CN107124811B - 一种等离子体发生器及其等离子体产生方法 - Google Patents

一种等离子体发生器及其等离子体产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体发生器，包括反应器腔体、多级催化隔板电极和电源，多级催化隔板电极垂直安装于反应器腔体内，相邻催化隔板电极之间形成等离子体腔室；电源正极和电源负极以交错间隔方式与所述催化隔板电极连接；催化隔板电极包括有具有透气功能的电介质和电极，电介质由光催化材料、铁电催化材料或光催化和铁电材料的混合物质组成。本发明通过将多级催化隔板电极以交错间隔方式与电源连接，且催化隔板电极采用具有透气孔的电介质和电极制成，而电介质由光催化材料、铁电催化材料或光催化和铁电材料的混合物质组成，可以充分利用放电过程中产生的光辐射能量和电子能量，达到在较低放电电压下产生高电子密度的等离子体。

Description

一种等离子体发生器及其等离子体产生方法
技术领域
本发明涉及电气装备技术领域，具体涉及一种等离子体发生器及其等离子体的产生方法。
背景技术
介质阻挡放电是产生冷等离子体最简单的方法。介质阻挡放电是一种非平衡放电，其在位于电极之间的放电空间内插入绝缘介质，可以在较广的气压范围和较宽的频域内工作。
气体放电以后，在放电空间会产生一定密度的电子和不同频率的光辐射，当冷等离子体与催化剂协同作用时，尤其是与光催化剂或电催化剂协同作用时，会极大的提高能量利用效率，降低气体击穿电压，同时也会进一步促进反应物的转化。但是，目前通用的圆筒型介质阻挡反应器和平板型介质阻挡反应器均存在光辐射能量和电子能量利用率低，以及放大性差的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以充分利用光辐射能量和电子能量，以及可放大性好的等离子体发生器及其等离子体产生方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种等离子体发生器，包括反应器腔体、多级催化隔板电极和电源，其特征在于：所述多级催化隔板电极垂直安装于反应器腔体内，相邻催化隔板电极之间具有一定距离，形成等离子体腔室；电源正极和电源负极以交错间隔方式与所述催化隔板电极连接，连接电源的相邻两个催化隔板电极与催化隔板电极之间的腔室共同形成放电腔室；气体沿着垂直于催化隔板电极的方向导入以及导出所述反应器腔体；所述催化隔板电极包括有具有透气功能的电介质和电极，电极紧密安装在两边的电介质中间；所述电介质由光催化材料、或铁电催化材料、或光催化和铁电材料的混合物质组成。
进一步地，所述光催化材料为TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、ZnS、SrTiO3或SiO2；所述铁电催化材料为BaTiO3、CaTiO3、SrTiO3、PbTiO3、ZnTiO3、BaZrO3、PbZrO3或由前面任意两种或几种铁电催化材料组合形成的固溶体。
优选地，所述多级催化隔板电极至少设有三个，可为奇数个(如2n+1个，其中n≥1)，也可为偶数个(如2n个，其中n≥2)。
优选地，所述催化隔板电极之间的间距为0.1-100mm，较佳间距为1-50mm，而最佳间距为1-10mm。
优选地，所述电介质中的透气孔的孔径为1nm-5mm，较佳为50nm至500μm。
最佳地，电介质的透气孔的孔径为50nm至1μm。
优选地，所述电极采用银材料、铜材料或者不锈钢材料制成。
优选地，所述电极为具有透气功能的整体结构，且电极为丝网结构，其目数为10000目-10目，较佳为5000目至100目，最佳为1000目至100目。
优选地，所述电源为正弦交流电源、余弦交流电源或者正脉冲电源，或者负脉冲电源，或者正负脉冲电源，或者由前述任意两种电源组成的耦合电源。
一种基于前述等离子体发生器的等离子体产生方法，其特征在于：按以下步骤进行，
1)放电气由垂直于催化隔板电极的方向从放电气进气腔室进入等离子体反应器；
2)放电气从催化隔板电极的透气孔内穿过，充满整个反应器腔体，并保持持续流通；
3)启动电源，相邻两个催化隔板电极间形成强电场，相邻两个放电腔室中的电场方向相反；
4)放电气中的微量电子在强电场作用加速并形成高能电子，高能电子撞击放电气体，形成电子雪崩，进而形成具有一定密度电子和一定密度活性粒子的等离子体；
5)放电气放电过程中产生大量的光辐射，催化隔板电极中的电介质在强光辐射、强电场和强电子场环境中充分活化，起到催化放电或者催化反应的作用以提高放电效率和物料气转化效率，降低等离子体反应器能耗；
6)上一级放电腔室中的等离子体进入下一级放电腔室中，在更低的放电电压下形成电子密度更高的等离子体；
7)放电尾气由垂直于催化隔板电极的方向从放电尾气出气腔室导出。
本发明通过将多级催化隔板电极以交错间隔方式与电源连接，且催化隔板电极采用具有透气孔的电介质和电极制成，而电介质由光催化材料、铁电催化材料或光催化和铁电材料的混合物质组成，可以充分利用放电过程中产生的光辐射能量和电子能量，达到在较低放电电压下产生高电子密度的等离子体。
附图说明
图1为等离子体发生器结构示意图；
图2为催化隔板电极结构示意图；
图3为放电腔室放电产生等离子体过程示意图。
图中，100为等离子体发生器，10为反应器腔体，20为放电气进气腔室，30为放电腔室，40为催化隔板电极，41为电介质，42为电极，50为放电尾气出气腔室，60为电源，61为电源负极，62为电源正极，70为等离子体。
具体实施方式
本实施例中，参照图1、图2和图3，所述等离子体发生器100，包括反应器腔体10、多级催化隔板电极40和电源60，所述多级催化隔板电极40垂直安装于反应器腔体10内，相邻催化隔板电极40之间具有一定距离，形成等离子体腔室；电源正极62和电源负极61以交错间隔方式与所述催化隔板电极40连接，连接电源的相邻两个催化隔板电极与催化隔板电极之间的腔室共同形成放电腔室30；气体沿着垂直于催化隔板电极40的方向导入以及导出所述反应器腔体10；所述催化隔板电极40包括有具有透气功能的电介质41和电极42，电极42紧密安装在两边的电介质41中间；所述电介质41由光催化材料、或铁电催化材料、或光催化和铁电材料的混合物质组成。
所述光催化材料为TiO2(或ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、ZnS、SrTiO3、SiO2)；所述铁电催化材料为BaTiO3(或CaTiO3、SrTiO3、PbTiO3、ZnTiO3、BaZrO3、PbZrO3或由前面任意两种或几种铁电催化材料组合形成的固溶体)。
所述多级催化隔板电极40设有12个(至少设有三个，可为奇数个，如2n+1个，其中n≥1；也可为偶数个，如2n个，其中n≥2。
所述催化隔板电极40之间的间距为2mm，当然，0.1-100mm之间均可，较佳间距为1-50mm，而最佳间距为1-10mm。
所述电介质41中的透气孔的孔径为100nm，当然1nm-5mm之间均可，较佳为50nm至500μm，最佳为50nm至1μm。
所述电极42采用银材料制成(铜材料或者不锈钢材料亦可)。
所述电极42为具有透气功能的整体结构，且电极为丝网结构，其目数为200目，当然，10000目-10目之间均可，较佳为5000目至100目，最佳为1000目至100目。
所述电源60为正弦交流电源(余弦交流电源或者正脉冲电源，或者负脉冲电源，或者正负脉冲电源，或者由前述任意两种电源组成的耦合电源均可)。
一种基于前述等离子体发生器的等离子体产生方法，按以下步骤进行，
1)放电气由垂直于催化隔板电极40的方向从放电气进气腔室20进入等离子体反应器100；
2)放电气从催化隔板电极40的透气孔内穿过，充满整个反应器腔体10，并保持持续流通；
3)启动电源60，相邻两个催化隔板电极40间形成强电场，相邻两个放电腔室30中的电场方向相反；
4)放电气中的微量电子在强电场作用加速并形成高能电子，高能电子撞击放电气体，形成电子雪崩，进而形成具有一定密度电子和一定密度活性粒子的等离子体70；
5)放电气放电过程中产生大量的光辐射，催化隔板电极40中的电介质41在强光辐射、强电场和强电子场环境中充分活化，起到催化放电或者催化反应的作用以提高放电效率和物料气转化效率，降低等离子体反应器100能耗；
6)上一级放电腔室中的等离子体进入下一级放电腔室中，在更低的放电电压下形成电子密度更高的等离子体；
7)放电尾气由垂直于催化隔板电极40方向从放电尾气出气腔室50导出。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (8)

1.一种等离子体发生器，包括反应器腔体、多级催化隔板电极和电源，其特征在于：所述多级催化隔板电极垂直安装于反应器腔体内，相邻催化隔板电极之间具有一定距离，形成等离子体腔室；电源正极和电源负极以交错间隔方式与所述催化隔板电极连接，连接电源的相邻两个催化隔板电极与催化隔板电极之间的腔室共同形成放电腔室；气体沿着垂直于催化隔板电极的方向导入以及导出所述反应器腔体；所述催化隔板电极包括有具有透气功能的电介质和电极，电极紧密安装在两边的电介质中间；所述电介质由光催化材料、或铁电催化材料、或光催化和铁电材料的混合物质组成；所述电极采用银材料、铜材料或者不锈钢材料制成；所述电极为具有透气功能的整体结构，且电极为丝网结构，其目数为10000目-10目。
2.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于：所述光催化材料为TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、ZnS、SrTiO3或SiO2；所述铁电催化材料为BaTiO3、CaTiO3、SrTiO3、PbTiO3、ZnTiO3、BaZrO3、PbZrO3或由前面任意两种或几种铁电催化材料组合形成的固溶体。
3.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于：所述多级催化隔板电极至少设有三个。
4.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于：所述催化隔板电极之间的间距为0.1-100mm。
5.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于：所述电介质中的透气孔的孔径为1nm-5mm。
6.根据权利要求5所述的等离子体发生器，其特征在于：所述电介质的透气孔的孔径为50nm至1μm。
7.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于：所述电源为正弦交流电源、余弦交流电源或者正脉冲电源，或者负脉冲电源，或者正负脉冲电源，或者由前述任意两种电源组成的耦合电源。
8.一种基于权利要求1所述的等离子体发生器的等离子体产生方法，其特征在于：按以下步骤进行，
1)放电气由垂直于催化隔板电极的方向从放电气进气腔室进入等离子体反应器；
2)放电气从催化隔板电极的透气孔内穿过，充满整个反应器腔体，并保持持续流通；
3)启动电源，相邻两个催化隔板电极间形成强电场，相邻两个放电腔室中的电场方向相反；
4)放电气中的微量电子在强电场作用加速并形成高能电子，高能电子撞击放电气体，形成电子雪崩，进而形成具有一定密度电子和一定密度活性粒子的等离子体；
5)放电气放电过程中产生大量的光辐射，催化隔板电极中的电介质在强光辐射、强电场和强电子场环境中充分活化，起到催化放电或者催化反应的作用以提高放电效率和物料气转化效率，降低等离子体反应器能耗；
6)上一级放电腔室中的等离子体进入下一级放电腔室中，在更低的放电电压下形成电子密度更高的等离子体；
7)放电尾气由垂直于催化隔板电极的方向从放电尾气出气腔室导出。
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