一種有機氣體等離子催化器的製作方法

2023-05-01 04:30:31

專利名稱：一種有機氣體等離子催化器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種在常溫狀態等離子體環境下催化降解有機氣體的反應裝置。
背景技術：
目前，環保領域有機氣體的淨化方法分為分離法和降解法。分離法有溶劑吸收、吸附脫附分離、冷凝法、膜分離法，降解法有燃燒、催化燃燒、生物降解、等離子消除法。目前的等離子反應器結構如圖1所示通過直流高壓電源90向外殼91內的與外殼91電連接的第一電極92和第二電極93供電，第二電極93通過尖刺的放電極94向第一電極92放電，從而在外殼91空間內產生等離子體。含有有機氣體的氣流沿著圖中C所示的方向流動，在等離子體中有機氣體被部分分解產生C02、H20、C0、及其中間產物CxHyOz，這種結構不僅降解率低，而且能量利用率低，最重要的是產生可觀的C0，帶來更嚴重的汙染。發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提高氣體等離子催化器的能量利用效率。本實用新型所要解決的另一個技術問題是減少CO產生量。為了解決上述技術問題，本發明提供有一種有機氣體等離子催化器，其包括一個外殼，外殼中並聯或串聯多個電場，電場由作為負電極的外殼和正電極組成，正、負電極上均塗覆高介電常數材料層並各自電連接至一個高壓脈衝電源的正、負極，在電場中放置由數個多孔陶瓷製成的電場催化劑蜂窩載體，催化劑蜂窩載體內分別填充第一催化劑、第二催化劑，在電場之後緊鄰電場串聯一段非電場催化劑蜂窩載體，填充第三催化劑。本實用新型所帶來的有益效果是由於採用高壓脈衝電源而不是直流高壓電源，絕大部分的電能都是用來產生高能電子而不是用來加熱氣體，所以催化效率和能量利用率大為提高。另外，電場之後的第三催化劑能夠將CO徹底氧化成CO2,所以等離子催化器的CO 產生量可以得到大幅降低。
圖1是目前等離子反應器的結構示意圖。圖2是本實用新型一種催化劑能帶示意圖。圖3是本實用新型反應機理示意圖。圖4是本實用新型的一個剖視示意圖。圖5是本實用新型圖4中A-A方向的剖視示意圖。
具體實施方式
如圖4、5所示，本實用新型的有機氣體等離子催化器包括一個外殼10，外殼10中並聯或串聯多個電場20，電場20由作為負電極的外殼10和正電極21組成，正、負電極21、 10上均塗覆高介電常數材料層22，正、負電極21、10各自電連接至一個高壓脈衝電源23的正、負極，從而在電場20內發生介質阻擋層放電。在電場20中放置由數個多孔陶瓷製成的電場催化劑蜂窩載體30，催化劑蜂窩載體30內分別填充負載為TW2和Al2O3的第一催化劑 31、負載為V2O5和TW2的第二催化劑32。在電場20之後緊鄰電場20串聯一段非電場催化劑蜂窩載體40，填充負載為MnA的第三催化劑41。等離子淨化汙染物的機理是，尖刺脈衝通過無聲放電(高介電常數材料阻擋放電)激發出大量高能電子、豐富的紫外線、少量射線，處於這種環境中的物質原子與高能電子發生非彈性碰撞，引起氣體原子外層電子振蕩，脫離原子束縛，這個過程會導致化學鍵斷裂，生成活性很高的激發態離子。同時，高能電子和射線的能量被空氣分子吸收，會產生強氧化劑O3，活性很高的HO2, OH自由基和準分子0。所有這些激發態離子、強氧化劑、自由基和準分子自身的能量大於有機物的分子鍵能，從而打開了有機物的化學鍵發生化學反應。高能電子激發活性物質的化學式Η20+θ_ — H*+H0*+e_ H*+03 — 0H*+02 H0*+03 — H02*+02H02*+03 — H0*+202。催化劑蜂窩載體選用具有優良吸附性能和高介電常數的多孔陶瓷體，對於有機物有優先的吸附性，因而能夠將有機物在其體內富集，待有機物完全降解後再將降解產物脫附；多孔陶瓷體還能富集短壽命的活性物質如自由基、準分子，這樣就意味著有機物和活性物質被富集在特定區域從而增加了有機物降解的機率；高介電常數的多孔陶瓷體在電子和射線轟擊下多孔表面被激發成活性中心，利於有機物的降解。AL2O3和V2O5作為常規催化劑，可以顯著提升有機物降解的速度，並且使反應向希望的氧化還原方向進行。MnO2的作用是加速03 —仏+0*，並且利用0*降解有機物。TiO2是一種N型半導體，用作催化劑的TiO2粒子的能帶是不連續的，其能帶結構由一個充滿電子的低能價帶(VB)和一個空的高能導帶(CB)構成，電子在價帶和導帶中是非定域化的，可以自由移動。在理想TW2半導體中，價帶頂和導帶底之間帶隙不存在電子狀態，這種帶隙稱為禁帶，禁帶寬度用Eg表示。實際的TiA半導體由於其中不可避免地存在雜質和各種陷阱，使電子和空穴束縛在其周圍，成為捕獲電子和空穴的陷阱，產生局域化電子態，在禁帶中引入相應電子態能級。如圖2所示，以粒子晶體中點缺陷為例，在正電中心，負離子空位和間隙中的正離子都是正電中心，正電中心束縛一個電子，這個被束縛的電子很容易掙脫而成為導帶中的自由電子。如圖3所示，納米尺寸的TW2吸收能量大於等於Eg的光子和高能電子能量，將發生電子由價帶嚮導帶的躍遷，從而在價帶生成空穴h+，在導帶生成電子e-，在反應器電場的驅動下，電子和空穴遷移到粒子表面的不同位置，它們能在電場作用或通過擴散與吸附在催化劑粒子表面上的物質發生氧化還原反應，或者直接複合。如圖3所示，TiO2等離子催化反應主要步驟中，①T^2受高能電子和紫外線激發後產生電子-空穴對；②電子-空穴對之間發生複合反應，並以熱能或光能的形式釋放能量；③由價帶空穴誘發的氧化反應；④ 有導帶電子誘發的還原反應；⑤發生進一步催化反應；⑥捕獲導帶電子生成Ti3+ ；⑦捕獲價帶空穴生成Titanol基團。反應④形成的超氧自由基具有很強的氧化能力，對整個有機物的降解起了決速的作用。在沒有電場的情況下，反應②的發生概率是主要的，但是由於T^2 催化劑被置於高壓脈衝電場中之後，能迫使激發的電子向電場正電極移動，從而顯著削弱反應②，使得所需要的反應③④⑤得到明顯增強。如本技術領域的人所知，本實用新型的附圖和實施例僅為說明本實用新型的功能、結構和原理而不應當成為對發明創造理解上的限制；同時，本實用新型的目的均已經實現。上述實施例可能在不脫離本實用新型原理的情況下有所變更，故此，本實用新型的保護應以權利要求書中所描述的範圍為準。
權利要求1. 一種有機氣體等離子催化器，其特徵在於包括一個外殼(10)，外殼(10)中並聯或串聯多個電場00)，電場00)由作為負電極的外殼(10)和正電極組成，正、負電極 (21,10)上均塗覆高介電常數材料層0 並各自電連接至一個高壓脈衝電源的正、 負極，在電場OO)中放置由數個多孔陶瓷製成的電場催化劑蜂窩載體(30)，催化劑蜂窩載體(30)內分別填充第一催化劑(31)、第二催化劑(32)，在電場OO)之後緊鄰電場串聯一段非電場催化劑蜂窩載體(40)，填充第三催化劑01)。
專利摘要本實用新型涉及一種有機氣體等離子催化器，其包括一個外殼，外殼中並聯或串聯多個電場，電場由負電極和正電極組成，正、負電極上均塗覆高介電常數材料層並各自電連接至一個高壓脈衝電源的正、負極，在電場中放置有數個多孔陶瓷製成的電場催化劑蜂窩載體，催化劑蜂窩載體內分別填充負載為TiO2和AL2O3的第一催化劑、負載為V2O5和TiO2的第二催化劑，在電場之後緊鄰電場串聯一段非電場催化劑蜂窩載體，填充負載為MnO2的第三催化劑。本實用新型可以大幅提高能量利用效率並減少CO排放量。
文檔編號B01D53/86GK202237791SQ20112015109
公開日2012年5月30日 申請日期2011年5月12日 優先權日2011年5月12日
發明者魏飛 申請人:魏飛