CN109621715A - 一种与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及环境技术中的污染物处理装置，公开了一种新型的与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置，该装置由正电极、负电极和圆柱形密封腔体组成，密封腔体由上部绝缘盖和下部绝缘腔体组成；正电极包括中心旋转轴，旋转轴的底端沿径向伸出至少三个形状相同的第一凸起，旋转轴的顶端穿出绝缘盖与外界高压电源相连；负电极为圆环形，贴合在绝缘腔体内壁，与外界高压电源相连，负电极的内壁具有与正电极的第一凸起位置相对应的第二凸起；密封腔体中填充催化剂。该装置操作简单，制作成本低廉；通过电极的旋转发展电弧长度，拉长非平衡区使反应充分，同时由于其电极的特殊设置方式，使催化剂可与电弧进行充分接触，使催化效果最大化。

Description

一种与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置
技术领域
本发明属于滑动弧等离子体领域，尤其涉及一种与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置，可以用其进行有机物裂解、重整、合成气等反应。
背景技术
滑动弧放电(gliding arc discharge,GAD)等离子体是一种可以在常压下产生的周期性摆动的非平衡等离子体，由法国Czernichowski等人于1988年提出。最初的滑动弧反应器主要由2个分叉的刀片式电极组成，2个电极的喉部顶端布置喷嘴，高电压分别接在2个电极上从而击穿形成电弧，电弧在气流的作用下周期变化。
滑动弧放电由于在刺激化学反应方面具有独特优势，因此在被提出之后便立即成为了研究热点。20世纪90年代初期，滑动弧被Czernichowski等人成功应用于废气中有机污染物(庚烷、甲苯、丁酮、四氯乙烯)和H2S等的处理，以及天然气重整制取合成气，显示出良好的应用前景。此后，法国、美国、韩国、日本、中国、加拿大以及阿尔及利亚、喀麦隆等国家的学者相继展开了研究，将滑动弧技术逐步应用于燃料重整制取氢气或合成气、辅助燃烧、挥发性有机污染物处理、二恶英降解、无机污染物(H2S、N2O、CO2等)分解、材料表面改性、杀菌消毒以及种子处理等领域，并部分实现了工业应用。
但传统的刀片滑动弧及衍生反应器存在流体在等离子体反应区停留时间短的问题，且为了保证较好的电弧延伸情况，对反应气体流速有比较严格的要求。相比之下，本发明是一种可以自由控制气流流速大小，保证气体在等离子体区域停留时间，并能充分实现等离子体与固体颗粒/液体催化剂耦合的反应器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种新型的催化剂-电弧结合方式，同时通过对电极的改进弥补对电弧长度和非平衡区域的需求，从而进一步提高滑动弧等离子体处理有机物的降解效率。
本发明提供的解决方案是：一种与催化剂结合的多电极滑动弧等离子体有机物处理装置，该装置由正电极、负电极和圆柱形密封腔体组成，所述密封腔体由上部绝缘盖和下部绝缘腔体组成；所述正电极包括中心旋转轴，旋转轴的底端沿径向伸出至少三个形状相同的第一凸起，所述旋转轴的顶端穿出绝缘盖与外界高压电源相连，所述正电极不与绝缘腔体接触；所述负电极为圆环形，贴合在绝缘腔体内壁，与外界高压电源相连，所述负电极的内壁具有与正电极的第一凸起位置相对应的第二凸起；所述绝缘腔体和负电极上开有连通的进气口，在进气口的相对位置开有出气口；所述密封腔体中填充催化剂。
进一步地，所述绝缘腔体上开有导线孔，导线穿过导线孔与负电极电连接，从而将负电极与外界高压电源相连。
进一步地，所述正电极的旋转轴与绝缘盖通过轴承连接，使得正电极能够在外界电机的驱动下旋转。
进一步地，所述进气口和出气口的位置尽量远离负电极的第二凸起。
进一步地，所述第一凸起的末端具有尖角，尖角为圆锥形或三角形；所述第二凸起的末端具有尖角，尖角为圆锥形或三角形
进一步地，所述正电极和负电极均为金属材质。
进一步地，所述第一凸起与第二凸起的最近距离为1～5mm，使得能够产生电弧形成等离子体区域。
进一步地，所述催化剂为不同粒径的固体颗粒催化剂或液体催化剂
一种利用滑动弧等离子体有机物处理装置进行有机物降解的方法，该方法包括：
(1)在密封腔体中放入事先选择好的催化剂；不同待处理有机物选择不同的能够促进其降解的催化剂。
(2)从进气口向密封腔体中通入载气，载气从出气口流出，不同待处理有机物选择不同的能够使其稳定运行的载气。
(3)接通正电极的电源开关和电机开关，使正电极产生旋转，同时与负电极产生电弧；电弧在正负极最接近处产生，又经由正电极旋转而被逐渐拉长，最终断裂并重新在最接近处起弧，此过程不断重复；此过程中因载气的存在而产生大量的非平衡等离子体。
(4)向载气中混入目标有机物，载气中的有机物在电弧与催化剂的共同作用下发生降解。
进一步地，所述步骤(2)中载气的流量控制为0.1L/min～10L/min，所述步骤(4)中有机物的添加量控制在0.1～30mg/min范围内。
本发明的有益效果在于：本发明设计了独特的反应器腔室构造，改进了滑动弧的产生与维持方式；以电极旋转的方式，促使电弧生成、拉长，可加大非平衡区域，促进反应；以此方式替代传统反应器以磁场流场协同驱动，能使反应器更便捷地跟催化剂结合。通过电弧与催化剂的耦合进一步提高有机物裂解效率。
附图说明
图1为本发明的与催化剂结合的多电极滑动弧等离子体有机物处理装置爆炸图；
图2为电流在颗粒状催化剂中形成微放电示意图；
图中，绝缘盖1、正电极2、负电极3、绝缘腔体4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置，该装置由正电极2、负电极3和圆柱形密封腔体组成，所述密封腔体由上部绝缘盖1和下部绝缘腔体4组成，所述正电极2包括中心旋转轴，旋转轴的底端沿径向伸出至少三个形状相同的第一凸起，图1中以四个第一凸起为例，但不限于此，所述旋转轴的顶端穿出绝缘盖1与外界高压电源相连，电源种类不限，所述正电极2不与绝缘腔体4接触，所述负电极3为圆环形，贴合在绝缘腔体4内壁，与外界高压电源相连，所述负电极3的内壁具有与正电极2的第一凸起位置相对应的第二凸起，所述绝缘腔体4和负电极3上开有连通的进气口，在进气口的相对位置开有出气口，即进气口与出气口在同一条直径线上，以达到最大距离；所述密封腔体中填充催化剂，可以为不同粒径的固体颗粒催化剂或液体催化剂。
进一步地，所述绝缘腔体4上开有导线孔，导线穿过导线孔与负电极3电连接，从而将负电极3与外界高压电源相连。
进一步地，所述正电极2的旋转轴与绝缘盖1通过轴承连接，使得正电极2能够在外界电机的驱动下旋转。
进一步地，所述进气口和出气口的位置尽量远离负电极3的第二凸起。
进一步地，所述第一凸起的末端具有尖角，尖角为圆锥形或三角形；所述第二凸起的末端具有尖角，尖角为圆锥形或三角形，图1中以第一凸起和第二凸起的末端尖角均为三角形为例。
进一步地，所述正电极2和负电极3为金属材质。
进一步地，所述第一凸起与第二凸起的最近距离为1～5mm，使得能够产生电弧形成等离子体区域。
以下给出各部件的尺寸，但不限于此：所述绝缘盖1嵌于绝缘腔体4顶部，密封腔体的总高度为30mm；所述负电极3的外径与绝缘腔体4的内径均为70mm；正电极2第一凸起的高度与负电极3的高度均为20mm，正电极2第一凸起末端距轴心38mm，负电极3第二凸起末端距轴心41mm，旋转轴直径10mm；负电极3与绝缘腔体4上的进出气口直径均为4mm。
本发明装置可以进行有机物裂解、重整、合成气等反应，有机物可为化工反应中产生的焦油、室内有机污染物等，具体工作过程如下：
(1)在密封腔体中放入事先选择好的催化剂；不同待处理有机物选择不同的能够促进其降解的催化剂。
(2)从进气口向密封腔体中通入载气，载气从出气口流出，不同待处理有机物选择不同的能够使其稳定运行的载气，载气可以选择空气、模拟工业气、惰性气体等，载气的流量控制为0.1L/min～10L/min。
(3)接通正电极2的电源开关和电机开关，使正电极2产生旋转，同时与负电极3产生电弧；电弧在正负极最接近处产生，又经由正电极2旋转而被逐渐拉长，微放电示意图如图2所示，最终断裂并重新在最接近处起弧，此过程不断重复；此过程中因载气的存在而产生大量的非平衡等离子体，典型的等离子体包括氢自由基、氧自由基、羟基。
(4)向载气中混入目标有机物，有机物的添加量控制在0.1～30mg/min范围内，载气中的有机物在电弧与催化剂的共同作用下发生降解。
需注意以上列举仅为本发明的具体实施例。在不同应用中，可针对不同情况选择并联该装置，并在其中放置不同种类的催化剂，或者使用不同的电源。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置，其特征在于，该装置由正电极、负电极和圆柱形密封腔体组成，所述密封腔体由上部绝缘盖和下部绝缘腔体组成；所述正电极包括中心旋转轴，旋转轴的底端沿径向伸出至少三个形状相同的第一凸起，所述旋转轴的顶端穿出绝缘盖与外界高压电源相连，所述正电极不与绝缘腔体接触；所述负电极为圆环形，贴合在绝缘腔体内壁，与外界高压电源相连，所述负电极的内壁具有与正电极的第一凸起位置相对应的第二凸起；所述绝缘腔体和负电极上开有连通的进气口，在进气口的相对位置开有出气口；所述密封腔体中填充催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置，其特征在于，所述绝缘腔体上开有导线孔，导线穿过导线孔与负电极电连接，从而将负电极与外界高压电源相连。
3.根据权利要求1所述的一种与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置，其特征在于，所述正电极的旋转轴与绝缘盖通过轴承连接，使得正电极能够在外界电机的驱动下旋转。
4.根据权利要求1所述的一种与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置，其特征在于，所述进气口和出气口的位置尽量远离负电极的第二凸起。
5.根据权利要求1所述的一种与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置，其特征在于，所述第一凸起的末端具有尖角，尖角为圆锥形或三角形；所述第二凸起的末端具有尖角，尖角为圆锥形或三角形。
6.根据权利要求1所述的一种与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置，其特征在于，所述正电极和负电极均为金属材质。
7.根据权利要求1所述的一种与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置，其特征在于，所述第一凸起与第二凸起的最近距离为1～5mm，使得能够产生电弧形成等离子体区域。
8.根据权利要求1所述的一种与催化剂结合的滑动弧等离子体有机物处理装置，其特征在于，所述催化剂为不同粒径的固体颗粒催化剂或液体催化剂。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述装置进行有机物降解的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)在密封腔体中放入事先选择好的催化剂；不同待处理有机物选择不同的能够促进其降解的催化剂。
(2)从进气口向密封腔体中通入载气，载气从出气口流出，不同待处理有机物选择不同的能够使其稳定运行的载气。
(3)接通正电极的电源开关和电机开关，使正电极产生旋转，同时与负电极产生电弧；电弧在正负极最接近处产生，又经由正电极旋转而被逐渐拉长，最终断裂并重新在最接近处起弧，此过程不断重复；此过程中因载气的存在而产生大量的非平衡等离子体。
(4)向载气中混入目标有机物，载气中的有机物在电弧与催化剂的共同作用下发生降解。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中载气的流量控制为0.1L/min～10L/min，所述步骤(4)中有机物的添加量控制在0.1～30mg/min范围内。
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