CN205235761U - 一种具有电极自清洁作用的等离子体反应装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有电极自清洁作用的等离子体反应装置，包括带有进气口和出气口的石英管体，所述石英管体外壁设置接地的铜电极，还包括：设置于所述石英管体轴心处的光催化电极，该光催化电极外接高压电源；以及围绕所述光催化电极设置的若干紫外灯。本实用新型利用等离子体和光催化过程产生的高能电子和其他各种自由基，将有机废气分子氧化成二氧化碳和水，放电极上设置TiO2催化剂，可有效抑制气溶胶沉积在电极上，具有电极自清洁作用。
Description
技术领域
本实用新型涉及大气污染物控制技术领域，尤其涉及一种治理有机废气的自清洁电极等离子体反应装置。
背景技术
低温等离子体技术处理有机废气是新型净化方法。低温等离子体被认为是物质的第4种存在形态(除固态、液态和气态之外)，是由电子、离子、中性粒子和自由基组成的导电性流体。低温等离子体可由气体在直流电晕放电、脉冲电晕放电、介质阻挡放电等过程中产生。低温等离子体包含的高能电子、羟基自由基、氧原子等活性粒子共同作用可将有机废气降解成CO2、H2O和其他产物。
例如，授权公告号为CN202231939U的中国实用新型专利公开了一种等离子体反应器。这种等离子体反应器，包括：上部电极、下部电极和电源，所述下部电极和所述电源连接，所述上部电极与所述下部电极之间形成等离子体反应腔室，所述上部电极是中部外凸的曲面体。许多学者的实验研究及示范工程表明低温等离子体技术处理VOCs具有适用范围广、一次性投资成本低、能量利用率高、设备维护简单、费用低等优点。
但其中仍存在两个关键问题一直制约着该技术的大范围推广使用：
1)去除率低：《重点区域大气污染防治“十二五”规划》规定各行业需进行VOCs控制，净化率不小于90％。低温等离子体处理易降解VOCs废气(如甲硫醚、乙硫醇、二甲胺等)时去除率高，可达95％以上。但处理芳香烃类VOCs(如苯、甲苯、二甲苯等)去除率在50％-70％之间，达不到《重点区域大气污染防治“十二五”规划》的净化要求。
2)存在安全隐患：低温等离子体去除有机废气示范工程曾有发生火灾和爆炸事故。事故调查结果及相关研究表明，低温等离子体在去除有机废气过程中部分有机废气分子不完全降解会聚合生成气溶胶。气溶胶通过自由沉降和静电吸附作用，易积聚在放电极表面。放电极不及时清理保养将引起设备放电异常，如火花放电，可能导致引燃积聚在电极上的二次污染物，从而引起火灾或爆炸事故。
实用新型内容
本实用新型提供一种具有电极自清洁作用的等离子体反应装置，利用等离子体和光催化过程产生的高能电子和其他各种自由基，将有机废气分子氧化成二氧化碳和水，放电极上设置TiO2催化剂，可有效抑制气溶胶沉积在电极上，具有电极自清洁作用。
一种具有电极自清洁作用的等离子体反应装置，包括带有进气口和出气口的石英管体，所述石英管体外壁设置接地的铜电极，还包括：设置于所述石英管体轴心处的光催化电极，该光催化电极外接高压电源；以及围绕所述光催化电极设置的若干紫外灯。
本实用新型有效将光催化和等离子体结合在一起，大大提高有机废气的去除率。放电电极表面聚集大量光催化作用产生的超氧负离子、羟基自由基等活性粒子以及介质阻挡放电产生的低温等离子体，可及时将放电极表面接触的气溶胶氧化为CO2和H2O等，从而避免放电极二次污染物大量积聚。另外，本实用新型研究表明在低温等离子体环境中加入光催化剂，可增强VOCs降解时CO2的选择性，减少气溶胶生成。
本专利采用光催化电极介质阻挡放电产生低温等离子体，通过低温等离子体协同光催化，提高有机废气去除率，同时抑制放电极气溶胶积聚，消除安全隐患。
优选地，所述光催化电极具有3D网状多孔结构，包括2-50nm的介孔和大于50且小于100nm的大孔，孔隙率为80-90％。
本实用新型的光催化电极本身可直接采用本领域公知的光催化电极及制备方法，本实用新型中，所述光催化电极为负载TiO2的烧结金属纤维制备而成的电机，所述烧结金属纤维为镍铬合金纤维。光催化电极用高压导线与外置高压电源连接。
优选地，所述石英管体两端由绝缘固定座封端，所述绝缘固定座上带有用以固定放电电极和紫外灯的卡槽。所述绝缘固定座为聚四氟乙烯绝缘固定座，放电电极和所有紫外灯均安装在该绝缘固定座上。
优选地，所述紫外灯的设置以放电电极为中心均匀环绕在放电电极外。
进一步优选地，紫外灯与放电电极之间的间距为5mm～10mm。
更进一步地，紫外灯的设置数量为2～4根。
更进一步地，所述紫外灯释放波长254nm紫外光线。
紫外灯作为光催化介质的光源，其设置距离和设置密度的优化可提高光催化效率，进一步减少气溶胶的生成。
优选地，所述石英管体的长度为180mm～250mm，内径为20～40mm，放电电极的直径为1mm～2mm。石英管体的壁厚为3-5mm。
最优选地，所述石英管体的长度为200mm，内径为24mm，放电电极的直径为1.5mm。
利用本实用新型处理有机废气的方法如下：将有机废气从进气口通入石英管体内，放电电极接入高压电源，铜电极接地，紫外灯照射放电电极，对有机废气进行净化处理，净化后气体由出气口排出。
优选地，所述高压电源的电压为30～100kV，所述紫外灯的功率为150w～200w；所述有机废气在石英管体内的停留时间1s～5s。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优势：
本实用新型在相同能耗下比传统等离子体反应器对有机废气有更高去除率。光催化电极的设置可以避免有机废气分解过程形成气溶胶并沉积在电极上，减少安全隐患。
附图说明
图1为本实用新型装置的结构示意图；
图2a和图2b为光催化电极电镜扫描图(5000×)(图2a为负载TiO2前；图2b为负载TiO2后)；
图3甲苯在各种反应器中的降解情况图；
图4不同电极在长时间运行中对甲苯的降解情况图；
图中：1-石英管体；2-放电电极；3-铜电极；4-紫外灯；5-绝缘固定座；6-进气口；7-出气口。
具体实施方式
如图1所示，一种等离子体反应器，包括石英管体1，石英管体1的两端由绝缘固定座5封端，绝缘固定座为聚四氟乙烯制成，绝缘固定座上带有卡槽，石英管体一端并靠近对应绝缘固定座处设有进气口6，石英管体另一端且靠近对应绝缘固定座处设有出气口7，石英管体1外壁上设置铜电极3，铜片包覆在石英管体外，接地。
石英管体1的轴心处设置放电电极2，放电电极2为光催化电极，负载TiO2的烧结金属纤维(SMF)制备而成，光催化电极用高压导线与外置高压电源连接。本实施方式中，烧结金属纤维(SMF)的成分为镍铬合金纤维，具有3D网状多孔结构，孔径以介孔(2-50nm)和大孔(＞50nm)为主，孔隙率为80-90％，其电镜扫描图如图2所示。
放电电极2外周环绕紫外灯4，紫外灯释放波长254nm紫外光线，紫外灯与放电电极之间的间距为5mm～10mm，紫外灯的设置数量为2～4根。放电电极和所有紫外灯的两端均与对应绝缘固定座的卡槽固定。
石英管体的壁厚3-5mm，长度为180mm～250mm，内径为20～40mm，放电电极的直径为1mm～2mm。
将有机废气从进气口通入石英管体内，放电电极接入高压电源，铜电极接地，紫外灯照射放电电极，对有机废气进行净化处理，净化后气体由出气口排出。
实施例1
采用如图1所示反应器降解甲苯废气，石英管体长200mm，内径24mm，光催化电极直径1.5mm。甲苯废气的进口浓度为160mg/m3，停留时间为4s。
甲苯废气在配置有不同放电极的反应器中的降解情况如图3所示，从图中可以看出在紫外灯打开的情况下，具有光催化电极(SMF+TiO2+UV)的反应器对甲苯的去除率要远高于其他电极下的反应器。当输入电压在40kV时，甲苯的去除率达到90％以上。
图4为具有光催化电极的等离子体反应器(本实用新型装置)和相同尺寸下的普通电极反应器长时间运行下对甲苯的去除结果图，图4中可以看出，光催化电极的等离子体反应器稳定运行25天内，甲苯的去除率均在90％以上，去除率无明显下降。而普通反应器刚开始运行时，甲苯去除率在61％左右，运行25天后，去除率下降至54％。由图4的结果可知本实用新型光催化电极的设置可以避免有机废气分解过程形成气溶胶并沉积在电极上，延长电极使用寿命，减少安全隐患。
以上所述仅为本实用新型专利的具体实施案例，但本实用新型专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的专利范围之中。
Claims (7)
1.一种具有电极自清洁作用的等离子体反应装置，包括带有进气口和出气口的石英管体，所述石英管体外壁设置接地的铜电极，
其特征在于，还包括：
设置于所述石英管体轴心处的光催化电极，该光催化电极外接高压电源；
以及围绕所述光催化电极设置的若干紫外灯。
2.根据权利要求1所述等离子体反应装置，其特征在于，所述光催化电极具有3D网状多孔结构，包括2-50nm的介孔和大于50且小于100nm的大孔，孔隙率为80-90％。
3.根据权利要求1所述等离子体反应装置，其特征在于，所述石英管体两端由绝缘固定座封端，所述绝缘固定座上带有用以固定放电电极和紫外灯的卡槽。
4.根据权利要求1所述等离子体反应装置，其特征在于，所述紫外灯的设置以放电电极为中心均匀环绕在放电电极外。
5.根据权利要求4所述等离子体反应装置，其特征在于，紫外灯与放电电极之间的间距为5mm～10mm。
6.根据权利要求5所述等离子体反应装置，其特征在于，紫外灯的设置数量为2～4根。
7.根据权利要求1所述等离子体反应装置，其特征在于，所述石英管体的长度为180mm～250mm，内径为20～40mm，放电电极的直径为1mm～2mm。
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