CN204448027U - 一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置 - Google Patents

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王洪明
吴新谦
吴晓东
寿铁邦
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Abstract

本实用新型公开一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置，电机传动于履带，履带绕在石英管反应器上，石英管反应器的两端具有进气口和出气口，进气口中借助密封轴承安装进气管的接头，石英管反应器的中间为放电区，放电区穿插在接地线圈中，接地线圈的直径大于石英管反应器的外径，接地线圈架设在接地支架上，石英管反应器的放电区内部借助转动轴承架设电晕线，电晕线由石英管反应器出气口穿出并与交流电源连接。本实用新型操作简单、环境友好、经济，可用于大规模生产，得到吸附剂为颗粒状，能提高吸附剂的穿透时间和CH4吸附量，产品能够有效富集和分离0.2%浓度的CH4气体或用于可挥发性有机化合物（VOCs）的治理领域。

Description

一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置
技术领域
本实用新型属于等离子体改性活性炭吸附剂的制备技术领域，具体涉及一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置及其方法。
背景技术
甲烷的温室效应是CO2的21倍，对大气臭氧层的破坏能力为CO2的7倍，甲烷排入大气对大气环境的破坏，已经成为全世界共同面临的重大环境问题。自20世纪70年代以来，中国政府加强了对环保工作的力度，颁布并采取了一些防治有机废气的政策和措施，以减少有机废气的排放，并收到了一定的效果。但从总体来看，大气环境污染和破坏还没有完全被控制。目前，我国年排放VOCs约1800万吨，《重点区域大气污染防治“十二五”规划》更是提出，“十二五”期间将针对煤炭、石化、污水处理厂、有机化工、合成材料、化学药品原药制造、塑料产品制造、装备制造涂装等重点行业，完善VOCs的污染防治体系，以期达到改善空气质量和污染减排的目的。由此可见，中国的环境保护仍任重而道远。
甲烷是有机废气中最常见的小分子有机物。变压吸附（PSA）是目前有机废气工业化应用的主要方法之一，吸附剂则是变压吸附技术分离效果的关键因素。许多研究N2、CO2、CH4和O2在活性炭上的吸附平衡的实验结果表明：活性炭对甲烷具有优先吸附的性能。为了提高活性炭对CH4的吸附量，采用低温等离子体改性的办法，改变活性炭表面的表面官能团，提高N2/CH4的分离系数和常压穿透时间。
低温等离子体表面处理技术是最新应用于炭材料改性的一种新方法，它既能改变炭材料表面的化学性质，又能控制材料的界面物性，在炭材料改性方面表现了巨大的潜力和应用前景。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提出一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置，操作简单、环境友好、经济，可用于大规模生产。
为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：
一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置，包括石英管反应器、履带、电机、接地线圈、接地支架和电晕线，电机传动于履带，履带绕在石英管反应器上，石英管反应器的两端具有进气口和出气口，进气口中借助密封轴承安装进气管的接头，石英管反应器的中间为放电区，放电区穿插在接地线圈中，接地线圈的直径大于石英管反应器的外径，接地线圈架设在接地支架上，石英管反应器的放电区内部借助转动轴承架设电晕线，电晕线由石英管反应器出气口穿出并与交流电源连接。
所述低温等离子体改性装置为均匀转动装置。
所述出气口安装出气管的接头，出气管的接头中心开设电晕线孔。
所述石英管反应器内径Ф40-49mm，电晕线直径Ф0.8mm，接地线圈以间隔1～1.5cm绕匝在石英管反应器上，电机每分钟6～7转。
采用上述方案后，本实用新型的优点在于：
一、本实用新型原料价廉，制备条件成熟，操作简单，因此易于推广产业化和市场化；
二、整个过程不影响材料的体相结构，作用时间短（几到十几分钟），效率高；
三、得到低温等离子体改性的活性炭吸附剂为颗粒状，吸附分离效果得到提高；
四、本实用新型属于干式工艺，无需进行废液处理，成本较低，整个生产过程几乎无污染，符合可持续发展的要求，是一种新型环保工艺。
总之，本实用新型操作简单，工艺简单，得到吸附剂为颗粒状，能提高吸附剂的穿透时间和CH4吸附量。本实用新型属于干式工艺，在生产过程中几乎无污染，环境友好、经济，可用于大规模生产，符合可持续发展的要求，是一种环保型生产工艺。本实用新型的产品能够有效用于0.2%浓度的CH4气体。
附图说明
图1为本实用新型装置的整体装配图；
图1A为图1的A-A剖视图；
图2为本实用新型实施例1中活性炭原样的扫描电镜图；
图3为本实用新型实施例1中所得20KV/200Hz/15min/N2气氛下产品的扫描电镜图；
图4为本实用新型实施例2中所得25KV/100Hz/15min/空气气氛下产品的扫描电镜图；
图5为本实用新型实施例3中所得20KV/100Hz/10min/CO2气氛下产品的扫描电镜图；
图6为本实用新型实施例1、实施例2和实施例3中所得产品与原样傅里叶红外光谱比较图；
图7为本实用新型实施例1、实施例2和实施例3中所得产品与原样CH4、N2常温变压吸附曲线比较图；
图8为本实用新型实施例1、实施例2和实施例3中所的产品与原样常温常压穿透曲线比较图。
标号说明
石英管反应器1，进气口11，出气口12，进气管13，密封轴承14，电晕线孔15，出气管16，履带2，电机3，接地线圈4，接地支架5，绝缘材料51，电晕线6，转动轴承61，交流电源7。
具体实施方式
如图1和图1A所示，本实用新型揭示的一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置，主要包括石英管反应器1、履带2、电机3、接地线圈4、接地支架5和电晕线6。
电机3传动于履带2，履带2绕在石英管反应器1上，电机3通过履带2带动石英管反应器1旋转，电机3提供石英管反应器1转动动力。
石英管反应器1的两端具有进气口11和出气口12。进气口11中借助密封轴承14安装进气管13的接头，以保证气密性和进气管13不随石英管反应器1转动，石英管反应器1的中间为放电区，放电区穿插在接地线圈4中，接地线圈4的直径大于石英管反应器1的外径，接地线圈4架设在接地支架5上固定，以保证接地线圈4不与石英管反应器1转动。本实用新型接地支架5的底部还安装绝缘材料51，防止接地支架5与地连接形成通路。石英管反应器1的放电区内部借助两个转动轴承61架设电晕线6，使放电区能够保证气体的流通性和电晕线6不随石英管反应器1转动，电晕线6由石英管反应器1出气口12穿出并与交流电源7连接。出气口12安装出气管16的接头，出气管16的接头中心开设电晕线孔15。
该装置通过转动电机提供动力，使低温等离子体装置转动改性活性炭颗粒，来达到均匀改性的目的。其中，等离子体被称为物质的第4种形态，由大量的高能电子、离子、分子、激发态原子、光子和自由基组成，其总体的正负电荷数相等，宏观上保持电中性，但具体表现出很高的化学活性。经过放电接触，这种第4种形态可以改变改性活性炭表面的表面官能团，进而改变对被吸附物质的吸附性能。
实施例1：
（1）图2是椰壳活性炭AC原样的扫描电镜图，对椰壳活性炭AC使用前进行筛选，10~16目过筛，得到的活性炭置于装有体积约为活性炭体积的2倍去离子水的烧杯中，将其置于装有水溶液的数控超声波清洗器中，在室温下超声20min，去除活性炭中的粉末和油类物质，用去离子水洗涤，抽滤，105℃干燥；
（2）称取10g（1）中活性炭平铺于反应器的放电区，组装完整，检查反应器进出口的气密性；
（3）通入50ml/min的N2并开动电机使其转动4~5min，然后调节交流电源的频率（100~300Hz）、电压（15~25KV）和反应时间（5~15min），即得到N2气氛下改性最佳条件的活性炭，最佳条件是20KV/200Hz/15min/N2。
实施例2：
（1）对椰壳活性炭AC使用前进行筛选，10~16目过筛，得到的活性炭置于装有体积约为活性炭体积的2倍去离子水的烧杯中，将其置于装有水溶液的数控超声波清洗器中，在室温下超声20min，去除活性炭中的粉末和油类物质，用去离子水洗涤，抽滤，105℃干燥，1mol/L盐酸溶液浸泡12h，去离子水洗至中性，105℃干燥；
（2）称取10g（1）中活性炭平铺于反应器的放电区，组装完整，检查反应器进出口的气密性；
（3）通入50ml/min的空气并开动电机使其转动4~5min，然后调节交流电源的频率（100~300Hz）、电压（15~25KV）和反应时间（5~15min），即得到空气气氛下改性最佳条件的活性炭，最佳条件是25KV/100Hz/15min/空气。
实施例3：
（1）对椰壳活性炭AC使用前进行筛选，10~16目过筛，得到的活性炭置于装有体积约为活性炭体积的2倍去离子水的烧杯中，将其置于装有水溶液的数控超声波清洗器中，在室温下超声20min，去除活性炭中的粉末和油类物质，用去离子水洗涤，抽滤，105℃干燥；
（2）称取10g（1）中活性炭平铺于反应器的放电区，组装完整，检查反应器进出口的气密性；
（3）通入50ml/min的CO2并开动电机使其转动4~5min，然后调节交流电源的频率（100~300Hz）、电压（15~25KV）和反应时间（5~15min），即得到CO2气氛下改性最佳条件的活性炭，最佳条件是20KV/100Hz/10min/CO2。
本实用新型所得产物的形貌和性能等测定可以分别采用扫描电子显微镜（SEM）、傅立叶变红外光谱仪（FT-IR）、等温变压吸附曲线（PSA）、常压穿透曲线等进行表征与测量。以上三个实施例中所得产品的测定结果表明：放电条件20KV/200Hz/15min/N2下得到的改性活性炭具有最优的甲烷吸附量，从图2、3、4和5中可见，N2气氛得到的此产品比原样以及其它产品孔径更均一，而且表面杂质减少，可能是去离子水洗涤和等离子体烧蚀的原因。从图6中可见，N2气氛下得到的产品在3400~3500cm-1有羟基出现，原样和N2气氛下在2870 cm-1处都显示有甲基，在2300cm-1附近又同时出现-C≡C，但N2气氛下产品的吸收峰强明显高于原样品和其它产品，说明低温等离子体改性确实改变了活性炭表面的官能团，使其表面性质发生变化。图7和图8是CH4和N2的常温变压吸附曲线和常温穿透曲线，由图可以看出经过转动低温等离子体改性后的活性炭对CH4的吸附量达到了32.3cm3/g，比原样提高了17.5%，穿透时间也由200s增加到291s，提高了45.5%。

Claims (5)

1.一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置，其特征在于：包括石英管反应器、履带、电机、接地线圈、接地支架和电晕线，电机传动于履带，履带绕在石英管反应器上，石英管反应器的两端具有进气口和出气口，进气口中借助密封轴承安装进气管的接头，石英管反应器的中间为放电区，放电区穿插在接地线圈中，接地线圈的直径大于石英管反应器的外径，接地线圈架设在接地支架上，石英管反应器的放电区内部借助转动轴承架设电晕线，电晕线由石英管反应器出气口穿出并与交流电源连接。
2.根据权利要求1所述的一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置，其特征在于：低温等离子体改性装置为均匀转动装置。
3.根据权利要求1所述的一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置，其特征在于：所述出气口安装出气管的接头，出气管的接头中心开设电晕线孔。
4.根据权利要求1所述的一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置，其特征在于：所述石英管反应器内径Ф40-49mm，电晕线直径Ф0.8mm，接地线圈以间隔1～1.5cm绕匝在石英管反应器上，电机每分钟6～7转。
5.根据权利要求1所述的一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置，其特征在于：所述的改性活性炭吸附剂为10~16目的活性炭颗粒。
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