CN113082277B - 一种利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统和方法,所述系统包括:Plasma发生装置、Plasma电压调节器、净化装置、进气通道、气体检测装置;Plasma发生装置用于产生等离子体;净化装置位于Plasma发生装置内部,用于净化有毒气体;所述方法为:调节Plasma电压调节器使Plasma发生装置内部产生等离子体;有毒气体分子在等离子体作用下,形成各种微小粒子,与净化装置发生反应;气体检测装置检测Plasma发生装置排出的气体,决定是否排放。通过电离作用,有毒气体分子被击穿形成微小粒子,与净化装置反应,达到有效净化处理的目的,也为其他有毒气体净化处理提供技术参考。
Description
技术领域
本发明涉及电化学领域,具体涉及一种利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统和方法。
背景技术
温室效应造成的全球气候变暖现象愈发严峻,相比传统认识上的温室气体CO2,氟化物气体具有更高的温室效应潜势值,且氟化物气体不易分解,由此带来的温室效应会在很长时间内不断增强,对自然环境和人类生活造成很大影响。
目前对于此类有毒污染物气体,通常使用碱液或Al2O3吸附,或者使用钙和/或镁作为有效成份的净化剂,或者使用金属锌、金属铝或两者的混合物作为主成份的净化剂。但由于此类气体在常温下化学性质稳定,即使在使用净化剂作用下也需要加热甚至高温环境。也有使用氢气、甲烷、丙烷的燃烧炉在加热条件下与金属氧化物接触净化的方法等。但是以上方法过程繁琐,消耗电能较大,同时又由于这些净化剂成分本身化学性质活泼,在高温净化过程中容易与氧气或者水发生化学反应,所以除了保存、使用上困难之外,在对未反应的净化剂做后处理时,有急剧放热、产生有害气体等危险。传统处理方法普遍存在处理效果不理想,效率低,过程复杂,耗时、能源消耗大等问题,急需一种能够简单、有效净化此类有毒气体甚至各类有毒气体的系统和方法。
发明内容
本发明提出一种利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统和方法,通过电离作用,将有毒气体分子击穿,形成正负离子、电子、中性粒子等微小粒子,这些粒子被净化装置吸附或发生化学反应,达到处理净化有毒气体的目的。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统,包括:Plasma发生装置、Plasma电压调节器、净化装置、进气通道、气体检测装置;
所述Plasma发生装置为密封装置,用于产生等离子体;
所述Plasma电压调节器与所述Plasma发生装置相连,用于向所述Plasma发生装置供电;
所述净化装置位于所述Plasma发生装置内部,用于净化有毒气体;
所述进气通道与所述Plasma发生装置连接,用于有毒气体进入所述Plasma发生装置;
所述气体检测装置与所述Plasma的出气端连接,用于对所述Plasma发生装置的出气端排出的气体进行检测。
优选的,所述Plasma发生装置为低压等离子体装置,供电电压通过Plasma电压调节器调节。
优选的,所述净化装置包括:直流电源、阳极电极、阴极电极;
所述直流电源的正极与所述阳极电极相连,所述直流电源的负极与所述阴极电极相连。
优选的,所述阳极电极为多孔碳棒,所述阴极电极为金属单质。
优选的,所述金属单质为第一主族或第二主族金属。
优选的,所述直流电源的电压可调。
优选的,所述进气通道为耐腐蚀材质。
优选的,所述气体检测装置为气相色谱仪。
优选的,所述系统还包括测温装置,用于检测Plasma发生装置的温度。
本发明还提供了利用通电耦合等离子体处理有毒气体的方法,包括如下步骤:
S1.将所述净化装置置于所述Plasma发生装置中,密封所述Plasma发生装置;将所述进气通道、所述气体检测装置、所述Plasma电压调节器分别与所述Plasma发生装置连接;
S2.开启所述Plasma电压调节器向所述Plasma发生装置供电,所述Plasma发生装置内部产生等离子体;
S3.通过所述进气通道向所述Plasma发生装置通入有毒气体,同时打开所述Plasma发生装置的出气端,保持所述Plasma发生装置内压强值为预设压强值;
有毒气体分子在所述Plasma发生装置产生的等离子体作用下,形成各种微小粒子,与所述净化装置发生反应;
S4.所述气体检测装置检测所述Plasma发生装置排出的气体,若达到排放标准,则将处理后的气体排放到空气中;若达不到排放标准,则调节有毒气体进入所述Plasma发生装置的流量和从所述Plasma发生装置排出的流量,增加有毒气体在所述Plasma发生装置内停留时间,待处理效果达到气体排放标准后再排出。
本发明的有益效果为:
(1)化学电离作用将直接击穿有毒气体分子,形成各种微小粒子,而净化装置中的金属单质在直流电源作用下形成电势差,又可以促进对气体粒子的吸附,进而加速反应进行,也使化学电离作用的能耗降低;
(2)采用特定的金属单质,特别是一些活性金属,容易与有毒气体发生氧化还原反应,进一步促进有毒气体净化效果;
(3)本系统结构简单,方法灵活,可根据不同有毒气体的化学性质,灵活改变使用的金属单质,调节电离作用,实现各种不同有毒气体的处理效果,也为其他气体处理提供了技术参考。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统示意图;
图2为本发明利用通电耦合等离子体处理有毒气体的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示,本发明提供一种利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统,包括:Plasma发生装置、Plasma电压调节器、净化装置、进气通道、气体检测装置;
所述Plasma发生装置为密封装置,用于产生等离子体;
所述Plasma电压调节器与所述Plasma发生装置相连,用于向所述Plasma发生装置供电;
所述净化装置位于所述Plasma发生装置内部,用于净化有毒气体;
所述进气通道与所述Plasma发生装置连接,用于有毒气体进入所述Plasma发生装置;
所述气体检测装置与所述Plasma的出气端连接,用于对所述Plasma发生装置的出气端排出的气体进行检测;
所述净化装置包括:直流电源、阳极电极、阴极电极;
所述直流电源的正极与所述阳极电极相连,所述直流电源的负极与所述阴极电极相连。
实施例一:
在本实施例一中,待处理有毒气体为SF6,根据SF6的化学组成和性质,在本实施例一中,采用电压范围在0-220V范围内的低压Plasma发生装置,调节Plasma电压调节器,向Plasma发生装置输出50V、50Hz的交流电,SF6在密闭的Plasma发生装置内可以得到较充分的电离,电离的气体粒子包含正负离子、电子,气体整体呈电中性;Plasma发生装置内压强维持在0.3MPa;净化装置采用4V直流电源,采用多孔碳棒作为正极电极连接直流电源的正极,采用第一主族金属单质Li作为阴极电极连接直流电源的负极,采用片状形状以增大反应接触面积,提高净化效果;金属Li单质与气体粒子接触发生化学反应,由于电势差的存在,气体粒子更易被识别和吸附,从而反应进行的更快,更彻底。由于金属Li元素化学性质活泼,在空气中不稳定,易于与O2/H2O反应,所以在金属表面还需要涂覆耐水性好、抗氧化的抗氧化涂层,本实施例一采用氯乙烯类树脂涂料作为抗氧化涂层,氯乙烯类树脂,具有速干、耐水性好、光热稳定性差的特点,在等离子体的清洗作用下,可以迅速被清洗干净从而重新漏出金属单质。
进气通道用于有毒气体进入Plasma发生装置,须选择耐腐蚀材质,以抵御有毒气体的腐蚀作用,同时鉴于有毒气体温度不同,需要进一步选用适宜的材质,例如:有毒气体温度<0℃,进气通道选用耐低温耐腐蚀的奥氏体不锈钢管,有毒气体温度范围在0℃-300℃,进气通道选用石英管;有毒气体温度>300℃,进气通道选用耐高温耐腐蚀的镍合金钢管。在本实施例一中,SF6的气体温度为25℃,因此选用石英管。
在本实施例一中,气体检测装置为气象色谱仪,用以检测Plasma发生装置的出气端排出的气体质量。使用红外线测温仪实时检测Plasma发生装置的内部温度,以确保电离反应在允许温度误差范围内安全运行。
本实施例一采用金属单质Li作为净化装置阴极净化处理SF6的效果如表1所示,可以看出是否使用Plasma电离技术,在SF6的净化处理效率上存在巨大差异。
表1
实施例二:
在本实施例二中,待处理有毒气体为CF4,根据CF4的化学组成和性质,在本实施例二中,采用电压范围在0-220V范围内的低压Plasma发生装置,调节Plasma电压调节器,向Plasma发生装置输出50V、50Hz的交流电,CF4在密闭的Plasma发生装置内可以得到较充分的电离,电离的气体粒子包含正负离子、电子,气体整体呈电中性;Plasma发生装置内压强维持在0.3MPa;净化装置采用4V直流电源,采用多孔碳棒作为正极电极连接直流电源的正极,采用第二主族金属单质Mg作为阴极电极连接直流电源的负极,采用片状形状以增大反应接触面积,提高净化效果;金属Mg单质与气体粒子接触发生化学反应,由于电势差的存在,气体粒子更易被识别和吸附,从而反应进行的更快,更彻底。由于金属Mg元素化学性质活泼,在空气中不稳定,易于与O2/H2O反应,所以在金属表面还需要涂覆耐水性好、抗氧化的抗氧化涂层,本实施例二采用氯乙烯类树脂涂料作为抗氧化涂层,氯乙烯类树脂,具有速干、耐水性好、光热稳定性差的特点,在等离子体的清洗作用下,可以迅速被清洗干净从而重新漏出金属单质。
进气通道用于有毒气体进入Plasma发生装置,须选择耐腐蚀材质,以抵御有毒气体的腐蚀作用,同时鉴于有毒气体温度不同,需要进一步选用适宜的材质,例如:有毒气体温度<0℃,进气通道选用耐低温耐腐蚀的奥氏体不锈钢管,有毒气体温度范围在0℃-300℃,进气通道选用石英管;有毒气体温度>300℃,进气通道选用耐高温耐腐蚀的镍合金钢管。在本实施例二中,CF4的气体温度为25℃,因此选用石英管。
在本实施例二中,气体检测装置为气象色谱仪,用以检测Plasma发生装置的出气端排出的气体质量。使用红外线测温仪实时检测Plasma发生装置的内部温度,以确保电离反应在允许温度误差范围内安全运行。
本实施例二采用金属单质Mg作为净化装置阴极净化处理CF4的效果如表2所示,可以看出是否使用Plasma电离技术,在CF4的净化处理效率上存在巨大差异。
表2
实施例三:
在本实施例三中,待处理有毒气体为SF6,根据SF6的化学组成和性质,在本实施例三中,采用电压范围大于250V的高压Plasma发生装置,调节Plasma电压调节器,向Plasma发生装置输出350V、50Hz的交流电,SF6在密闭的Plasma发生装置内可以得到较充分的电离,电离的气体粒子包含正负离子、电子,气体整体呈电中性;Plasma发生装置内压强维持在0.3MPa;净化装置采用3V直流电源,采用多孔碳棒作为正极电极连接直流电源的正极,采用第一主族金属单质Na作为阴极电极连接直流电源的负极,采用片状形状以增大反应接触面积,提高净化效果;金属Na单质与气体粒子接触发生化学反应,由于电势差的存在,气体粒子更易被识别和吸附,从而反应进行的更快,更彻底。由于金属Na元素化学性质活泼,在空气中不稳定,易于与O2/H2O反应,所以在金属表面还需要涂覆耐水性好、抗氧化的抗氧化涂层,本实施例三采用氯乙烯类树脂涂料作为抗氧化涂层,氯乙烯类树脂,具有速干、耐水性好、光热稳定性差的特点,在等离子体的清洗作用下,可以迅速被清洗干净从而重新漏出金属单质。
进气通道用于有毒气体进入Plasma发生装置,须选择耐腐蚀材质,以抵御有毒气体的腐蚀作用,同时鉴于有毒气体温度不同,需要进一步选用适宜的材质,例如:有毒气体温度<0℃,进气通道选用耐低温耐腐蚀的奥氏体不锈钢管,有毒气体温度范围在0℃-300℃,进气通道选用石英管;有毒气体温度>300℃,进气通道选用耐高温耐腐蚀的镍合金钢管。在本实施例三中,SF6的气体温度为25℃,因此选用石英管。
在本实施例三中,气体检测装置为气象色谱仪,用以检测Plasma发生装置的出气端排出的气体质量。使用红外线测温仪实时检测Plasma发生装置的内部温度,以确保电离反应在允许温度误差范围内安全运行。
本实施例三采用金属单质Na作为净化装置阴极净化处理SF6的效果如表3所示,可以看出是否使用Plasma电离技术,在SF6的净化处理效率上存在巨大差异。
表3
如图2所示,本发明还提供了利用通电耦合等离子体处理有毒气体的方法,包括如下步骤:
S1.将净化装置置于所述Plasma发生装置中,密封Plasma发生装置;将进气通道、气体检测装置、Plasma电压调节器分别与Plasma发生装置连接;
鉴于所述净化装置中阴极电极采用第一主族或第二主族金属单质,其化学性质非常活泼,因此在将金属单质及净化装置放入Plasma发生装置前,需要在金属单质表面涂覆一层抗氧化涂层,以防止金属单质与空气中的O2/H2O发生化学反应;
根据待处理气体化学性质,调节净化装置的直流电源电压;
根据待处理气体化学性质和温度,选择适合的进气通道材质;
S2.开启Plasma电压调节器向Plasma发生装置供电,Plasma发生装置内部产生等离子体;
根据待处理气体化学性质,调节Plasma电压调节器的电压,选择直流或者交流,以及合适的电压值;
S3.通过进气通道向Plasma发生装置通入有毒气体,同时打开Plasma发生装置的出气端,保持Plasma发生装置内压强值为预设压强值;
鉴于金属单质表面涂敷抗氧化涂层,因此需要待Plasma发生装置产生的等离子体,将金属单质表面的抗氧化涂层清洗干净、漏出金属单质后再通入有毒气体;
根据待处理气体的化学性质,调节并维持Plasma发生装置内的气体压强;
有毒气体分子在Plasma发生装置产生的等离子体作用下,形成正负离子、电子,金属单质与气体粒子接触发生化学反应,由于电势差的存在,气体粒子更易被识别和吸附,从而反应进行的更快,更彻底;
S4.使用气体检测装置检测Plasma发生装置排出的气体,经检测,若达到排放标准,则将处理后的气体排放到空气中;若达不到排放标准,则调节有毒气体进入Plasma发生装置的流量和从Plasma发生装置排出的流量,增加有毒气体在Plasma发生装置内停留时间,待处理效果达到气体排放标准后再排出。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统,其特征在于,包括:Plasma发生装置、Plasma电压调节器、净化装置、进气通道、气体检测装置;
所述Plasma发生装置为密封装置,用于产生等离子体;
所述Plasma电压调节器与所述Plasma发生装置相连,用于向所述Plasma发生装置供电;
所述净化装置位于所述Plasma发生装置内部,用于净化有毒气体;
所述进气通道与所述Plasma发生装置连接,用于有毒气体进入所述Plasma发生装置;
所述气体检测装置与所述Plasma发生装置的出气端连接,用于对所述Plasma发生装置的出气端排出的气体进行检测;
所述净化装置包括:直流电源、阳极电极、阴极电极;
所述直流电源的正极与所述阳极电极相连,所述直流电源的负极与所述阴极电极相连;
所述阳极电极为多孔碳棒,所述阴极电极为金属单质;
所述金属单质为第一主族或第二主族金属,所述金属单质为Li、Mg或Na;
所述金属单质表面涂覆抗氧化涂层,所述抗氧化涂层为氯乙烯类树脂涂料;
利用所述系统处理有毒气体的方法,包括如下步骤:
S1.将所述净化装置置于所述Plasma发生装置中,密封所述Plasma发生装置;将所述进气通道、所述气体检测装置、所述Plasma电压调节器分别与所述Plasma发生装置连接;
S2.开启所述Plasma电压调节器向所述Plasma发生装置供电,所述Plasma发生装置内部产生等离子体;
S3.通过所述进气通道向所述Plasma发生装置通入有毒气体,同时打开所述Plasma发生装置的出气端,保持所述Plasma发生装置内压强值为预设压强值;
有毒气体分子在所述Plasma发生装置产生的等离子体作用下,形成各种微小粒子,与所述净化装置发生反应;
S4.所述气体检测装置检测所述Plasma发生装置排出的气体,若达到排放标准,则将处理后的气体排放到空气中;若达不到排放标准,则调节有毒气体进入所述Plasma发生装置的流量和从所述Plasma发生装置排出的流量,增加有毒气体在所述Plasma发生装置内的时间,待处理效果达到气体排放标准后再排出。
2.根据权利要求1所述的利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统,其特征在于,所述Plasma发生装置为低压等离子体装置,所述Plasma发生装置供电电压通过Plasma电压调节器调节。
3.根据权利要求1所述的利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统,其特征在于,所述直流电源的电压可调。
4.根据权利要求1所述的利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统,其特征在于,所述进气通道为耐腐蚀材质。
5.根据权利要求1所述的利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统,其特征在于,所述气体检测装置为气相色谱仪。
6.根据权利要求1所述的利用通电耦合等离子体处理有毒气体的系统,其特征在于,所述系统还包括测温装置,用于检测Plasma发生装置的温度。
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