CN220531570U - 高压脉冲放电光热协同催化反应装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了高压脉冲放电光热协同催化反应装置，包括有壳体机构、加热机构、光源、高压电场机构；壳体机构包括有外壳体、内壳体，内壳体与外壳体之间形成外腔室，内壳体内部设有样品室，样品室的下方设有样品固定台，内壳体的上端连接有上连接管，内壳体的下端连接有下连接管，上连接管上和下连接管上分别设有与外腔室相连通的衡压孔；加热机构包括有加热管；光源安装在外壳体上并正对样品室照射；高压电场机构包括有电源、正电极和负电极，正电极的下端位于样品室的上端，负电极的上端位于样品室的下端。本实用新型可在不同气压下，充分发挥光、热和电协同催化的优势，大幅度提高气体转化效率，适用范围广、操作简单，应用前景广阔。
Description
技术领域
本实用新型属于化反应装置技术领域，具体涉及高压脉冲放电光热协同催化反应装置。
背景技术
在有机合成、催化反应等领域中，反应速率、反应产物的产率和选择性是评估反应效果的重要指标。目前常用的化学反应方法大多采用传统的热力学作用方式，即利用温度和压力等热力学参数控制反应过程。虽然这些方法在某些情况下可以得到较好的反应效果，但存在反应速度慢、选择性差等问题，同时也存在环境污染和能源浪费等问题，不利于可持续发展。
为了克服传统化学反应方法存在的问题，近年来，许多新型化学反应方法被提出。例如，利用光、电、声、磁、微波等多种外界刺激方式促进反应的方法，或者利用纳米技术、催化剂等手段实现高效反应的方法等。这些新型反应方法在某些方面具有明显优势，但仍然存在着某些局限性和缺点。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提出了高压脉冲放电光热协同催化反应装置，在反应过程中同时施加光、电、热和压力多重作用力，以实现化学反应的高效率和选择性。光催化过程中一些光生电子和空穴迁移到催化剂表面，然后重新结合；这些电子和空穴中的一些直接在半导体内部复合；其它光生电子和空穴迁移到半导体表面并被电子或空穴受体吸收，分别导致还原或氧化。在光催化过程中引入外界电场，电场产生的电势施加在光催化催化剂上促进了光生载流子分离，同时由于热和压力对反应的正向推动作用。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：高压脉冲放电光热协同催化反应装置，包括有壳体机构、加热机构、光源、高压电场机构；
所述壳体机构包括有外壳体、内壳体，内壳体位于外壳体内部，内壳体与外壳体之间形成外腔室，内壳体内部设有样品室，样品室的下方设有样品固定台，内壳体的上端连接有上连接管，上连接管伸出外壳体外，内壳体的下端连接有下连接管，下连接管伸出外壳体外，上连接管上和下连接管上分别设有与外腔室相连通的衡压孔；
所述加热机构包括有加热管，加热管安装在外壳体上；
所述光源安装在外壳体上并正对样品室照射，内壳体上与样品室相对应的部位透明设置；
所述高压电场机构包括有电源、正电极和负电极，正电极和负电极分别连接电源，正电极和负电极相对设置，正电极的下端伸入到内壳体内部并位于样品室的上端，负电极的上端伸入到内壳体内部并位于样品室的下端。
作为上述技术方案的优选，所述外壳体包括有上盖和下盖，上连接管安装在上盖的中部，上连接管的上端位于外壳体外侧并连接有上三通管，上三通管包括有上主管和上侧管，上主管的下端固定连接上连接管的上端，正电极从上主管的上端插入上主管并穿过上连接管后伸入到样品室的上端，上侧管上设有进气口，下连接管安装在下盖的中部，下连接管的下端位于外壳体外侧并连接有下三通管，下三通管包括有下主管和下侧管，下主管的下端固定连接下连接管的下端，负电极从下主管的下端插入下主管并穿过下连接管后伸入到样品室的下端，下侧管上设有出气口。
作为上述技术方案的优选，所述内壳体由石英玻璃制成。
作为上述技术方案的优选，所述外壳体上安装有用于测量外腔室和样品室温度的测温器，所述测温器与光源相对设置。
作为上述技术方案的优选，所述光源的波长为300-2500nm，功率为100-350W。
作为上述技术方案的优选，所述光源安装在灯罩上，灯罩固定在外壳体上，灯罩的前端伸入到外腔室中，灯罩的前端安装有聚焦器。
作为上述技术方案的优选，所述正电极上和负电极上分别套有陶瓷绝缘管。
作为上述技术方案的优选，所述高压电场机构的输出电压为0-30kV。
作为上述技术方案的优选，所述外壳体的内部设有夹层，所述加热管安装在夹层中。
本实用新型的有益效果是：本实用新型实现了在可以改变气压的同时，利用光热电协同作用进行催化反应，特别是利用高压脉冲放电产生等离子体，等离子体可以瞬间释放能量，促进气体发生氧化还原反应，从而提高了气体转化效率。相比传统的光催化方法，本实用新型提出的光电热压力协同反应方法，具有反应速度快、反应效率高、反应产物选择性好等优点。本实用新型的的反应装置可改变配件的大小进行生产，小型的可应用在实验室中进行实验，大型的可应用于工业化生产，故适用于不同工作环境。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2不同条件下二氧化碳转化率的对比图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
如图1所示，高压脉冲放电光热协同催化反应装置，包括有壳体机构、加热机构、光源10、高压电场机构；
所述壳体机构包括有外壳体1、内壳体2，内壳体2位于外壳体1内部，内壳体2与外壳体1之间形成外腔室3，内壳体2内部设有样品室4，样品室4的下方设有样品固定台5，内壳体2的上端连接有上连接管6，上连接管6伸出外壳体1外，内壳体2的下端连接有下连接管7，下连接管7伸出外壳体1外，上连接管6上和下连接管7上分别设有与外腔室3相连通的衡压孔8。所述外壳体1的内部设有夹层26。加热机构包括有加热管9，所述加热管9安装在夹层26中。外壳体1由外壳和内壳组成，外壳和内壳之间形成夹层26。外壳和内壳的厚度为0.5mm，外壳和内壳之间距离为6mm，加热管9的直径为1mm。上盖11和下盖12大小一样，外径为56mm，厚度为4mm。所述光源10安装在外壳体1上并正对样品室4照射，内壳体2上与样品室4相对应的部位透明设置。所述光源10的波长为300-2500nm，功率为100-350W。所述高压电场机构包括有电源11、正电极12和负电极13，正电极12和负电极13分别连接电源11，正电极12和负电极13相对设置，正电极12的下端呈尖形，伸入到内壳体2内部并位于样品室4的上端，负电极13的上端呈尖形，伸入到内壳体2内部并位于样品室4的下端。电源11为高压脉冲电源。所述正电极12上和负电极13上分别套有陶瓷绝缘管25。
进一步的，所述外壳体1包括有上盖14和下盖15，上连接管6安装在上盖14的中部，上连接管6的上端位于外壳体1外侧并连接有上三通管，上三通管包括有上主管16和上侧管17，上主管16的下端固定连接上连接管6的上端，正电极12从上主管16的上端插入上主管16并穿过上连接管6后伸入到样品室4的上端，上侧管17上设有进气口18，下连接管7安装在下盖15的中部，下连接管7的下端位于外壳体1外侧并连接有下三通管，下三通管包括有下主管19和下侧管20，下主管19的下端固定连接下连接管7的下端，负电极13从下主管19的下端插入下主管19并穿过下连接管7后伸入到样品室4的下端，下侧管20上设有出气口21。所述内壳体2由石英玻璃制成。石英玻璃的厚度为0.5mm，长度为200mm，样品室长度为42mm，内径为14mm，样品室4下方的位置直径变大设置，较宽部分直径为34mm。样品固定台5直径为30mm，高度为4mm，样品固定台5位于较宽部分并靠近样品室4。所述外壳体1上安装有用于测量外腔室3和样品室4温度的测温器22，所述测温器22与光源10相对设置。测温器22用红外测温器，测温反应时间0.1-1s，测温范围0-1500℃，精度为+1℃。所述光源10安装在灯罩23上，灯罩23固定在外壳体1上，灯罩23的前端伸入到外腔室3中，灯罩23的前端安装有聚焦器24。
使用本实施例的反应装置进行气体催化反应过程为：首先将待处理的气体从进气口引入，气体经过上三通管和上连接管6进入到内壳体2内部，另外一部分气体还通过衡压孔8进入到外腔室3，这样内壳体2内部和外腔室3的压力保持平衡一致，不会使石英玻璃制成的内壳体2因高压而碎裂，实现高压环境。通过控制进气和出气的速率，将气压维持在3MPa。催化剂样品放在样品固定台5上方的样品室4中，催化剂可用石英棉固定在样品固定台5上。通过光源10进行光照，其中光源10可提供波长范围300-2500nm，经过聚焦器24可将光源10发出的光聚集后照射到样品室4内的催化剂上，同时利用测温器22对反应环境进行精准测温，通过加热管9对催化剂和整个环境加热并控温。随后接通高压脉冲电源后，在正电极12和负电极13的尖端会发生高压脉冲放电产生等离子体，气体与等离子体发生碰撞，气体发生电离和裂解，高能气体在催化剂的作用下发生化学反应，生成能源气，最后通过出气口排出进行收集检测。
以二氧化碳甲烷化为例
(1)首先制备催化剂：采用机械化学法制备了不同Co含量的双金属Ni-Co-Al2O3催化剂。以NiCl2·6H2O,Al(NO3)3·9H2O和Co(NO3)2·6H2O为金属前驱体，以NH4HCO3为沉淀剂。按照固定的NH4HCO3与Al的摩尔比、NH4HCO3与Ni的摩尔比和NH4HCO3与Co的摩尔比混合。以上所用试剂均为市售分析纯试剂，其中本实施例所用NiCl2·6H2O为国药集团化学试剂生产，Al(NO3)3·9H2O和NH4HCO3为麦克林试剂生产，Co(NO3)2·6H2O为北京化学试剂公司生产。
(2)称取Ni-Co-Al2O3催化剂200mg，将催化剂置于玻璃棉薄层上并放置在样品固定台5上，同时开始预热，温度达到预设的350℃，之后通入CO2和H2进气流量比CO2：H2＝6：24(ml/min)，并使样品室4中的压力达到4MPa。(CO2和H2为市售高纯度二氧化碳以及高纯氢气)。
(3)开启光源(光源为氙灯光源，型号为：CEL-HXF300-T3)和高压电场机构，使热光电压力同时作用于催化剂。
(4)让CO2和H2混合气体通过催化剂，使混合气体与催化剂充分接触。
(5)在温度(350℃)、压力(4MPa)、电场以及光源都达到稳定后，根据需要调整反应时间，将反应进行至完成；通过配备有热导检测器和镍氢转化炉以及填充柱TDX01的GC7920气相色谱仪在线分析进料和产物组成。
(6)通过测定甲烷等产物的的含量来得到CO2的转化率。
实验结果展示：
通过相关对比试验，对相同催化剂在不同条件的作用下测试了二氧化碳的转化率以及产物的选择性。
实验结果对比
不同条件下二氧化碳转化率的对比如图2所示。
由以上数据可知，低温、无光、无压力、无电场情况下催化效率最低，随着作用于催化剂的外界刺激方式的增多，催化效果在逐步提升。热、光、压力共同作用下催化效率最高。在此基础上光、电、热和压力的协同作用会使催化效率进一步提高。
结论：在反应过程中同时施加光、电、热和压力多重作用力，可以实现化学反应的高效率和选择性。
值得一提的是，本实用新型专利申请涉及的加热管9、光源10等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本实用新型专利的发明点所在，本实用新型专利不做进一步具体展开详述。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化，因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.高压脉冲放电光热协同催化反应装置，其特征在于，包括有壳体机构、加热机构、光源、高压电场机构；
所述壳体机构包括有外壳体、内壳体，内壳体位于外壳体内部，内壳体与外壳体之间形成外腔室，内壳体内部设有样品室，样品室的下方设有样品固定台，内壳体的上端连接有上连接管，上连接管伸出外壳体外，内壳体的下端连接有下连接管，下连接管伸出外壳体外，上连接管上和下连接管上分别设有与外腔室相连通的衡压孔；
所述加热机构包括有加热管，加热管安装在外壳体上；
所述光源安装在外壳体上并正对样品室照射，内壳体上与样品室相对应的部位透明设置；
所述高压电场机构包括有电源、正电极和负电极，正电极和负电极分别连接电源，正电极和负电极相对设置，正电极的下端伸入到内壳体内部并位于样品室的上端，负电极的上端伸入到内壳体内部并位于样品室的下端。
2.如权利要求1所述的高压脉冲放电光热协同催化反应装置，其特征在于，所述外壳体包括有上盖和下盖，上连接管安装在上盖的中部，上连接管的上端位于外壳体外侧并连接有上三通管，上三通管包括有上主管和上侧管，上主管的下端固定连接上连接管的上端，正电极从上主管的上端插入上主管并穿过上连接管后伸入到样品室的上端，上侧管上设有进气口，下连接管安装在下盖的中部，下连接管的下端位于外壳体外侧并连接有下三通管，下三通管包括有下主管和下侧管，下主管的下端固定连接下连接管的下端，负电极从下主管的下端插入下主管并穿过下连接管后伸入到样品室的下端，下侧管上设有出气口。
3.如权利要求1所述的高压脉冲放电光热协同催化反应装置，其特征在于，所述内壳体由石英玻璃制成。
4.如权利要求3所述的高压脉冲放电光热协同催化反应装置，其特征在于，所述外壳体上安装有用于测量外腔室和样品室温度的测温器，所述测温器与光源相对设置。
5.如权利要求4所述的高压脉冲放电光热协同催化反应装置，其特征在于，所述光源的波长为300-2500nm，功率为100-350W。
6.如权利要求5所述的高压脉冲放电光热协同催化反应装置，其特征在于，所述光源安装在灯罩上，灯罩固定在外壳体上，灯罩的前端伸入到外腔室中，灯罩的前端安装有聚焦器。
7.如权利要求1所述的高压脉冲放电光热协同催化反应装置，其特征在于，所述正电极上和负电极上分别套有陶瓷绝缘管。
8.如权利要求7所述的高压脉冲放电光热协同催化反应装置，其特征在于，所述高压电场机构的输出电压为0-30kV。
9.如权利要求1所述的高压脉冲放电光热协同催化反应装置，其特征在于，所述外壳体的内部设有夹层，所述加热管安装在夹层中。
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2023
- 2023-07-14 CN CN202321855735.3U patent/CN220531570U/zh active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |