CN1698937A - 一种低温等离子空气净化催化反应器及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温等离子空气净化催化反应器及其制备工艺，可以消除O3二次污染、处理含有可挥发性有机物含量低、大风量的空气，性能稳定、维护保养方便，由电晕放电电源和一个以上的管线式或板线式结构电晕放电器组成，所述的电晕放电器之间采用并联方式连接，在所述电晕放电器的正极内侧有一个催化剂衬网，所述催化剂衬网的形状和尺寸与电晕放电器正极的形状和尺寸相应，所述催化剂衬网由不锈钢丝网和包覆在不锈钢丝网上的催化层组成，所述催化层由载体材料和活性成分组成，所述载体材料由γ－Al2O3、CeO2、La2O3、ZrO2组成，所述活性成分由Pd、Rh、Pt元素中的任何一种或两种组成，该发明主要用于空气净化。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温等离子空气净化催化反应器，以及该反应器的制备工艺。
背景技术
随着生活水平的不断提高，人们对室内空气质量的要求也越来越高，现有的空气净化技术主要目的是除烟尘、有机物，杀菌、消毒、除臭，根据工作原理可以分为过滤、吸收、活性炭吸附、高压静电和低温等离子、紫外线、光触媒等几种，现有技术往往是上述一种或几种技术手段的组合。采用过滤技术可以除掉一些中、粗颗粒，但是气溶胶难以除去；采用吸收技术清除有机物，需要周期性的更换，而且在倒掉吸取液时会污染环境；活性炭吸附使用的最多，但是在吸附饱和后，需要更换活性炭，使用不方便；在使用活性炭催化剂时，因为C和O3会发生化学反应，反应方程式为： ，使活性炭有消耗，而且会产生二次污染CO；采用低温等离子和高压静电除尘时因为会产生O3，需要专门设催化反应器来除掉O3，使结构变的庞大，该种催化反应器需要加热才能达到工作要求，而且，该种催化反应器对于低浓度大风量的有机物的净化效果也不好，耗能大、不经济；在采用紫外线和光触媒的结合技术时，实际效果也不好，而且需要一定的水分子的存在，反应不彻底，存在二次污染。
发明内容
发明目的
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、耗能少，可以消除O3二次污染，可以处理含有可挥发性有机物含量低、大风量的空气，并且可以长期使用、性能稳定、维护保养方便的低温等离子空气净化催化反应器。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种低温等离子空气净化催化反应器的制备工艺。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种低温等离子空气净化催化反应器，包括电晕放电高压电源和一个以上的电晕放电器，所述的电晕放电器为管线式或板线式结构，所述的电晕放电器之间采用并联方式连接，在所述电晕放电器的正极内侧有一个催化剂衬网，所述催化剂衬网的形状和尺寸与电晕放电器正极的形状和尺寸相应，所述催化剂衬网由不锈钢丝网和包覆在不锈钢丝网上的催化层组成，所述催化层由载体材料和活性成分组成，所述载体材料包括100重量份的γ-Al2O3，10～15重量份的CeO2，3～5重量份的La2O3，2重量份的ZrO2，所述活性成分由0.1～0.5重量份的Pd、Rh、Pt元素中的任何一种或两种构成。
作为优选方案，管线式电晕放电器正极管内的催化剂衬网可以为圆筒状，所述的圆筒状催化剂衬网的外径略小于正极管的内径；板线线式电晕放电器正极管内的催化剂衬网也可以为板状，所述的板状催化剂衬网的面积略小于正极板的面积。
作为优选方案，所述催化剂衬网可以与电晕放电器的正极内壁接触。
作为优选方案，还可以在管线式或者板线式电晕放电器的正极内壁上有一个厚度为3～5μm的催化剂涂层，所述催化剂涂层含有Pd、Rh、Pt元素中的一种或两种，正极板由如下工艺步骤制备：
①将剪裁合用的板材粗糙化；
②除油后用水清洗，在草酸中腐蚀，然后阳极氧化，清洗后干燥；
③直接在正极板上涂刷Pd黑、Rh黑或Pt黑，或者在正极板上喷涂或涂刷浓度为10克/升的H2PtCL6、PdCl2或者RhCl3溶液后，干燥，用氢气还原，当喷涂或涂刷的为Pd或Rh元素的溶液时，还原反应的温度应为300℃，当喷涂或涂刷为的为Pt元素的溶液时，还原反应温度为450到500℃，还原时间均为2小时。
所述重量份是指克、千克、公斤、吨等。
电晕放电器的电晕线可以采用钼丝或不锈钢丝，正极可以采用铝板或不锈钢板。
本发明还提供了一种用于低温等离子空气净化催化反应器的制备工艺，其催化剂的制备包括以下步骤：
①将不锈钢丝网制成板状或卷成筒并对卷筒接缝进行焊接；
②将步骤①所得的不锈钢网在草酸中腐蚀，清水冲洗，阳极氧化，在不锈钢丝上形成一层氧化膜；
③取100重量份的γ-Al2O3加水润湿，搅匀，加入1重量份的HNO3打浆，加入1重量份的粘结剂，再加入10～15重量份的CeO2粉体，3～5重量份的La2O3粉体，2重量份的ZrO2粉体搅匀成为浆料，将由②步骤所得的不锈钢网浸入所得的浆料，3～5分钟后取出，用压缩空气吹去多余的涂料部分然后在温度为100℃条件下干燥两小时后，在温度为500℃的条件下进行一小时的烧结；
④将上述步骤所得的不锈钢丝网，在浓度为10克/升的H2PtCL6、PdCl2、RhCl3中的一种或一种以上的化合物溶液中浸渍3～5分钟，取出后在温度为100℃的条件下干燥两小时，然后在温度为500℃的条件下烧结一小时，然后用氢气还原，当浸渍的金属为Pd或Rh元素时，还原反应的温度应为300℃，当浸渍的金属为Pt元素时，还原反应温度为450到500℃，还原时间均为2小时。
本发明所采用的电源为：直流电压为7～10KV，脉冲电压为7～20KV。
在进行烧结时，可以采用管式炉连续进出料，炉中间段为恒温段，恒温温度为500℃。
本发明采用的粘结剂可以为Al(NO3)3·9H2O。
本发明低温等离子空气净化催化反应器工作原理为：
空气进入电晕放电器并从管线式电晕放电器的正极管内或板线式电晕放电器的上下极板之间穿过正负极之间的电离场，电晕放电器通电后产生大量的高能电子，高能电子撞击空气中的可挥发性有机物，形成有机自由基和碎片，这些物质具有高化学活性，同时高能电子也会撞击空气中的氧气形成氧原子和臭氧分子，这些物质具有较高的氧化能力，不锈钢丝网上的催化剂吸附上述物质，进行催化反应，将空气中的有害的可挥发性有机物反应成为无害的二氧化碳和水，将臭氧反应成为氧气；同时催化剂也可以吸附空气中的氨气，使之与氧气发生反应，生成氮气和水，从而将空气中的有机挥发物和氨气变成了无害的物质，净化了空气，又不会产生臭氧等二次污染，其反应方程式如下：
消除苯的反应方程式：
消除氨气的反应方程式：
消除臭氧的反应方程式：
消除甲醛的反应方程式：
通过①和⑤反应空气中的有机挥发物变成了无害的二氧化碳和水；
通过②反应空气中的氨气变成了无害的氮气和水；
通过③和④反应使臭氧变成了氧气，从而消除了二次污染。
本发明的有益效果和优点在于：
(1)本发明通过在电晕放电器的极板内侧放置催化剂内衬的方法来实现发明目的，从而使发明产品结构紧凑。
(2)本发明在发生低温等离子的条件下，利用催化剂加速化学反应，可以处理有机物含量低，大风量的空气。
(3)本发明的催化剂可以长期使用，不需更经常更换催化剂，维护保养方便。
(4)本发明的技术方案的实现不需要有空气中水分的介入，因此空气净化效果不受空气中水份含量的影响。
(5)本发明将在高能电子撞击空气产生的臭氧通过催化反应变成了无害的氧气，因此没有臭氧的二次污染。
附图说明
图1为管线式电晕放电器示意图；
图2为管线式电晕放电器组合示意图；
图3为板线式电晕放电器示意图；
图4为板线式电晕放电器组合示意图；
其中图1为正极管，2为电晕线，3为催化剂涂层，4为催化剂网，5为电源，6为不锈钢棒组成电晕极框。
具体实施方式
本发明实施例仅用于解释本发明，不能限制本发明。
实施例1
取含Cr25％丝径为0.3mm，网孔边长为1mm的不锈钢丝网，将钢网卷成筒并对接缝进行焊接；在草酸中腐蚀，清水冲洗，阳极氧化，在丝上形成一层氧化膜；取100重量份的γ-Al2O3加水润湿，搅匀，加入1重量份的浓HNO3打浆，加入1重量份的粘结剂Al(NO3)3·9H2O，再加入10重量份的CeO2粉体，3重量份的La2O3粉体，2重量份的ZrO2粉体搅匀成为浆料，然后将氧化后的不锈钢网浸入所得的浆料，3分钟后取出，用压缩空气吹去多余的涂料部分然后在温度为100℃条件下干燥两小时后进行烘干，可以采用管式炉自动连续进出料，进出炉烧结时间为一小时，炉中间段为恒温段，恒温温度为500℃。
将上述步骤所得的烧结有涂层的不锈钢丝网，在浓度为10克/升的H2PtCl6溶液中浸渍3分钟，取出后在温度为100℃的条件下干燥两小时，然后在管式炉温度为500℃的条件下烧结一小时，然后用氢气还原，还原反应温度为450℃，还原时间为2小时。
参照图1和图2，催化剂网(4)放入铝制的正极管(1)内，催化剂卷筒(4)可以与正极管(1)内壁接触。所有的正极管(1)并联挤紧，使正极管(1)外壁之间紧密接触，并且装在由塑料制成的架座上，将由钼丝制成的电晕线(2)置于正极管(1)的中心线上，然后用不锈钢棒(6)将所有的电晕线(2)并联起来，电晕线(2)可以用弹簧调节挤紧，避免在工作状态因温度变化铝管(1)伸长将电晕线(2)拉断，将已组装好的并联的电晕放电器与直流电压为7～10KV、脉冲电压为7～20KV的电源(5)串联在一起。
本实施例所得的产品编号为1，其净化效果如表1～4所示。
同理，当不锈钢丝网上的金属元素为Pd或Rh时，也可以起到同样的效果。
实施例2
参照图1和图2，使用实施例1所述的方法制备产品时，可以对正极管的内壁进行处理，使正极管内壁上附着一层化学成分为Pt元素的为催化剂，其工艺包括以下步骤：
(1)将铝板粗糙化，可以用砂纸磨毛表面，然后除油，水清洗，在2％的草酸中腐蚀，然后阳极氧化，清洗后干燥；
(2)在步骤(1)所得的铝板上喷涂浓度为10克/升的Pt元素的盐溶液，干燥后用氢气还原，还原反应温度为480℃，还原时间为2小时。
也可以在铝板上直接刷涂Pt黑，使Pt黑的厚度为5μm。
本实施例所得的产品编号为2，其净化效果如表1～4所示。
同理，当正极管的内壁的催化剂化学成分为Pd或Rh元素时，也可以起到同样的效果。
实施例3
取含Cr25％丝径为0.3mm、网孔边长为1mm的不锈钢丝网，将不锈钢网制成板状，在6％草酸中腐蚀，清水冲洗，阳极氧化，在丝上形成一层氧化膜；取100重量份的γ-Al2O3加水润湿，搅匀，加入1重量份的浓HNO3打浆，加入1重量份的粘结剂Al(NO3)3·9H2O，再加入15重量份的CeO2粉体，5重量份的La2O3粉体，2重量份的ZrO2粉体搅匀成为浆料，然后将氧化后的不锈钢网浸入所得的浆料，4分钟后取出，用压缩空气吹去多余的涂料部分然后在温度为100℃条件下干燥两小时后进行烘干，可以采用管式炉连续进出料，炉中间段为恒温段，恒温温度为500℃。
将上述步骤所得的不锈钢丝网，在浓度为10克/升的RhCl3的溶液中浸渍4分钟，取出后在温度为100℃的条件下干燥两小时，然后在温度为500℃的条件下烧结一小时，再用氢气还原两小时，还原反应的温度为300℃。
参照图3和图4，将制成板状的催化剂网(4)放在不锈钢制成的正极板(1)的内侧，板状的催化剂网(4)可以与正极板(1)内壁接触。所有的正极板(1)并联挤紧，并使正极板紧密接触，然后装在由塑料制成的架座上，将由不锈钢丝制成的电晕线(2)置于正极板(1)之间，然后用不锈钢棒(6)将所有的电晕线(2)并联起来，电晕线(2)可以用弹簧调节挤紧，避免在工作状态因温度变化铝管伸长将电晕线(2)拉断，将已组装的并联的电晕放电器与直流电压为7～10KV、脉冲电压为7～20KV的电源(5)串联在一起。
本实施例所得的产品编号为3，其净化效果如表1～4所示。
同理，当不锈钢丝网上的催化剂活性成分为Pd或Pt元素时，可以起到同样的效果。
实施例4
参照图3和图4，在使用实施例3所述的方法制备产品时，还可以对不锈钢正极板的内壁进行处理，使正极板内壁上附着一层化学成分为Pd元素的为催化剂，其工艺包括步骤：
(1)将不锈钢板粗糙化，可以用砂纸磨毛表面，然后除油，水清洗，在5％草酸中腐蚀，然后阳极氧化，清洗后干燥；
(2)在步骤(1)所得的不锈钢板上喷涂或刷涂喷涂浓度为10克/升的Pd元素的盐溶液，干燥后用氢气还原，还原反应温度为300℃，还原时间为2小时。
也可以在铝板上直接刷涂Pd黑，使Pd黑的厚度为3μm。
本实施例所得的产品编号为4，其净化效果如表1～4所示。
同理，当正极管的内壁的催化剂化学成分为Pt或Rh元素时，也可以起到同样的效果。
表1.清除空气中氨气的净化效果
检测标准：GB50325-2001.6.0.4
表2.清除空气中甲醛的净化效果
检测标准：GB50325-2001.6.0.4
表3.清除空气中苯的净化效果
检测标准：GB50325-2001.6.0.4
表4.工作状态下臭氧的清除效果
使用碘量法，检测标准参照CJ/T3028.2-94。
上述实验数据均是在30立方米标准实验气室内进行实验所测试得到。
Claims (8)
1.一种低温等离子空气净化催化反应器，包括电晕放电高压电源和一个以上的电晕放电器，所述的电晕放电器为管线式或板线式结构，所述的电晕放电器之间采用并联方式连接，其特征在于，在所述电晕放电器的正极内侧有一个催化剂衬网，所述催化剂衬网的形状和尺寸与电晕放电器正极的形状和尺寸相应，所述催化剂衬网由不锈钢丝网和包覆在不锈钢丝网上的催化层组成，所述催化层包括载体材料和活性成分，所述载体材料由100重量份的γ-Al2O3，10～15重量份的CeO2，3～5重量份的La2O3，2重量份的ZrO2组成，所述活性成分由0.1～0.5重量份的Pd、Rh、Pt元素中的任何一种或两种组成。
2.根据权利要求1所述的低温等离子空气净化催化反应器，其特征在于，管线式电晕放电器正极管内的催化剂衬网为圆筒状，所述的圆筒状催化剂衬网的外径略小于正极管的内径。
3.根据权利要求1所述的低温等离子空气净化催化反应器，其特征在于，板线线式电晕放电器正极管内的催化剂衬网为板状，所述的板状催化剂衬网的面积略小于正极板的面积。
4.根据权利要求2或3所述的低温等离子空气净化催化反应器，其特征在于，所述催化剂衬网可以与电晕放电器的正极内壁接触。
5.根据权利要求1所述的低温等离子空气净化催化反应器，其特征在于，在管线式或者板线式电晕放电器的正极内壁上有一个厚度为3～5μm的催化剂层，所述催化剂层含有Pd、Rh、Pt元素中的一种或两种，由如下工艺步骤制备：
①将剪裁合用的板材粗糙化；
②除油后用水清洗，在草酸中腐蚀，然后阳极氧化，清洗后干燥；
③直接在正极板上涂刷Pd黑、Rh黑或Pt黑，或者在正极板上喷涂或涂刷浓度为10克/升的H2PtCL6、PdCl2或者RhCl3溶液后，干燥，用氢气还原，当喷涂或涂刷的为Pd或Rh元素的溶液时，还原反应的温度应为300℃，当喷涂或涂刷为的为Pt元素的溶液时，还原反应温度为450到500℃，还原时间均为2小时。
6.根据权利要求1所述的低温等离子空气净化催化反应器，其特征在于，电晕放电器的电晕线采用钼丝或不锈钢丝，正极板采用铝板或不锈钢板。
7.根据权利要求1所述的低温等离子空气净化催化反应器的制备工艺，其特征在于，所述催化剂衬网的制作包括以下步骤：
①将不锈钢丝网制成板状或卷成筒并对卷筒接缝进行焊接；
②将步骤①所得的不锈钢网在草酸中腐蚀，清水冲洗，阳极氧化，在不锈钢丝上形成一层氧化膜；
③取100重量份的γ-Al2O3加水润湿，搅匀，加入1重量份的浓HNO3打浆，加入1重量份的粘结剂，再加入10～15重量份的CeO2粉体，3～5重量份的La2O3粉体，2重量份的ZrO2粉体搅匀成为浆料，将由
②步骤所得的不锈钢网浸入所得的浆料，3～5分钟后取出，用压缩空气吹去多余的涂料部分然后在温度为100℃条件下干燥两小时后，在温度为500℃的条件下进行一小时的烧结；
④将上述步骤所得的不锈钢丝网，在浓度为10克/升的H2PtCL6、PdCl2、RhCl3中的一种或一种以上的化合物溶液中浸渍3～5分钟，取出后在温度为100℃的条件下干燥两小时，然后在温度为500℃的条件下烧结一小时，然后用氢气还原，当浸渍的金属为Pd或Rh元素时，还原反应的温度应为300℃；当浸渍的金属为Pt元素时，还原反应温度为450到500℃，还原时间均为2小时。
8.根据权利要求7所述的低温等离子空气净化催化反应器的制备工艺其特征在于，所述粘结剂为Al(NO3)3·9H2O。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned |