CN208911781U - 低温等离子体协同催化反应单元以及基于该反应单元的VOCs处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低温等离子体协同催化反应单元，包括：均带有绝缘膜的正电极板和负电极板；位于正、负电极板之间且带有通孔的蜂窝陶瓷；对应穿入通孔且表面带有绝缘膜层的若干正、负针山电极棒，正、负针山电极棒相邻且交错布置；正、负针山电极棒与对应通孔之间的间隙为气体通道和放电空间。本实用新型还公开一种基于低温等离子体协同催化反应器的VOCs处理装置，包括反应器外壳，反应器外壳内沿烟气流向依次设置颗粒物过滤单元、低温等离子体协同催化反应单元以及臭氧分解催化反应单元。含VOCs废气进入装置内，依次经颗粒物过滤单元、低温等离子体协同催化反应单元和臭氧分解催化反应单元处理，净化后气体排出装置外。

Description

低温等离子体协同催化反应单元以及基于该反应单元的VOCs 处理装置

技术领域

本实用新型涉及降解VOCs技术领域，具体涉及一种低温等离子体协同催化反应器以及基于该反应器的VOCs处理装置。

背景技术

介质阻挡气体等离子体反应器包括一个电极对与该电极对之间的介质部分和气体部分。当在电极对之间施加一定的电压时，(即外加电源将电能输入到气体等离子体反应器中)，气体等离子体反应器中的气体发生放电，使气体中的成分电离。介质阻挡气体等离子体反应器可以用于如汽车尾气、烟道气、大气、室内空气、各种工业排气的气体净化、也可以用于臭氧制备。所用的电源为交流电源、脉冲电源、或脉冲式交流电源。

例如，公开号为CN107185401A的中国发明申请文献公开了一种吸收VOCS的设备，包括超声波发生装置、吸收装置，所述超声波发生装置与收装置相连，所述吸收装置的内中部设置有二十四面体的虫洞结构材料通道，所述吸收装置的底部和顶部分别设置有进气口和出气口，所述虫洞结构材料通道的顶部和底部有混合吸收液。公开号为CN 105617860A的中国发明申请文献公开了一种VOCs处理工艺，具体为：经高效除尘器除尘后的VOCs气体自底部进入装有催化剂的反应器中，双氧水自反应器顶部进入并喷淋在催化剂上，VOCs气体在反应器内停留10－15min后从反应器顶部排出，再经碱性溶液吸收后排放。

目前市场上也有应用低温等离子体VOCs净化装置处理VOCs气体，但是大部分采用非介质阻挡放电(DBD)的电晕放电反应器或DBD反应器，这些反应器存在VOCs净化效率低和纳米颗粒物副产物的生成等的缺点。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供低温等离子体协同催化反应单元以及基于该反应单元的VOCs处理装置，利用这种装置可以高效降解 VOCs气体，同时排出气体中颗粒物的浓度低，对环境污染小。

一种低温等离子体协同催化反应单元，包括：

均带有绝缘膜的正电极板和负电极板，正、负电极板分别连接高压电源的两个输出端，正、负电极板上均开设气体过孔；

位于正、负电极板之间的蜂窝陶瓷，该蜂窝陶瓷带有均匀分布且轴向垂直于所述电极板的通孔；

对应穿入所述通孔且表面带有绝缘膜层的若干正针山电极棒和负针山电极棒，正针山电极棒的底端固定于正电极板上、针尖端位于对应通孔中，负针山电极棒的底端固定于负电极板上、针尖端位于对应通孔中，正针山电极棒和负针山电极棒相邻且交错布置；正、负针山电极棒与对应通孔之间的间隙为气体通道和放电空间。

相邻正、负电极棒上的绝缘膜层和蜂窝陶瓷的通孔之间的陶瓷间壁组成了三介质阻挡放电反应模块。本实用新型的低温等离子体协同催化反应单元可用于汽车尾气、烟道气、大气、室内空气以及各种工业排气中VOCs 的去除降解，达到高效洁净尾气的目的。

气体从放电空间的进气口进入放电空间，正、负电极板上的通孔分别构成放电空间的进出气口，通过放电空间后从出气口离开放电空间；正、负电极板通过高压电源输出的电压将电场施加到放电空间的气体上，使得气体发生放电现象；VOCs在外加电场中的高能电子发生碰撞生成激发态 (C_nH_2n+2 ^·)或脱氢生成自由基(C_nH_2n+1)，这些激发态和自由基再和活性氧[O](如氧原子，臭氧、OH等)反应，生成CO和CO₂，以及少量反应中间产物。

本实用新型采用低温等离子体协同催化氧化VOCs的净化技术，VOCs 的净化效率是无催化剂时的3-5倍，而且无纳米颗粒物副产物的排放，说明低温等离子体协同催化来消解VOCs具有很大的应用价值。

优选地，蜂窝陶瓷的外形为圆筒型、立方体型或球型；所述蜂窝陶瓷中的通孔为圆形、三角形、正方形或六边形。

优选地，所述蜂窝陶瓷为负载贵金属催化剂和碱金属催化剂的蜂窝陶瓷。蜂窝陶瓷上负载有贵金属催化剂和碱金属催化剂；贵金属催化剂的负载量为0.1-1000微克/cm²-通孔内表面积；碱金属催化剂的负载量为 1-10000微克/cm²-通孔内表面积。可采用浸渍法制备。

贵金属催化剂为金、铂、钯、银或它们的混合物；碱金属催化剂包括铁、铜、镍、铝、铅、锌、锡、钨、镁、锰、铈或它们的混合物。

陶瓷开孔率与通孔直径跟可插入电极棒的数量有关，电极棒数量过少则VOCs的处理效果不明显，电极棒的数量过多会导致能源的浪费。对于间壁厚度，若厚度过薄，则介质容易被击穿，电压难以控制；若厚度过厚，则可能导致介质难以被击穿，影响VOCs的去除效率。优选地，所述蜂窝陶瓷的开孔率为20-80％、通孔孔径为5-500mm、相邻通孔之间的间壁厚为3-50mm。进一步优选地，所述蜂窝陶瓷的开孔率为60-80％、通孔孔径为5-50mm、相邻通孔之间的间壁厚为3-10mm。

进一步地，所述蜂窝陶瓷的长在10mm-3000mm之间、宽在10-1000mm 之间、高在10-3000mm之间。

高压电源带有能量回收功能，电源输出的电压波形为脉冲或交流形状，电压峰值1-100kV可调，频率1-1000Hz可调。

优选地，所述正针山电极棒和负针山电极棒外形均为圆柱状柱体、多边形柱体或球形/椭圆形串联的柱体。

优选地，所述正针山电极棒和负针山电极棒按列相间排布，且相邻列的正针山电极棒和负针山电极棒交错布置。即一列正针山电极棒一列负针山电极棒再一列正针山电极棒，以此类推。

对于绝缘膜，若绝缘膜厚度过薄，则介质容易被击穿，电压难以控制；若绝缘膜厚度过厚，则可能导致介质难以被击穿，影响VOCs的去除效率。优选地，所述正针山电极棒和负针山电极棒的长度均为10-3000mm、外径均为1-500mm；正针山电极棒和负针山电极棒的绝缘膜层厚度均为 0.1-10mm。进一步优选地，所述正针山电极棒和负针山电极棒的长度均为 100-500mm、外径均为10-100mm；正针山电极棒和负针山电极棒的绝缘膜层厚度均为0.1-1mm。

针山电极棒的材质为导电金属，如铝、铁、不锈钢；电极棒的表面覆盖有绝缘膜层，如氧化铝薄膜、氧化硅薄膜、塑料薄膜、陶瓷薄膜、橡胶薄膜，薄膜厚度为0.1-10mm。

蜂窝陶瓷上的通孔均匀分布，所有通孔的轴向相互平行且与正、付电极板相垂直。蜂窝陶瓷表面带有微孔，有一定的吸附功能，容易击穿。针山电极棒在蜂窝陶瓷中插入，按列正负相间排布，且相邻列的正、负电极棒交错布置。电极为表面附着氧化铝膜层的铝棒，相邻电极棒及其间的氧化铝膜-陶瓷间壁-氧化铝膜结构组成了三介质阻挡放电反应模块。介质阻挡放电等离子体对有机分子产生分解和氧化作用的主要原理为放电过程中产生的大量强氧化性的自由基与臭氧O₃等高能活性粒子，能与VOCs 分子不断碰撞、破坏其化学键,从而达到将VOCs污染物降解的目的。另外，氧化铝薄膜还可以减少蜂窝陶瓷被击穿的风险，起到防漏电的作用。通过浸渍法将催化剂负载到蜂窝陶瓷上，再通过介质阻挡放电技术，即构成等离子体协同催化反应单元，可有效降解VOCs气体。

本实用新型还提供一种基于低温等离子体协同催化反应器的VOCs处理装置，包括反应器外壳，所述反应器外壳内沿烟气流向依次设置颗粒物过滤单元、所述的低温等离子体协同催化反应单元以及臭氧分解催化反应单元。

VOCs处理装置其进口前端安装颗粒物过滤装置，后端安装臭氧分解催化反应器，以达到降解VOCs分解的中间产物、去除臭氧以完全净化气体的目的。

优选地，所述反应器外壳内且位于臭氧反应单元下游设置风机。

所述颗粒物过滤单元为HEPA、静电除尘器或布袋除尘器；臭氧分解催化反应单元为搭载有MnO₂、Pt等催化剂的反应装置，利用分解放电产生的剩余臭氧将没有完全分解的VOCs再分解。

VOCs处理装置处理VOCs气体的方法包括如下步骤：

含VOCs废气进入装置内，依次经颗粒物过滤单元、低温等离子体协同催化反应单元和臭氧分解催化反应单元，在颗粒物过滤单元内去颗粒物，在低温等离子体协同催化反应单元内将VOCs转化为CO₂，在臭氧分解催化反应单元内利用分解放电产生的剩余臭氧将没有完全分解的VOCs 再分解，净化后的气体排出装置外。

当供给的电压比较低时，虽然有些气体会有一些电离和游离扩散，但因含量太少电流太小，不足以使反应区内的气体出现等离子体反应，介质无法被击穿，从而无法达到去除VOCs的效果；当供给的电压比较高时，仪器易损坏，从而电压需要控制在一个合理的范围内。当放电频率过低时，VOCs的去除效率不高；而放电频率过高则较为浪费能源，违反的经济性的原则。优选地，低温等离子体协同催化反应单元内电压峰值1-100kV 可调，频率1-1000Hz可调。进一步优选地，电压峰值1-10kV可调，频率1-100Hz可调。更进一步优选地，电压峰值1-10kV可调，频率30-80Hz 可调。

VOCs的进气速率过低会会导致单位时间内气体处理量过低，则采用该反应的经济效益不高；VOCs的进气速率过高会使得气体在反应器内的停留时间过短，无法完全处理VOCs气体，即处理不彻底。优选地，含 VOCs废气的进气速率为300-700m³/h。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1)采用了等离子体协同纳米催化剂技术，该技术可以提高等离子体净化VOCs的能量效率，降低VOCs消解能耗，节约系统使用成本。据我们的研究成果，发现在没有催化剂时DBD反应器的VOCs(苯)消解率约15％，但加纳米催化剂后的DBD反应器在同等放电功率下苯的消解率高达90％以上。

2)放电场中的催化剂能高效抑制纳米级气溶胶颗粒物副产物的生成，能把VOCs完全无害化。据我们的研究成果，VOCs(烷烃和芳香烃)的等离子体消解过程中会产生空气动力学当量直径在100nm以下的纳米颗粒物，目前还不知道这些颗粒物对大气环境和人体健康的影响。利用我们开发的催化剂，可以将纳米颗粒物(浓度在10⁷个/cm³)降低到10²个/cm³以下。

3)等离子体发生用高压脉冲电源具备高效脉冲发生技术及能量回收技术。利用该高压脉冲电源能节约放电电力消耗约10％-20％，可降低本系统的使用成本。

附图说明

图1是本实用新型低温等离子体协同催化反应单元的结构示意图。

图2是本实用新型蜂窝陶瓷的结构示意图。

图3是本实用新型正电极板上正针山电极棒分布示意图。

图4是本实用新型正、负针山电极棒在蜂窝陶瓷中的排布示意图。

图5是本实用新型正针山电极棒结构示意图。

图6是本实用新型正针山电极棒圆柱段的截面示意图。

图7是本实用新型VOCs处理装置的结构示意图。

图中所示附图标记如下：

1-气体入口 2-气体出口 3-颗粒物过滤单元

4-低温等离子体协同催 5-臭氧分解催化反应单 6-风机

化反应单元 元

7-高压电源

41-正电极板 42-负电极板 43-蜂窝陶瓷

44-正针山电极棒 45-负针山电极棒 46-气体过孔

431-通孔 441-电极内部铝棒 442-电极外层氧化膜

具体实施方式

如图1～图6所示，一种低温等离子体协同催化反应单元，包括高压电源、正电极板41、负电极板42、蜂窝陶瓷43、正针山电极棒44和负针山电极棒45，正、负电极板均带有绝缘膜，正电极板通过导线连接高压电源的正极输出端、负电极板通过导线连接负电极板的负极输出端。

正、负电极板相互平行设置，蜂窝陶瓷位于正、负电极板之间，蜂窝陶瓷中均匀分布通孔431，所有通孔的轴线相互平行且与正、负电极板相垂直。正针山电极棒底端固定在正电极板上(如图3所示)，负针山电极棒底端固定在负电极板上(附图省略，与图3相同)，正针山电极棒和负针山电极棒的针尖端均对应穿入蜂窝陶瓷的通孔中(一根电极棒对应一个通孔)，正针山电极棒和负针山电极棒按列间隔排布，且相邻列的正针山电极棒和负针山电极棒交错排布(如图4所示)。

蜂窝陶瓷的外形为圆筒型、立方体型或球型；蜂窝陶瓷中的通孔为圆形、三角形、正方形或六边形。蜂窝陶瓷的长在10mm-3000mm之间、宽在10-1000mm之间、高在10-3000mm之间，蜂窝陶瓷的开孔率为20-80％、通孔孔径为5-500mm、相邻通孔之间的间壁厚为3-50mm。

正、负针山电极棒的结构相同，其一端为针尖状，针山电极棒由电极内部铝棒441和电极外层氧化膜442(如图5和图6所示)。正、负针山电极棒长度均为10-3000mm、外径均为1-500mm；正针山电极棒和负针山电极棒的绝缘膜层厚度均为0.1-10mm。

相邻电极棒及其间的氧化铝膜-陶瓷间壁-氧化铝膜结构组成了三介质阻挡放电反应模块，正、负电极板上与对应针山电极棒交错处开设气体过孔46，针山电极棒和对应通孔之间的间隙为放电空间和气体通道，气体过孔分别为气体通道的进、出气口。

如图7所示，为一种VOCs处理装置，包括反应器外壳，反应器外壳竖向设置，底端为气体进口1、顶端为气体出口2，反应器壳体内沿气体方向依次设置颗粒物过滤单元3、低温等离子体协同催化反应单元4、臭氧分解催化反应单元5和风机6，低温等离子体协同催化反应单元4连接高压电源7。

颗粒物过滤单元为HEPA、静电除尘器或布袋除尘器；臭氧分解催化反应单元为搭载有MnO₂、Pt等催化剂的反应装置，利用分解放电产生的剩余臭氧将没有完全分解的VOCs再分解。颗粒物过滤单元3和臭氧分解催化反应单元5本身均为现有技术，低温等离子体协同催化反应单元4采用如图1～图6的反应单元，针山电极棒竖向布置，正、负电极板分别连接高压电源的两个输出端，具体结构不再赘述。

由以下两个具体实施例具体说明本实用新型的装载盐催化剂的气体等离子放电反应器的具体结构以及使用的方法。

实施例1

打开电源，放电3min后，使待去除VOCs的气体流过反应器，VOCs 即可得到去除。处理结束后，关闭电源即可。

本实施例中蜂窝陶瓷的长、宽、高分别为150mm*100mm*200mm，六边形对边长为8mm，间壁厚2mm，开孔率为69.5％。蜂窝陶瓷上负载有微量级贵金属催化剂和碱金属催化剂；包括MnO₂、CeO₂等；

针山电极的长度为210mm，两根电极之间的距离为8.7mm；针山电极的材质为铝，表面覆盖有氧化铝薄膜，薄膜厚度为0.5mm；

低温等离子体协同催化反应器所使用的电源为可回收能源的电源，电源输出的电压波形为交流形状，电压峰值5kV，频率60Hz；

采用了等离子体协同纳米催化剂技术，可以将没有催化剂时DBD反应器的VOCs(苯)消解率约15％提高到加纳米催化剂后的DBD反应器在同等放电功率下苯的消解率高达90％以上，产生的纳米颗粒物(浓度在 10⁷个/cm³)降低到10²个/cm³以下。

实施例2

本实施例中颗粒物过滤单元为静电除尘器；臭氧反应器为搭载有 MnO2、Pt等催化剂的反应装置；风机风量在300-700m³/h之间。VOCs 降解装置的长为500mm、宽为500mm、高为800mm。

蜂窝陶瓷的长、宽、高分别为150mm*100mm*200mm，六边形对边长为8mm，间壁厚2mm，开孔率为69.5％。蜂窝陶瓷上负载有微量级贵金属催化剂和碱金属催化剂；包括MnO₂、CeO₂等。

针山电极的长度为210mm，两根电极之间的距离为8.7mm；针山电极的材质为铝，表面覆盖有氧化铝薄膜，薄膜厚度为0.5mm。

高压脉冲电源可回收能源的电源，电源输出的电压波形为交流形状，电压峰值5kV，频率为60Hz。

含VOCs废气从系统的底部进口进入系统，经过静电除尘器除去颗粒物后，再经由等离子体催化反应器处理，大部分VOCs转化为CO₂。废气再在后置催化剂(负载MnO₂、CeO₂等)中利用分解放电产生的剩余臭氧将没有完全分解的VOCs再分解。最后废气通过风机排除系统出口。经处理后的气体排放达到《大气污染物综合排放标准》(GB 16297-1996)的三级标准。

主要技术指标如下：

(1)等离子体反应器出口甲苯浓度低于0.2mg/m³，总VOCs

浓度低于0.6mg/m³；

(2)最大处理气体量：500m³/h；

(3)最大耗电：1500W。

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)

1.一种低温等离子体协同催化反应单元，其特征在于，包括：

均带有绝缘膜的正电极板和负电极板，正、负电极板分别连接高压电源的两个输出端，正、负电极板上均开设气体过孔；

位于正、负电极板之间的蜂窝陶瓷，该蜂窝陶瓷带有均匀分布且轴向垂直于所述电极板的通孔；

对应穿入所述通孔且表面带有绝缘膜层的若干正针山电极棒和负针山电极棒，正针山电极棒的底端固定于正电极板上、针尖端位于对应通孔中，负针山电极棒的底端固定于负电极板上、针尖端位于对应通孔中，正针山电极棒和负针山电极棒相邻且交错布置；正、负针山电极棒与对应通孔之间的间隙为气体通道和放电空间。

2.根据权利要求1所述低温等离子体协同催化反应单元，其特征在于，所述蜂窝陶瓷为负载贵金属催化剂和碱金属催化剂的蜂窝陶瓷。

3.根据权利要求1所述低温等离子体协同催化反应单元，其特征在于，所述蜂窝陶瓷的开孔率为20-80％、通孔孔径为5-500mm、相邻通孔之间的间壁厚为3-50mm。

4.根据权利要求1所述低温等离子体协同催化反应单元，其特征在于，所述正针山电极棒和负针山电极棒按列相间排布，且相邻列的正针山电极棒和负针山电极棒交错布置。

5.根据权利要求1所述低温等离子体协同催化反应单元，其特征在于，所述正针山电极棒和负针山电极棒的长度均为10-3000mm、外径均为1-500mm；正针山电极棒和负针山电极棒的绝缘膜层厚度均为0.1-10mm。

6.一种基于低温等离子体协同催化反应单元的VOCs处理装置，包括反应器外壳，其特征在于，所述反应器外壳内沿烟气流向依次设置颗粒物过滤单元、如权利要求1～5任一项权利要求所述的低温等离子体协同催化反应单元以及臭氧分解催化反应单元。

7.根据权利要求6所述VOCs处理装置，其特征在于，所述反应器外壳内且位于臭氧反应单元下游设置风机。