CN113163566A - 一种等离子体改性碳材料的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子体改性碳材料的装置及方法，包括改性反应器和气体循环系统，所述改性反应器包括壳体，壳体内部从上至下依次设置气包、喷管和不锈钢粉末多孔板，所述壳体在不锈钢粉末多孔板下部设有改性气体进口，上部设有改性气体出口；所述气包顶部开孔连接气体循环系统，底部均匀开设气孔连接喷管；所述喷管作为针板放电的阳极连接电源，不锈钢粉末多孔板作为阴极接地；所述喷管底部隔空正对不锈钢粉末多孔板，所述不锈钢粉末多孔板上布置若干孔隙；所述气体循环系统的进口连接改性反应器的底部，出口连接气包顶部。通过电离改性气体，能够改变碳材料表面的化学性质，效率高、速度快、功能多、可大面积工业化运行。
Description
技术领域
本发明属于等离子体技术领域，更具体地，涉及一种等离子体改性碳材料的装置及方法。
背景技术
活性炭(AC)具有高比表面积、较大的孔容积、良好的孔结构和可调的表面化学性质，所以常被用作吸附剂。但对一些难以吸附去除的污染物质(如乙醇、甲苯、正丁烷、铜离子、铬离子、铅离子、汞等)，活性炭吸附存在一定的困难。因此，我们需要对活性炭表面进行改性，以提高其对特殊污染物的吸附性能。目前对活性炭改性的方法包括物理改性和化学改性两种。物理改性包括微波改性、高温热处理改性等；化学改性包括氧化改性、还原改性、酸碱改性、等离子体改性等。
微波改性是通过物体内分子的无规则运动相互摩擦产生的热量，从而快速加热物体，使活性炭表面的官能团与改性剂充分接触反应。研究表明微波改性既可以改变孔隙结构，也可以改变表面官能团的类型和数量。特别是表面碱性基团增加，从而有助于有机物的吸附。微波改性具有产热快，无污染，耗能少，操作简单且容易控制等优点，但也存在孔径减小，表面形状变得粗糙，以及碳骨架容易收缩变小等问题。
高温热处理改性是在惰性气体的条件下，对活性炭进行高温加热，从而该变其孔隙结构。该方法的主要因素在于其温度的控制。该方法可以使碳材料表面化学性质更加稳定，活性炭比表面积和总孔容增加。但是高温热处理可能会使孔道收缩，影响吸附效果。
氧化改性是利用氧化剂改变活性炭表面含氧官能团数量，通过增强活性炭表面的亲水性、酸性和极性，使其吸附性能得到提高。随着氧化程度增加，碳材料表面的含氧官能团也在增加。氧化改性能够增强碳材料表面的亲水性和极性，从而促进极性物质吸附，但对非极性物质吸附能力下降，且可能产生二次污染。还原改性则是在一定的温度下加入还原剂对活性炭进行改性，改性后活性炭表面的碱性官能团数量增加，使活性炭表面碱性、非极性和疏水性增加，使其对非极性物质的吸附能力增强。但是对极性物质吸附能力下降，且有二次污染。
酸碱改性是指将活性炭放在非氧化还原性酸溶液(H2SO4、H3PO4)或碱溶液(NaOH)中进行改性，一方面可以除去活性炭表面杂质，另一方面改变了活性炭表面的化学官能团，使其吸附能发生改变。酸碱改性要根据吸附物质的特点进行针对性的改性。酸改性使活性炭表面酸性官能团数量增加，提高对金属离子的吸附能力；而碱改性会使活性炭表面碱性基团含量增加，有利于有机物质的吸附。
等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子、电子、原子和激发态分子。在对碳基材料改性的过程中，可以向等离子体反应器引入所需的气体，在表面形成官能团，从而提高活性炭的吸附性能。该方法不仅能够改变碳材料表面的化学性质，而且装置简单、能耗低、效率高、速度快、功能多、可大面积工业化运行。
现有的等离子体活性炭改性装置常采用介质阻挡方式，但介质阻挡放电强度低，不利于活性粒子的产生，也无法有效改变活性炭的物理结构，同时其反应间隙小，只能够填充2～3mm厚度的活性炭层来进行改性，所以改性量较小，不利于工业化生产。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足，提供一种等离子体改性碳材料的装置及方法，能够改变碳材料表面的化学性质，且效率高、速度快、功能多、可大面积工业化运行。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种等离子体改性碳材料的装置，包括改性反应器和气体循环系统，
所述改性反应器包括壳体，壳体内部从上至下依次设置气包、喷管和不锈钢粉末多孔板，所述壳体在不锈钢粉末多孔板下部设有改性气体进口，上部设有改性气体出口；
所述气包顶部开孔连接气体循环系统，底部均匀开设气孔连接喷管；
所述喷管作为针板放电的阳极连接高压电源，不锈钢粉末多孔板作为阴极接地；所述喷管底部隔空正对不锈钢粉末多孔板，所述不锈钢粉末多孔板上布置若干微米级孔隙；
所述气体循环系统的进口连接改性反应器的底部，出口连接气包顶部。
优选的，所述喷管底部与不锈钢粉末多孔板上表面的距离为1～2cm；所述电压根据该距离在20～50kv内调节，距离越大则电压越大。所述喷管为中空的不锈钢管，直径为2～5mm，长度为1～2cm，间距为2～4cm，沿圆周均匀分布；所述不锈钢粉末多孔板为圆形板，直径为15～20cm，厚度为0.2～0.5cm。上述设计既可以增强放电强度，又增加电离的分布范围，即增加等离子体的覆盖面积，提高改性效果。
进一步优选的，所述不锈钢粉末多孔板内嵌在反应器壳体内部，与壳体内部用橡胶密封圈紧密相连。所述不锈钢粉末多孔板上的若干孔隙孔径为2～3μm，既能使改性气体通过，又能支撑不锈钢粉末多孔板上的碳材料。
优选的，所述气包为圆筒形，气包底部直径与反应器壳体内径相匹配，与壳体内部用橡胶密封圈密封连接。
优选的，所述气包底部采用不锈钢材料，其余部分采用绝缘材料。
优选的，所述壳体是由绝缘材料石英玻璃制成的圆柱形壳体，石英玻璃厚度为1cm，直径15～20cm，高度按实际需要自由调节。
优选的，所述改性气体进口设置于不锈钢粉末多孔板下部的一侧，改性气体出口设置于不锈钢粉末多孔板上部的另一侧，改性气体从一侧进气，从另一侧出气，方便快速充满。进一步优选的，所述改性气体进口设置进口阀门，改性气体出口设置出口阀门，通过阀门打开或关闭改性气体进口和改性气体出口。
优选的，所述气体循环系统包括循环泵和循环管道，所述循环管道一端连接改性反应器底部，另一端连接气包顶部，所述循环管道中还设有循环管道阀门。
一种等离子体改性碳材料的方法，采用上述改性装置，包括以下步骤：
将活性炭粉末均匀放置在不锈钢粉末多孔板上；
打开改性气体进口和改性气体出口，将改性气体注入改性反应器，直至反应器内部的气体全部变为所需的改性气体；
关闭改性气体出口，打开气体循环系统，让改性气体在改性反应器内循环流动，当喷管口有气体喷出，再关闭改性气体进口；
打开电源，使喷管放电将改性气体电离，电压为20～40kv，放电时间为10～20min，
关闭电源，关闭循环泵，放电结束，改性完成。
优选的，所述活性炭粉末为40～60目的颗粒，在不锈钢粉末多孔板上布置的厚度为0.5～1cm。该设计综合考虑活性炭的重力及表面面积等因素的影响，能够使活性炭与改性气体充分接触，改性更加充分，改性效果更好。
优选的，所述改性气体可以为O2、N2、NH3、H2S、氩气或空气中的一种，可以根据不同的改性需求，选择不同的改性气体，实现碳材料改性的多功能化。
放电过程中，改性气体在喷管口分解；然后经过活性炭层，与活性炭发生反应；同时，放电过程中能够改变活性炭的表面结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所述等离子体改性碳材料的装置，采用多喷管设计，改性气体在喷管口处被强烈电离，裂解成相应活性基团，从而大大提高活性基团的产率；同时，喷管直接面向活性炭，使活性炭表面发生反应，从而改变表面结构。不锈钢粉末板设计有利于改性气体均匀通过活性炭层，使全部活性炭接触到活性基团，从而实现高效化学改性。
(2)本发明等离子体碳材料改性装置增加改性气体循环设计，此设计有利于改性气体高效使用，从而减少后续处理要求。
(3)本发明等离子体碳材料改性方法及装置，通过电离改性气体，能够改变碳材料表面的化学性质，效率高、速度快、功能多、可大面积工业化运行。
附图说明
图1为本发明实施例所述等离子体改性碳材料的装置的结构示意图。
图2为实施例中所述气包和喷管配合使用的结构示意图。
图3为实施例中所述喷管的俯视结构示意图。
图中：1-改性反应器，11-壳体，12-气包，13-喷管，14-不锈钢粉末多孔板，15-改性气体进口，16-改性气体出口，17-进口阀门，18-出口阀门；2-气体循环系统，21-循环管道，22-循环泵，23-循环管道阀门；3-活性炭粉末，4-电源。
具体实施方式
下面将结合具体实施例更详细地描述本发明的优选实施方式。
实施例1
如图1-图3所示的一种等离子体改性碳材料的装置，包括改性反应器1和气体循环系统2。
本实施例所述改性反应器1包括壳体11，壳体11内部从上至下依次设置气包12、喷管13和不锈钢粉末多孔板14，所述壳体11在不锈钢粉末多孔板14下部的一侧设有改性气体进口15，上部的另一侧设有改性气体出口16，所述改性气体进口15设置进口阀门17，改性气体出口16设置出口阀门18，通过阀门打开或关闭改性气体进口15和改性气体出口16。
本实施例所述壳体11是由绝缘材料石英玻璃制成的圆柱形壳体，石英玻璃厚度为1cm，直径15cm，高度20cm。
本实施例所述气包12为圆筒形，气包12底部直径与反应器壳体11内径相匹配，与壳体11内部用橡胶密封圈密封连接。气包12底部采用不锈钢材料，其余部分采用绝缘材料。气包12顶部开孔连接气体循环系统2，底部均匀开设气孔连接喷管13；
本实施例所述喷管13作为针板放电的阳极连接高压电源4，不锈钢粉末多孔板14作为阴极接地。所述喷管13底部隔空正对不锈钢粉末多孔板14，距离为2cm。所述喷管13为中空的不锈钢管，直径为3mm，长度为2cm，间距为3cm，均匀分布；所述不锈钢粉末多孔板14为圆形板，直径为15cm，厚度为0.5cm。所述不锈钢粉末多孔板14上布置若干孔径为2～3μm的孔隙，既能使改性气体通过，又能支撑不锈钢粉末多孔板14上的碳材料。
本实施例所述气体循环系统2包括循环泵22和循环管道21，所述循环管道21一端作为气体进口连接改性反应器1底部，另一端作为气体出口连接气包12顶部，所述循环管道21中还设有循环管道阀门23。
实施例2
一种等离子体改性碳材料的方法，采用实施例所述改性装置，包括以下步骤：
(1)将活性炭粉末3破碎为40-60目的颗粒，并均匀放置在不锈钢多孔板14上，厚度为1cm。
(2)打开改性反应器1的改性气体进口阀门17和出口阀门18，将改性气体注入改性反应器1，持续一段时间后，直至改性反应器1内部的气体全部变为所需的改性气体。
(3)将出口阀门18关闭，打开循环泵22和循环管道阀门23，让改性气体在改性反应器1内循环流动；喷管13口有气体喷出；再关闭改性气体进口阀门17。
(4)打开电源4，电压为40kv，放电时间为20min；放电过程中，改性气体在喷管13口分解；然后经过活性炭粉末3，与活性炭发生反应；同时，放电过程中能够改变活性炭的表面结构。
(5)关闭电源4，关闭循环泵22，放电结束，取出改性过的活性炭，改性完成。
根据不同的改性需求，所述改性气体可以为O2、N2、NH3、H2S、氩气或空气中的一种。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和技术原理的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，这些修改和变更也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种等离子体改性碳材料的装置，其特征在于包括改性反应器和气体循环系统，
所述改性反应器包括壳体，壳体内部从上至下依次设置气包、喷管和不锈钢粉末多孔板，所述壳体在不锈钢粉末多孔板下部设有改性气体进口，上部设有改性气体出口；
所述气包顶部开孔连接气体循环系统，底部均匀开设气孔连接喷管；
所述喷管作为针板放电的阳极连接电源，不锈钢粉末多孔板作为阴极接地；所述喷管底部隔空正对不锈钢粉末多孔板，所述不锈钢粉末多孔板上布置若干微米级孔隙；
所述气体循环系统的进口连接改性反应器的底部，出口连接气包顶部。
2.根据权利要求1所述的等离子体改性碳材料的装置，其特征在于所述喷管底部与不锈钢粉末多孔板上表面的距离为1～2cm。
3.根据权利要求2所述的等离子体改性碳材料的装置，其特征在于所述喷管为中空的不锈钢管，直径为2～5mm，长度为1～2cm，间距为2～4cm，沿圆周均匀分布。
4.根据权利要求2所述的等离子体改性碳材料的装置，其特征在于所述不锈钢粉末多孔板为圆形板，直径为15～20cm，厚度为0.2～0.5cm。
5.根据权利要求1所述的等离子体改性碳材料的装置，其特征在于所述气包为圆筒形，气包底部直径与反应器壳体内径相匹配，与壳体内部用橡胶密封圈密封连接，气包底部采用不锈钢材料，其余部分采用绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的等离子体改性碳材料的装置，其特征在于所述壳体为圆柱形，由石英玻璃制成，石英玻璃厚度为1cm，直径15～20cm。
7.根据权利要求1所述的等离子体改性碳材料的装置，其特征在于所述气体循环系统包括循环泵和循环管道，所述循环管道一端连接改性反应器底部，另一端连接气包顶部，所述循环管道中还设有循环管道阀门。
8.一种等离子体碳材料改性的方法，采用权利要求1-8中的任意一项所述的改性装置，其特征在于包括以下步骤：
将活性炭粉末均匀放置在不锈钢粉末多孔板上；
打开改性气体进口和改性气体出口，将改性气体注入改性反应器，直至反应器内部的气体全部变为所需的改性气体；
关闭改性气体出口，打开气体循环系统，让改性气体在改性反应器内循环流动，当喷管口有气体喷出，再关闭改性气体进口；
打开电源，使喷管放电将改性气体电离，电压为20～40kv，放电时间为10～20min，放电结束，改性完成。
9.根据权利要求8所述的等离子体碳材料改性的方法，其特征在于所述活性炭粉末为40～60目的颗粒，在不锈钢粉末多孔板上布置的厚度为0.5～1cm。
10.根据权利要求8所述的等离子体碳材料改性的方法，其特征在于所述改性气体为O2、N2、NH3、H2S、氩气或空气中的一种。
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