CN113683058B - 一种利用水下鼓泡多模式放电合成过氧化氢的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用水下鼓泡多模式放电合成过氧化氢的装置，包括通气室、绝缘体密封塞、金属长针电极、顶盖、反应瓶、底部地电极、高压电源，所述通气室的顶部设置有开口并与绝缘体密封塞连接，所述金属长针电极贯穿绝缘体密封塞并插入通气室内，且通气室顶端侧壁设置有进气口，所述进气口固定连接通气管，所述通气管的另一端固定连接质量流量控制器，通气室贯穿顶盖并插入反应瓶内部，所述底部地电极位于反应瓶底部，本发明的有益效果：本发明可实现单一辉光放电模式和混合放电模式的双模式放电，利用气压在内部形成气相空间，放电产生的等离子体由气泡带入液相中，能够有效降低传质损耗，提高等离子体利用率，能够迅速制取过氧化氢溶液。

Description

一种利用水下鼓泡多模式放电合成过氧化氢的装置
技术领域
本发明涉及过氧化氢制备技术领域，具体是一种利用水下鼓泡多模式放电合成过氧化氢的装置。
背景技术
作为一种重要的工业生产必需品，过氧化氢的生产能力和生产效益影响到了后续所有的工业生产流程。传统的过氧化氢制备方法包括了蒽醌法、H2/O2贵金属催化法、H2/O2燃料电池法等，但这些方法都存在着一定的局限性，例如蒽醌法设备投资大，能耗高，仅适合大规模生产，并且存在着有机物污染；H2/O2贵金属催化法需要H2和O2直接接触，存在着爆炸风险和一系列副反应；而H2/O2燃料电池法产生的H2O2浓度低且电极成本高。等离子体是一种高效的分子活化手段，在等离子体环境中可以发生很多常规条件下难以进行的物理化学反应。气液放电是一种常见的产生低温等离子体的方式，已被广泛应用于污水处理、杀菌消毒和化学品合成等领域。
目前已有的利用等离子体制备过氧化氢的装置按生产原料的不同可分为以H2和O2为原料和以H2O为原料的两种。
以H2和O2为原料合成过氧化氢从原子经济性的角度来看是最为理想的合成路线。以H2和O2为原料合成过氧化氢的装置，如专利CN 101759154A所提出的一种利用H2和O2合成过氧化氢的装置和方法，该装置通过增设冷却区，将氢气区和氧气区分离并分步反应来提高制备过程的安全性。但仅将氢气电离并通过压力差将活性氢等离子体喷入氧气区不能保证反应的充分进行，等离子体利用率低。同时装置复杂性的增加带来的是生产成本的大幅增加。
以H2O为原料合成过氧化氢原料成本低廉，无爆炸风险，反应安全性高。如专利CN108147371A和CN 108212047A中所述的利用电晕放电合成双氧水的装置和方法，利用超声波雾化器将水雾化并向上经过平行交叠放置的正负电极层之间产生电晕放电，产物经过气液分离和冷凝后得到过氧化氢。虽然雾化的水滴相较于纯液相比较容易放电，但电晕放电的强度较低，放电能够合成的过氧化氢比较少且当水雾凝聚在电极层上形成水珠时会对放电产生较大的影响。同时，超声波雾化器的使用和冷凝过程使得生产工序繁琐，生产成本也大大增加。
不仅如此，因为对纯液相水放电的难度较大，目前以H2O为原料生产H2O2的装置所采用的放电形式主要是对雾化的水滴放电或对水蒸气放电。如专利CN 205603215U所提出对雾化水放电制备过氧化氢的装置，利用超声波雾化器产生水雾，利用入气孔、出气导流风扇和装置整体封闭的结构，形成一个从下向上的气流，经过电极之间发生介质阻挡放电并产生等离子体。但水雾中的放电均匀性较差，同时超声波雾化器和导流风扇的使用增加了装置复杂性和生产成本。专利CN 107207253B提出的一种对空气-液体流或蒸汽放电合成过氧化氢的装置，利用空心转子来产生冷蒸汽，提高了放电稳定性和均匀性。但电晕放电强度较弱，过氧化氢产率较低且装置成本高昂，应用场景有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用水下鼓泡多模式放电合成过氧化氢的装置，以解决上述背景技术中所提出的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用水下鼓泡多模式放电合成过氧化氢的装置，包括通气室、绝缘体密封塞、金属长针电极、顶盖、反应瓶、底部地电极和高压电源，所述通气室的顶部设置有开口并与绝缘体密封塞连接，所述金属长针电极贯穿绝缘体密封塞并插入通气室内，且通气室顶端侧壁设置有进气口，所述进气口固定连接通气管，所述通气管的另一端固定连接质量流量控制器，所述通气室贯穿顶盖并插入反应瓶内部，所述底部地电极位于反应瓶底部，所述金属长针电极的顶部电性连接高压电源。
作为本发明进一步的方案：所述金属长针电极的表面活动套接有可移除的介质管。
作为本发明进一步的方案：所述金属长针电极底部的水平高度高于通气室底部的水平高度，所述通气室的底部边缘开设有排气孔。
作为本发明进一步的方案：所述顶盖分为上下两层，其中上层直径与反应瓶的外径相同，下层的外径与反应瓶的内径相同。
作为本发明进一步的方案：所述反应瓶包括进水口和出水口，所述进水口位于反应瓶的顶端侧壁，所述出水口位于反应瓶的底端侧壁。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用不对称的电极结构，极不均匀的电场分布能够有效降低放电难度，根据在长针电极外侧是否套用介质管可实现辉光放电和辉光+火花混合模式放电的两种放电模式，针对不同的使用需求可选择不同的工作模式，且具有能耗低、生产效率高的优点；
2、采用长针电极和玻璃通气室同轴一体化的结构，其故障率低、易维护，长针电极和玻璃通气室之间狭长的气隙能够有效增大放电区域和延长气体反应时间，提高气体利用率；
3、通过通气室底部的排气孔，利用气压在通气室内形成气相空间，放电产生的等离子体通过排气孔以气泡的形式传质进入液体中，能够有效提高等离子体利用率；
4、以水为原料通过气液放电合成过氧化氢，相比以氢气/氧气为原料的方法安全性高，相比传统的蒽醌法等能耗低、不会产生有污染性的副产物。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明混合放电模式结构示意图；
图2为本发明辉光放电模式结构示意图；
图3为本发明等离子体反应区结构示意图；
图4为本发明单一辉光放电模式下放电图像；
图5为本发明混合模式下放电图像；
图6为本发明两种放电模式下的过氧化氢产率。
图中：1、通气室； 2、绝缘体密封塞；3金属长针电极；4、顶盖；5、反应瓶；6、底部地电极；7、高压电源；8、进气口；9、通气管；10、质量流量控制器；11、进水口；12、出水口；13、排气孔；14、介质管。
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。
请参阅图1-6，本发明实施例中，一种利用水下鼓泡多模式放电合成过氧化氢的装置，包括通气室1、绝缘体密封塞2、金属长针电极3、顶盖4、反应瓶5、底部地电极6和高压电源7，所述通气室1的顶部设置有开口并与绝缘体密封塞2连接，所述金属长针电极3贯穿绝缘体密封塞2并插入通气室1内，且通气室1顶端侧壁设置有进气口8，所述进气口8固定连接通气管9，所述通气管9的另一端固定连接质量流量控制器10，所述通气室1贯穿顶盖4并插入反应瓶5内部，所述底部地电极6位于反应瓶5底部，所述金属长针电极3的顶部电性连接高压电源7。
值得注意的是，所述金属长针电极3底部的水平高度高于通气室1底部的水平高度，外侧套有可移除的介质管14，所述通气室1的底部边缘开设有排气孔13。
值得注意的是，所述顶盖4分为上下两层，其中上层直径与反应瓶5的外径相同，下层的外径与反应瓶5的内径相同。
值得注意的是，所述反应瓶5包括进水口11和出水口12，所述进水口11位于反应瓶5的顶端侧壁，所述出水口12位于反应瓶5的底端侧壁。
实施例一：
结合图1和图5，混合放电模式：所述混合放电模式为辉光放电模式与火花放电模式的组合，此时金属长针电极3表面的介质管14被移除，金属长针电极3针尖区域为火花放电模式，其余部分为辉光放电模式，所述混合模式下，金针长针电极3处于裸漏状态，配合小口径的反应瓶5可以迅速产生高浓度的过氧化氢溶液，适用于应急性过氧化氢溶液的制备，在此模式下为了确保产生气泡同时保护高压电极，本装置在实际工作时应遵循先通气后通电以及制备完成时先断电后停止通气的原则以防止通气室进水难以鼓泡和倒吸水以至损伤金属长针电极；
实施例二：
结合图2和图4，单一辉光放电模式，在金属长针电极3的外部增设介质管14以实现均匀稳定的单一辉光放电模式，此模式下配合大口径的反应瓶5可实现过氧化氢溶液的连续生产，同时介质管14能够对金属长针电极3起到保护作用，有效的延长金属长针电极3的使用寿命，适用于储备性过氧化氢的制备。
实施例三：
添加120ml水，采用微秒脉冲电源驱动，分别用两种放电模式制取过氧化氢，如图6所示为生成的过氧化氢浓度随放电时间的变化曲线。从图6中可以得出，放电40分钟后混合模式放电生成的过氧化氢浓度为56.458mg/L，能量产率为520mg/kWh;辉光放电生成的过氧化氢浓度为6.55mg/L,能量产率为724mg/kWh。
制备过程及其原理：
首先从进水口11通入适量的水，然后接通气体并将通气室1放入水中，随后接通电路，接通电路后，首先在气相中发生气体的击穿放电，产生以高能电子和亚稳态粒子组成的等离子体。水分子与高能电子以及亚稳态粒子反应生成羟基，羟基的复合反应生成过氧化氢，最终形成过氧化氢溶液。
不对称的电极结构形成了极不均匀的电场，使得在混合模式放电中会在金属长针电极3底部尖端处首先产生火花放电，而在金属长针电极3的中部会产生均匀稳定的辉光放电。通气室1直接插在水中，利用气压在内部形成气相的放电空间，放电产生的等离子体由气泡带入液相中，能够有效降低传质损耗，提高等离子体利用率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种利用水下鼓泡多模式放电合成过氧化氢的装置，包括通气室（1）、绝缘体密封塞（2）、金属长针电极（3）、顶盖（4）、反应瓶（5）、底部地电极（6）和高压电源（7），其特征在于：所述通气室（1）的顶部设置有开口并与绝缘体密封塞（2）连接，所述金属长针电极（3）贯穿绝缘体密封塞（2）并插入通气室（1）内，且通气室（1）顶端侧壁设置有进气口（8），所述进气口（8）固定连接通气管（9），所述通气管（9）的另一端固定连接质量流量控制器（10），所述通气室（1）贯穿顶盖（4）并插入反应瓶（5）内部，所述底部地电极（6）位于反应瓶（5）底部，所述金属长针电极（3）的顶部电性连接高压电源（7），所述金属长针电极（3）底部的水平高度高于通气室（1）底部的水平高度，所述通气室（1）的底部边缘开设有排气孔（13）。
2.根据权利要求1所述的一种利用水下鼓泡多模式放电合成过氧化氢的装置，其特征在于：所述金属长针电极（3）的表面活动套接有可移除的介质管（14）。
3.根据权利要求1所述的一种利用水下鼓泡多模式放电合成过氧化氢的装置，其特征在于：所述顶盖（4）分为上下两层，其中上层直径与反应瓶（5）的外径相同，下层的外径与反应瓶（5）的内径相同。
4.根据权利要求1所述的一种利用水下鼓泡多模式放电合成过氧化氢的装置，其特征在于：所述反应瓶（5）包括进水口（11）和出水口（12），所述进水口（11）位于反应瓶（5）的顶端侧壁，所述出水口（12）位于反应瓶（5）的底端侧壁。
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