CN205109651U - 用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器，包括支架，支架内设有内置空腔的反应套筒；反应套筒的空腔上侧、下侧分别设置有上电极和下电极；反应套筒上端、下端分别设有上进气口、下出气口贯通其侧壁后与反应套筒的空腔相连通；支架上端设高压端接口与上电极相连接，支架下端设接地端接口与下电极相连接。支架为不锈钢材料制成的不锈钢支架；反应套筒包括石英玻璃材料制成的上、下不封口的石英玻璃套筒，石英玻璃套筒的上、下两端分别通过聚四氟乙烯材料制成的封盖与底座封口；石英玻璃套筒与封盖和底座之间分别设置有氟胶密封圈密封；上进气口、下出气口分别贯穿封盖、底座后与石英玻璃套筒、封盖和底座构成的密闭空间相连通。

Description

用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器

技术领域

本实用新型涉及吸附剂再生技术领域，具体涉及有机废气非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器。

背景技术

吸附法是应用最广泛的有机废气处理方法。吸附过程的主要原理是通过吸附剂的表面范德华力和静电作用力把吸附质吸附在吸附剂的表面，同时吸附剂表面的吸附质分子也会通过脱附过程重返气相或液相中，最终达到吸附平衡。吸附法具有去除率高、工艺成熟、成本低廉、能耗低、易于操作等优点。理想的吸附剂一般具有较高的比表面积、吸附量大、吸附可逆、表面疏水性强、热稳定性高、再生容易、成本低廉等特点。常见的吸附剂有活性炭、粘土类吸附剂、Tenax系列的有机吸附剂、沸石分子筛、活性碳纤维等。

其中，活性炭是应用最广泛的吸附剂。但是活性炭理化性质不稳定导致其再生难，活性炭能与大分子VOCs发生聚合反应而无法回收导致二次污染等问题。研究表明粘土类吸附剂(如膨润土)经过季铵盐改性，加入中性胺，并以硅酸四乙酯作为无机前驱体，可制备出多孔粘土异质材料(PorousClayHeterostructures,PCH)，对VOCs有较理想的吸附性能，而且膨润土理化性质稳定。我国拥有全世界最丰富的膨润土矿产资源，占全世界总量的60％左右，分布在23个省、市、自治区，400多处矿点，已探明的储量就已超过20亿吨。因此，膨润土是一种值得关注的吸附材料，在今后的有机废水、废气的吸附处理以及环境污染的修复等领域中有良好的应用潜力。

在吸附工艺中，当吸附剂吸附饱和后会失去继续吸附的能力，由于吸附剂在吸附有害物质后，吸附剂自身成为一种有毒有害的废物，需要正确的处理，一般对吸附剂进行再生。吸附剂再生是指在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去，从而使吸附饱和的吸附剂能够重复使用的处理过程。目前常用的再生方法有：加热法、蒸汽法、溶剂法、臭氧化法及生物法。其中热再生发是目前应用最广泛，技术最成熟的再生方法，但是它需要消耗高热量且需要高温条件，并且吸附剂自身容易损失。

等离子技术是指利用等离子体获得高温热源的一项技术。在化学工业中，利用等离子技术能实现一系列的反应过程。其净化作用机理包含两个方面：一是在产生等离子体的过程中，高频放电所产生的瞬间高能足够打开一些有害气体分子的化学能，使之分解为单质原子或无害分子；二是等离子体中包含大量的高能电子、正负离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基，这些活性粒子和部分有机气体分子碰撞结合，在电场作用下，使有机气体分子处于激发态。当有机气体分子获得的能量大于其分子键的结合能时，机气体分子的化学键断裂，直接分解成单质原子或由单一原子构成得无害气体分子。同时产生的大量·OH、·HO₂、·O等活性自由基和氧化性极强的O₃，与有害气体分子发生化学反应，最终生成无害产物。由于等离子体技术的无选择强氧化性，所以该技术更加适合于本身吸附材质不易氧化的非碳基等吸附剂，而不适用于碳基吸附剂。采用等离子体技术将非碳基吸附剂中的有机分子在强氧化性自由基的作用下降解为无害的CO₂和H₂O，能够实现有机分子的高效降解，实现吸附剂的再生。而且等离子体放电过程中的氧化性基团能够改变吸附剂本身的化学特性，促进化学吸附，从而提高吸附剂的吸附性能。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器及方法。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器，包括支架，所述支架内设置有内置空腔的反应套筒；所述反应套筒的空腔上侧、下侧分别设置有上电极和下电极；所述反应套筒上端、下端分别设置有上进气口、下出气口贯通其侧壁后与反应套筒的空腔相连通；所述支架上端设置高压端接口与上电极相连接，所述支架下端设置接地端接口与下电极相连接。

作为对本实用新型所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器的改进：所述支架为不锈钢材料制成的不锈钢支架；所述反应套筒包括石英玻璃材料制成的上、下不封口的石英玻璃套筒，所述石英玻璃套筒的上、下两端分别通过聚四氟乙烯材料制成的封盖与底座封口；所述石英玻璃套筒与封盖和底座之间分别设置有氟胶密封圈密封；所述上进气口、下出气口分别贯穿封盖、底座后与石英玻璃套筒、封盖和底座构成的密闭空间相连通。

作为对本实用新型所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器的改进：所述上电极包括上电极板，所述上电极板设置有均匀分布的气孔和针孔；所述针孔呈六边形分布；所述针孔上设置有不锈钢材质制成的电极针。

作为对本实用新型所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器的改进：所述电极针的尖针长度10～20mm，尖针顶端直径0.5～1mm；尖针间隔10～15mm。

作为对本实用新型所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器的改进：所述上电极板的上侧面设置有调整其高度的连接杆Ⅱ，所述连接杆Ⅱ贯穿封盖后与高压端接口相连。

作为对本实用新型所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器的改进：所述下电极包括不锈钢粉末烧结板构成的下电极板；所述下电极板中的平均孔隙是2～5μm，厚度2～5mm；所述下电极板通过连接杆Ⅰ贯穿底座后与接地端接口相连。

作为对本实用新型所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器的改进：所述连接杆Ⅰ、连接杆Ⅱ与底座、封盖之间分别通过聚四氟乙烯密封圈密封。

用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应方法，包括以下步骤：1)将需要处理的饱和吸附剂均匀地平铺在下电极板上；2)调节上电极板与下电极板之间的距离，控制电极针的针端与下电极板的间距；3)将上进气口连接氧气体或空气，并控制流量计调节至一定的流量气体自上而下流动至下出气口排出；4)上电极板接负高压，下电极板接地；打开高压电源开始高压火花放电；5)下出气口(6)处基本上检测不到有机物质时，再生结束；6)取出处理后的吸附剂，准备进行下一次再生。

作为对本实用新型所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器的改进：所述步骤2)中，电极针的针端与下电极板的间距为1～2cm；所述步骤3)中，控制气体在放电间隙的流速在0.001～0.003m/s；所述步骤4)中，将电压调节至5～10kV/cm。

作为对本实用新型所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器的进一步改进：所述步骤5)的放电时间控制在3～4小时。

吸附工艺中，吸附剂吸附饱和后失去继续吸附的能力，使之成为一种二次污染物，并需要处理和处置，为此本实用新型设计了一种新颖的等离子体再生反应器，对吸附剂高效再生，实现吸附剂的循环使用，降低吸附工艺的运行成本。

采用等离子体方法能够有效氧化吸附的有机废气，通过等离子体放电产生的强氧化性自由基O、OH、O₃等，将有机分子分解为CO₂和H₂O，实现无害化再生，不会产生二次污染。另外，在等离子体放电氧化过程能够使吸附剂表面形成丰富的孔隙，有助于物理吸附；同时等离子体放电过程中产生的强氧化性自由基能够与吸附剂发生化学反应，在吸附剂中形成更多的氧化性基团，有助于化学吸附。与传统的热再生相比，等离子体再生不存在二次污染问题，且再生效果好，再生速度快，具有天然的优势。

与现有技术相比，本实用新型具有的创新点：

1)利用等离子体的方法对吸附有机废气的非碳基吸附剂进行再生，相对于常规的热再生法普遍存在能耗高、吸附剂容易失活和造成二次污染等问题，等离子体再生法能耗仅为热再生的1/4，而且再生后有机废气完全转化为无害的CO₂和H₂O，再生效果较为理想。

2)本反应装置采用流通式设计，不锈钢粉末烧结板作为电极，能够使含有大量氧化性活性自由基的气体均匀的通过吸附剂再生层，同时含氧气体的输入为等离子体过程提供源源不断的活性自由基，吸附剂中有机废气氧化充分，再生效果好。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本实用新型的主要结构示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是图1实际使用时，等离子体吸附剂再生流程图；

图4是图1等离子体再生和热再生比较(环己酮的吸附量和能耗)。

具体实施方式

实施例1、图1～图4给出了一种用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器。

用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器包括不锈钢材料制成的不锈钢支架4；在不锈钢支架4内设置有反应套筒；该反应套筒包括石英玻璃材料制成的上、下不封口的石英玻璃套筒8，石英玻璃套筒8的上、下两端分别通过聚四氟乙烯材料制成的封盖9与底座10封口；石英玻璃套筒8与封盖9和底座10之间分别设置有氟胶密封圈密封；封盖9、底座10上分别设置有上进气口7、下出气口6，该上进气口7、下出气口6分别贯穿封盖9、底座10后与石英玻璃套筒8、封盖9和底座10构成的密闭空间相连通。不锈钢支架4上端设置高压端接口与上电极相连接，不锈钢支架4下端设置接地端接口与下电极相连接。

石英玻璃套筒8的上侧、下侧分别设置有上电极和下电极(上电极和下电极分别贯穿不锈钢支架4的上端和下端后与高压端和接地端连接)；上电极包括上电极板5，上电极板5设置有均匀分布的气孔和针孔，而针孔呈六边形分布，在针孔上设置有不锈钢材质制成的电极针2，电极针2的尖针长度10～20mm，尖针顶端直径0.5～1mm；尖针间隔10～15mm。由于石英玻璃套筒8为圆形，所以呈六边形分布的电极针2的优势在于放电强度较均匀地分布在放电区域中，使得整个电场中的吸附剂均能得到更好的再生。上电极板5的上侧面设置有调整其高度的连接杆Ⅱ，所述连接杆Ⅱ贯穿封盖9后与高压端口相连，电极针2经连接杆Ⅱ接高压端口(接负高压)作为放电阴极。下电极包括不锈钢粉末烧结板构成的下电极板3；所述下电极板3中的平均孔隙(由于本实用新型中的下电极板3采用的是不锈钢粉末烧结板，而不锈钢粉末烧结板是有一定的孔隙的，不是致密的)是2～5μm，厚度2～5mm；下电极板3通过连接杆Ⅰ贯穿底座10后与接地端口相连。下电极板3(不锈钢金属粉末板)经连接杆Ⅰ连接接地端口(接地)作为放电阳极。以上所述的连接杆Ⅰ、连接杆Ⅱ与底座10、封盖9之间分别通过聚四氟乙烯密封圈密封。

本实用新型优选电晕放电为等离子体反应段的放电方式，采用负电晕形式。因为放电过程中带电粒子向阳极板移动，负电晕的方式有助于有效控制吸附剂固定在下电极板3(不锈钢金属粉末板)上；采用不锈钢金属粉末板(下电极板3)作为阳极板，其多孔特性能够使气体有效均匀通过，但是其孔隙很小，2～5μm的微孔能够有效过滤吸附剂颗粒，所以下电极板3不仅能产生电晕放电，而且能有效阻止吸附剂颗粒随气体流动逃逸；采用针电极(电极针2)，能够强化放电，产生流光电晕，产生大量的活性氧化自由基，高效氧化吸附剂中的有机组分，实现高效无害再生。

在电晕放电过程中，放电间隙直接决定着流光电晕的发展，放电间隙越大，放电也就越困难，形成流光电晕所需的电压也就越高。在实际的过程中，间距越大，再生效果越好，然而目前的高压电源的输出电压有上限，放电间距大于20cm时电源无法提供最大的放电电压，产生火花放电。因此结合反应器本身和高压电源特性，其间距一般为1～2cm时最佳。

金属尖端物布置越多，流光电晕区域越大，有助于活性物质的产生，但是，金属尖端物过密，容易造成各个放电区域的干扰，形成流光闭塞现象，所以，为了提高电晕放电的能量效率，上电极板5表面附着的电极针2的长度为10～20mm，尖针顶端直径0.5～1mm；任意相邻电极针2之间的间隔为10～15mm。

待处理的饱和吸附剂均匀堆放于等离子体反应段的下电极板3(不锈钢粉末烧结导电板)上，从上进气口7通入纯氧或者空气，等离子体反应段(上电极板5和下电极板3之间的空腔)接通电源进行放电反应，在等离子体反应段(上电极板5和下电极板3之间的空腔)中通入气体，可以有效地增加电场中强氧化性自由基的数量，如O·、OH·、O₃等，等离子体与吸附剂中的有机污染物发生电子碰撞和自由基反应，这些强氧化性自由基可以将吸附剂中吸附的有机物有效地氧化分解，达到再生的目的。有机废气降解后形成新的孔隙和丰富的表面结构，有助于下一步的物理吸附。同时氧化性化学基团可以喝吸附剂结合，有助于下一步的化学吸附，从而提高吸附性能。

用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应方法：包括以下步骤：

1、将需要处理的饱和吸附剂均匀地平铺在下电极板3(不锈钢粉末烧结板)上；

2、调节上电极板5与下电极板3之间的距离，控制电极针2的针端与下电极板3的间距为1～2cm；

3、将上进气口7连接氧气体或空气，并控制流量计调节至一定的流量，一般控制气体在放电间隙的流速在0.001～0.003m/s；气体自上而下流动至下出气口6排出；

4、上电极板5接负高压，下电极板3接地；打开高压电源，将电压调节至5～10kV/cm(间距)，开始高压火花放电；。

5、放电时间控制在3～4小时后，下出气口6处基本上检测不到有机物质，再生结束。

6、取出处理后的吸附剂，进行下一次再生。同时定期清洗上电极板5和下电极板3。

应用实例：采用本实用新型的等离子体再生反应器对吸附饱和的膨润土进行再生。电极针2的针端与下电极板3的间距即极间距为1cm，放电电压为8kV。向反应器中注入氧气，控制氧气在放电间隙的流速为0.001m/s，放电3小时后结束再生，取出吸附剂后进行环己酮的吸附实验。实验结果表明，与传统的热再生相比，采用等离子体再生3小时后，已能取得和热再生相同的再生效果，环己酮吸附量大约为135mg/g，而此时等离子体再生所消耗的能量为仅为热再生的1/4。具体结果如图4所示。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的一个具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器，其特征在于：包括支架，所述支架内设置有内置空腔的反应套筒；

所述反应套筒的空腔上侧、下侧分别设置有上电极和下电极；

所述反应套筒上端、下端分别设置有上进气口（7）、下出气口（6）贯通其侧壁后与反应套筒的空腔相连通；

所述支架上端设置高压端接口（1）与上电极相连接，所述支架下端设置接地端接口与下电极相连接。

2.根据权利要求1所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器，其特征在于：所述支架为不锈钢材料制成的不锈钢支架（4）；

所述反应套筒包括石英玻璃材料制成的上、下不封口的石英玻璃套筒（8），所述石英玻璃套筒（8）的上、下两端分别通过聚四氟乙烯材料制成的封盖（9）与底座（10）封口；

所述石英玻璃套筒（8）与封盖（9）和底座（10）之间分别设置有氟胶密封圈密封；

所述上进气口（7）、下出气口（6）分别贯穿封盖（9）、底座（10）后与石英玻璃套筒（8）、封盖（9）和底座（10）构成的密闭空间相连通。

3.根据权利要求1或者2所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器，其特征在于：所述上电极包括上电极板（5），所述上电极板（5）设置有均匀分布的气孔和针孔；

所述针孔呈六边形分布；

所述针孔上设置有不锈钢材质制成的电极针（2）。

4.根据权利要求3所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器，其特征在于：所述电极针（2）的尖针长度10～20mm，尖针顶端直径0.5～1mm；尖针间隔10～15mm。

5.根据权利要求4所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器，其特征在于：所述上电极板（5）的上侧面设置有调整其高度的连接杆Ⅱ，所述连接杆Ⅱ贯穿封盖（9）后与高压端接口（1）相连。

6.根据权利要求5所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器，其特征在于：所述下电极包括不锈钢粉末烧结板构成的下电极板（3）；所述下电极板（3）中的平均孔隙是2～5μm，厚度2～5mm；

所述下电极板（3）通过连接杆Ⅰ贯穿底座（10）后与接地端接口相连。

7.根据权利要求6所述的用于非碳基吸附剂再生的等离子体放电反应器，其特征在于：所述连接杆Ⅰ、连接杆Ⅱ与底座（10）、封盖（9）之间分别通过聚四氟乙烯密封圈密封。