM照片。
其中，附图标计数说明如下：
附图标记说明
1-筒体2-正电极4-电源
5-脉冲变压器6-箱体7-控制面板
8-扇形电极9-凸起部件11-腔室
12-石英玻璃管13-装料入口14-空气入口
15-堵头21-导线22-端子
31-伺服电机32-第一皮带轮33-第一齿轮
34-第二齿轮35-第二皮带轮36-皮带
61-滚轮62-支架
具体实施方式
通过下面参考实施例的描述进一步详细解释本发明，但以下包括实施例的描述仅用于使本发明所属技术领域的普通技术人员能够更加清楚地理解本发明的原理和精髓，不意味着对本发明进行任何形式的限制。
本发明粉体或颗粒等离子体处理装置可用于均匀、有效地大规模处理粉体或颗粒材料。在本发明第一个技术方案中，如图1、图2和图4所示，多个棒形石墨或陶瓷正电极2和作为腔室11壁体至少一部分的金属负电极(未标记)产生介质阻挡放电等离子体(DBD等离子体)，所以，本发明装置不需要真空系统。多个棒形正电极2可在筒体1旋动时作为搅拌棒搅拌正在被处理的粉体或颗粒。另外，还可定期向腔室11中吹入压缩空气，以将粘附在腔室11内壁上或电极2外表面上的粉体或颗粒剥离。
如图1、图2和图4所示，本发明粉体或颗粒等离子体处理装置，包括具有腔室11的筒体1、固定设置在腔室11中的多个石墨棒形正电极2、用于驱动筒体1旋转的驱动装置3、作为腔室11壁体至少一部分的金属负电极，以及用于与正电极2和金属负电极实现电连接使腔室11中产生等离子气体的等离子体电源(包括电源4和脉冲变压器5)；多个正电极2和作为腔室11壁体至少一部分的金属负电极之间有至少一个介电材料层(多为绝缘介质层)，例如石英玻璃管12。筒体1上还有用于向腔室11中加入需要处理的粉体或颗粒的入口13和用于通入高压空气以将粘附在腔室11内壁或多个正电极2外表面上的粉体或颗粒剥离的高压空气入口14，入口14还可作为工作气体入口，并实现常压空气和高压空气的自动切换。本发明粉体或颗粒等离子体处理装置所处理的粉体或颗粒的粒径通常小于20毫米，特别是小于5毫米，当处理粉体时，粉体的粒径优选小于0.1毫米。
如图2和图4所示，筒体1为卧式(或称为水平)设置，筒体1最内层是作为绝缘介质层的石英玻璃管12，石英玻璃管12外部是构成腔室11壁体至少一部分的金属负电极，金属负电极接地，筒体1一端可设置端盖(未示出)，所述端盖用于盖住入口13，空气入口14在所述端盖上并与腔室11连通，筒体1另一端有堵头15。
结合图2和图4，多个正电极2通常为石墨棒或陶瓷棒2，它一端被固定连接在筒体1的堵头14上，所述多个正电极2均水平排布、并且在腔室11中其横截面围成正多边形或圆形，例如正三角形-正八角形，这样排布是为了正电极2和负电极之间能均匀放电，避免发生局部击穿，影响放电效果。
如图1所示，驱动装置包括伺服电机31、在伺服电机31输出轴上的第一皮带轮32、套在筒体1上的第一齿轮33、与第一齿轮33啮合的第二齿轮34、以及与第二齿轮34同轴固定在一起的第二皮带轮35，第一皮带轮32与第二皮带轮35通过皮带36连接。伺服电机31启动后，输出轴31带动第一皮带轮32一起转动，由于第一皮带轮32与第二皮带轮35通过皮带36连接，因此第二皮带轮35随第一皮带轮32一起转动。由于第二皮带轮35与第二齿轮34同轴固定在一起，因此第二齿轮34在第二皮带轮35带动下转动，而第一齿轮33又与第二齿轮34相啮合，因此第二齿轮34转动将带动第一齿轮33转动，而筒体1与第一齿轮33固定在一起，因此筒体1将随第一齿轮33转动而转动。但筒体1中的棒形正电极2不会随筒体1一起转动，这样，相对于腔室11中正在进行等离子体处理、并随筒体1一起转动或运动的粉体或颗粒，多个棒形正电极2与它们之间会有一个相对移动或运动，从而使得棒形正电极2工作时，其即被用作正电极，又被用作上述粉体或颗粒的搅拌棒，使所述粉体或颗粒在腔室11中被均匀分散和均匀处理。
如图1所示，所述等离子体电源包括电源4和脉冲变压器5，电源4与脉冲变压器5实现电连接，之后脉冲变压器5又与正电极2和金属负电极实现电连接，通过正电极2和金属负电极之间的脉冲DBD放电，使腔室11中的工作气体、例如空气和/或氩气发生高压电离，从而使它们变为等离子气体。
事实上，如图2所示，上述多个正电极2与堵头15连接的一端分别通过不同的导线21被电连接到同一端子22上，而端子22又与脉冲变压器5实现电连接。
优选地，本发明粉体或颗粒等离子体处理装置还进一步包括用于控制伺服电机31转速以及电源4输出电压和电流的控制部件(未标识)。上述装置还可包括箱体6，筒体1优选地位于箱体6的顶部，伺服电机31、电源4、脉冲变压器5和所述控制部件均可位于箱体6中，箱体6前表面上可有与所述控制部件实现自动控制连接的控制面板7。如图3所示，箱体6上可有用于支撑筒体1并使筒体1能在其上滚动的滚轮61。为了更好地保持筒体1的稳定，如图1所示，在筒体1堵头15一端还可有固定在箱体6上的支架62。
下面参考附图简要说明本发明上述装置的工作过程：
如图1、图2和图4所示，首先将需要等离子体处理的粉体或颗粒从入口13装入腔室11中，并通过空气入口14通入工作气体、例如空气。然后接通伺服电机31，伺服电机31将带动筒体1转动，但固定在筒体1中的棒形正电极2并不随筒体1一起转动，因此，棒形正电极2对正在处理的粉体或颗粒起到搅拌作用，因为当筒体1转动时，粉体或颗粒在腔室11中也在转动或滚动，而棒形正电极2却相对不动。
当电源4和脉冲变压器5与正电极2和金属负电极实现电连通时，腔室11中的工作气体因被高压电离而成为等离子气体，从而使与等离子气体接触的粉体、粉体之间，或颗粒、颗粒之间发生物理或化学变化。几秒钟或几分钟后，压缩空气从空气入口14被定期通入腔室11中，从而将粘附在腔室11内壁上或正电极2外表面上的粉体或颗粒剥离下来。粉体或颗粒在腔室11中被多个正电极2不断搅拌，同时定期被压缩空气吹动和剥离，这样就可达到均匀分散和均匀处理。等离子体处理时间可由计算机自动控制。在计算机的自动控制下，电源4和伺服电机31可分别自动启动和关闭，通过这种控制，可对操作参数进行优化。处理完成后，粉体或颗粒从入口13排出。
一次加入到所述腔室11中的上述粉体或颗粒的体积通常是所述腔室空间体积的10-70％，特别是20-50％，例如30-40％，这样在保证装置运转经济性的前提下，可实现最好的均匀分散和均匀处理。
图3代表了本发明粉体或颗粒等离子体处理装置的另一种技术方案，与图1、图2和图4所示的技术方案不同，在该技术方案中，采用了一个、而不是多个正电极，其同样位于所述腔室11中并被固定，所述正电极8的横截面为扇形或所述正电极8本身为扇形，并且扇形圆心线位于腔室11圆柱形空间轴线上或扇形圆心位于腔室11球体空间中心上。同样，腔室11壁体的至少一部分构成金属负电极(未标记)，在正电极8和作为腔室11壁体至少一部分的金属负电极之间有至少一个介电材料层(多为绝缘介质层)，例如石英玻璃管或空心石英玻璃球，向所述腔室11中通入工作气体、例如空气和/或氩气后，当正电极8和构成腔室11壁体至少一部分的金属负电极之间形成高压时，可产生介质阻挡放电(DBD)，使其间的工作气体被高压放电离解，从而变成DBD等离子气体。同样，当筒体1旋转时，腔室11中正在进行等离子体处理的粉体或颗粒也将随筒体1旋转而旋转或滚动，但正电极8并不随筒体1旋转而旋转，其在腔室11中是固定的。
由于在图3所示的装置中，只有一个正电极8，尽管其也会与正在进行等离子体处理的粉体或颗粒产生一定的相对移动或运动，但其无法起到很均匀分散粉体或颗粒的作用，为此，在腔室11内表面上设置至少一个凸起部件9，该凸起部件9被用作上述粉体或颗粒的搅拌装置，从而使所述粉体或颗粒在腔室11中被均匀分散和均匀处理。
上述凸起部件9通常是多个，其数量取决于腔室11内表面面积的大小和粉体或颗粒装载量的多少，图3给出了六个凸起部件9，通常情况下，凸起部件9数量越多，粉体或颗粒分散和处理越均匀，但凸起部件9数量过多，会引起放电不均匀，从而影响到粉体或颗粒等离子体处理的效果。
上述凸起部件9的形状可是各种各样的，只要能达到良好分散的效果就行，其形状或其横截面形状可是锐角形、钝角形、半圆形、弧线形、和/或流线型等等。
事实上，图3所示的装置与图1、图2和图4所示的装置除了正电极的形状和数量以及搅拌机构的不同外，其它组件或部件都可以相同或相似，工作原理和操作参数也基本相同或相似。
实施例
实施例1
用图1、图2和图4所示的粉体或颗粒等离子体处理装置处理甲烷化反应催化剂，催化剂的主要成分是：Ni(NO3)2·6H2O和Al2O3。
所述装置的操作参数如下：电源4输出功率为500瓦，工作电压为105伏；频率为104赫兹；筒体1转速为8转/分钟，每隔半分钟将压缩空气引入到腔室11中，总处理时间约为10分钟。
对经上述等离子体处理的催化剂和未经处理的催化剂进行TEM测试，获得如图5和图6所示的两种催化剂TEM照片
比较图5和图6发现：经本发明装置等离子体处理的催化剂(图6)比未经处理的催化剂(图5)分散性更好，Ni颗粒更小。可以预计：经本发明装置等离子体处理的催化剂(图6)会表现出优异的催化性能，特别是较高的催化活性。
本说明书所用的术语和表述方式仅被用作描述性、而非限制性的术语和表述方式，在使用这些术语和表述方式时无意将已表示和描述的特征或其组成部分的任何等同物排斥在外。
尽管已表示和描述了本发明的几个实施方式，但本发明不被限制为所描述的实施方式。相反，本领域普通技术人员应当意识到在不脱离本发明原则和精神的情况下可对这些实施方式进行任何变通和改进，本发明的保护范围由所附的权利要求及其等同物所确定。

Claims (17)

1.一种粉体或颗粒等离子体处理装置，包括：
具有腔室的可旋转筒体或球体，所述腔室的空间为圆柱体或球体，在所述筒体或球体上具有所述粉体或颗粒的入口和工作气体入口，以便将所述粉体或颗粒和工作气体送入上述腔室中；
用于驱动所述筒体或球体旋转的驱动装置；
一个位于所述腔室中的固定的正电极，所述正电极的横截面为扇形或所述正电极为扇形，并且扇形圆心线位于腔室圆柱体空间轴线上或扇形圆心位于腔室球体空间中心上；
金属负电极；
与所述正电极和负电极实现电连接使所述腔室中产生等离子体气体的等离子体电源；
其中，所述腔室壁体的至少一部分构成所述金属负电极，在所述正电极和负电极之间有至少一个介电材料层，所述至少一个介电材料层对应所述的正电极，其特征在于：
在所述腔室内表面上有至少一个凸起部件，被用作上述粉体或颗粒的搅拌装置，从而使所述粉体或颗粒被均匀分散和均匀处理。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述凸起部件的形状或其横截面形状为锐角形、钝角形、半圆形、弧线形、和/或流线型。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，在所述筒体或球体上具有压缩空气入口，以便将压缩空气送入上述腔室中，用于将粘附在所述腔室内壁上或正电极表面上的粉体或颗粒剥离。
4.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述介电材料层为石英玻璃管、有机材料管和/或陶瓷管。
5.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述等离子体是介质阻挡放电(DBD)产生的等离子体气体。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述正电极与所述负电极之间的距离是1-50毫米。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述正电极材料为石墨或含石墨的物质。
8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述金属负电极材料为铁、铜、铝、各种合金或贵金属。
9.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述等离子体工作气体是空气和/或惰性气体。
10.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述等离子体电源的工作电压为104～106伏；频率为50赫兹-1兆赫兹。
11.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述等离子体电源包括一个脉冲变压器。
12.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述腔室的纵向在水平方向上。
13.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述装置在常温和常压下工作。
14.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，一次加入到所述腔室中的所述粉体或颗粒的体积是所述腔室空间体积的10-70％。
15.根据权利要求14所述的等离子体处理装置，其中，一次加入到所述腔室中的所述粉体或颗粒的体积进一步是所述腔室空间体积的20-50％。
16.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述粉体或颗粒是单一物质或混合物。
17.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述粉体或颗粒是各种催化剂。
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