CN204411991U

CN204411991U - 用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电内电极及其反应器

Info

Publication number: CN204411991U
Application number: CN201520018980.8U
Authority: CN
Inventors: 刘茂集; 叶明华; 项斌; 章李丰; 吴祖良; 俞鑫飞; 吕科伟; 徐少娟
Original assignee: ZHEJIANG FUCHUNJIANG ENVIRONMENTAL PROTECTION THERMOELECTRICITY CO Ltd; Zhejiang Gongshang University
Current assignee: ZHEJIANG FUCHUNJIANG ENVIRONMENTAL PROTECTION THERMOELECTRICITY CO Ltd; Zhejiang Gongshang University
Priority date: 2015-01-11
Filing date: 2015-01-11
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2025-01-11

Abstract

本实用新型公开了一种用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电内电极及其反应器，该内电极由依次交替排列的不锈钢管(1)和不锈钢粉末烧结管(2)组成，不锈钢管(1)和不锈钢粉末烧结管(2)密封相连，从而形成多段复合式的内电极；不锈钢管(1)的通道和不锈钢粉末烧结管(2)的通道形成了内电极内通道(3)；不锈钢粉末烧结管(2)为多孔的金属反应体；在不锈钢粉末烧结管(2)的外表面负载贵金属催化剂；所述内电极近进气口的一端为封闭，靠近出气口的一端开口并与出气口连通。该反应器利用上述内电极制备而得。本实用新型能克服常规过滤复合电催化介质阻挡反应器放电不均匀、放电强度低、有机物降解效果不佳等问题。

Description

用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电内电极及其反应器

技术领域

本实用新型涉及一种处理颗粒态有机污染物的介质阻挡放电反应器的内电极。

背景技术

悬浮在空气中的固体颗粒物因对生物和人体健康会造成危害而称之为颗粒物污染。大气环境中的颗粒物种类很多，一般指的是0.1-75μm之间的尘粒、粉尘、雾尘、烟、化学烟雾和煤烟。多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,简称PAHs)也是一种颗粒态的有机化合物，由两个或两个以上的苯环组成，如萘、蒽、菲、芘等。PAHs在大气中主要以气相和颗粒相两种形态存在，其中2～3环的小分子量PAHs主要以气相存在，4环的PAHs在气相和颗粒相中的分配基本相同，5～7环的大分子量PAHs则绝大部分以颗粒相存在。其中大部分颗粒相的PAHs的粒径大约在1.1μm以下，小部分粒径大约在7μm以上。

目前，国内外对大气中PAHs的控制还较为薄弱，尤其是对于烟气中颗粒态PAHs的控制，其处理手段还停留在除尘技术上。传统的处理方法是通过改进和提高除尘性能的方式来去除颗粒态PAHs，但是由于颗粒态PAHs通常以PM₁₀以下的细颗粒形式存在，常规的静电除尘器对此类颗粒物的脱除效果不佳。

低温等离子体降解有机污染物技术利用强电场下气体放电产生的具有强化学活性的高能电子、离子、自由基等物质，这些活性物质在增强氧化能力、促进分子离解以及加速化学反应等方面都具有很高的效率，可以对烟气中低浓度的有机污染物进行深度氧化，生成无害的CO₂和H₂O。同时介质阻挡放电还能和催化等技术结合，使等离子体氧化、催化氧化共同发挥作用，从而高效无害的降解有机污染物。研究表明单纯的介质阻挡放电虽然具有较高的有机物脱除效率，但存在能量利用率低、碳化率不高等问题。为了克服单纯等离子体放电存在的缺点，放电和催化协同技术逐步发展起来。在催化氧化与等离子体氧化的共同作用下，能量利用率和COx选择率均得到了很大的提高。

但是对于处理颗粒态PAHs来说，等离子体协同催化技术不能得到较好的去除效率。要真正实现介质阻挡微放电对大气中颗粒态PAHs的有效脱除，必须在固相PAHs捕集、等离子体催化氧化性能等方面找到新的突破，因此便衍生了多段式过滤复合电催化氧化技术。颗粒态颗粒物被过滤截留在反应器中，延长了停留时间，从而可以与等离子体放电产生的活性氧化物质以及催化剂充分接触，大大提高氧化能力，最终转化成CO₂和H₂O等无害物质。同时多段式的交替布置能够使得过滤、催化、放电作用得到最大化利用，有机物脱除率、能量利用率和COx选择率也都得到最大程度的体现。

申请号201110218959.9的发明《过滤复合电催化氧化处理PAHs的反应器》采用不锈钢粉末烧结管作为介质阻挡放电的内电极。但由于不锈钢粉末管(即，多孔金属反应体)外表面不光滑，外径误差大，从而降低介质阻挡的放电强度以及臭氧的产生，进而影响有机颗粒物的降解；同时，随着不锈钢粉末管外表面附着的颗粒不断增加，放电的均匀性进一步被破坏，能量注入受到较大影响。为此，我们提出一种新型的介质阻挡放电内电极，解决以上问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种新型的介质阻挡放电反应器的内电极，该内电极采用多段复合式设计，克服了常规过滤复合电催化介质阻挡反应器放电不均匀、放电强度低、有机物降解效果不佳等问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电反应器内电极，该内电极由依次交替排列的不锈钢管和不锈钢粉末烧结管组成，所述不锈钢管和不锈钢粉末烧结管密封相连；从而形成多段复合式的内电极(为具有过滤、化学催化和等离子体氧化共同作用的多段复合式内电极)；

不锈钢管的通道和不锈钢粉末烧结管的通道形成了内电极内通道；

所述不锈钢粉末烧结管为多孔的金属反应体；在不锈钢粉末烧结管的外表面负载各种贵金属催化剂；

所述内电极近进气口的一端为封闭，靠近出气口的一端开口并与出气口连通。

作为本实用新型的用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电反应器内电极的改进：所述不锈钢管的外径(外直径)比不锈钢粉末烧结管的外径大2～3mm；每段不锈钢管与不锈钢粉末烧结管长度之比为1:2～3。

备注说明：同一根内电极中各段不锈钢管的外径是相同的，允许公差在0.05mm以内。同时各段不锈钢粉末管的外径也是相同的，允许公差在0.5mm以内。

作为本实用新型的用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电反应器内电极的进一步改进：不锈钢粉末烧结管的贵金属催化剂负载量为0.5～1ug/cm²(不锈钢粉末管外表面积)。

即，每cm²的不锈钢粉末烧结管外表面积负载0.5～1ug的贵金属。

作为本实用新型的用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电反应器内电极的进一步改进：不锈钢粉末烧结管负载的贵金属催化剂为贵金属盐在高温下煅烧而成，所述贵金属盐为氯金酸、硝酸银或氯铂酸。即，煅烧所得为氧化金、氧化银、氧化铂。

作为本实用新型的用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电反应器内电极的进一步改进：贵金属氧化物催化剂采用涂层方法负载，具体如下：

将贵金属盐溶液均匀涂抹在不锈钢粉末烧结管的外表面，涂抹完毕后在空气中自然干燥30～60分钟，然后于400～500℃的温度下煅烧5～6h，最后自然冷却至室温。

作为本实用新型的用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电反应器内电极的进一步改进：所述不锈钢粉末烧结管的孔径为3μm、10μm、30μm、50μm，从而实现对不同粒径的颗粒的过滤截留作用，孔隙率40％～60％；不锈钢粉末烧结管的厚度在3～10mm。

本实用新型还同时提供了利用上述内电极制备而得的反应器，包括壳体，壳体的一端为进气口，另一端为出气口；壳体的外壁面包裹金属导电物，金属导电物接地作为介质阻挡放电的外电极；在壳体内设置外接交流高压或脉冲高压的内电极；内电极靠近进气口的一端封闭，内电极靠近出气口的一端开口且与出气口相连通；壳体的内壁与不锈钢管的外壁之间的间隙为1～5mm；所述间隙形成介质阻挡放电间隙，该介质阻挡放电间隙与进气口相连通；

所述介质阻挡放电间隙与出气口不连通，处理后的气体从内电极内通道流出进入出气口。

备注说明：该壳体同专利201110218959.9。

在本实用新型中，一段不锈钢管，一段不锈钢粉末烧结管的多级交替的设置方式能使过滤、氧化作用更加充分，有助于颗粒态有机污染物的氧化去除。在放电场中，由于不锈钢管的精度较高(公差可控制在0.05mm以内)，放电均匀，注入能量高，可以产生更多的氧化性自由基，深度氧化有机污染物；同时负载了贵金属催化剂的不锈钢粉末烧结管能够使有机废气通过整个催化层，和催化层充分接触，有助于进一步的催化氧化，提高CO₂的选择率，真正做到无害化处理。

所述的不锈钢管外径略大于不锈钢管粉末烧结管2～3mm。当不锈钢管的外径大于不锈钢粉末管的外径时，不锈钢管外表面发生放电，而不锈钢粉末烧结管由于放电间隙大而不产生放电。所以此内电极中不锈钢管主要用于发生介质阻挡放电，产生高浓度的氧化性自由基，而不锈钢粉末烧结管主要参与过滤和催化氧化作用。另外，为了提高过滤效果和催化效果，不锈钢管的长度小于不锈钢粉末管的长度，每段不锈钢管的长度和不锈钢粉末管的长度之比为1:2～1:3。

本实用新型所述的不锈钢粉末烧结管是由球状或不规则形状的不锈钢粉末通过压制成型和高温烧结而制得的具有刚性结构的多孔材料，其结构同专利201110218959.9中所告知的“多孔金属反应体3”。不锈钢粉末烧结管负载贵金属催化剂。负载的贵金属催化剂优选为金或铂等。贵金属催化剂具有高催化活性，耐高温、抗氧化等综合优良特性，在低温下具有更高的催化氧化效果，同时有助于氧化性自由基与催化剂发生协同反应，提高有机废气的降解效果。负载的催化剂的面浓度为0.5～1ug/cm²(不锈钢粉末烧结管外表面积)。

所述的贵金属催化剂采用涂层结合高温煅烧的方法负载，首先用金、银、铂的盐溶液(即，贵金属盐溶液)均匀涂在不锈钢粉末烧结管外表面，之后在空气中干燥30～60min，然后在400～500℃的温度下进行5～6h的煅烧，最后在干燥箱内冷却至室温。不锈钢粉末烧结管具有密度小、孔隙率高、比表面积大等特点，对颗粒态的有机物具有良好的过滤截留作用。

为了获得较大的反应比表面积，较小的通过阻力，同时对微细的有机物颗粒有较好的过滤效果，一般烧结管(不锈钢粉末烧结管)的孔隙率40％～60％，孔径小于0.1mm，一般有3μm、10μm、30μm、50μm等多种规格。

备注说明：

1、同一个内电极中，不锈钢管和不锈钢粉末管的外径都是一致的，但不锈钢粉末烧结管的外径要小于不锈钢管。

2、在同一个不锈钢粉末烧结管上，孔径是一致的。

3、在内电极上顺着气流的方向(即进气口至出气口的方向)设置的不锈钢粉末烧结管，孔径可以是一致的，孔径也可以从大至小的排列。

4、在本实用新型中，内电极的起始端(即，靠近进气口)为不锈钢管；内电极的终止端(即，靠近出气口)为不锈钢管或不锈钢粉末烧结管。

本实用新型的多段复合式介质阻挡放电内电极能产生高浓度的氧化性自由基，同时集过滤和化学催化氧化于一体，能够实现颗粒态有机物的高效捕集和氧化降解，同时能有效控制有害副产物的生成，大大提高降解的碳化率。

本实用新型的工作原理如下：

1、待处理的含有颗粒态有机物的有机废气从反应器进气口进入，首先经过第一段不锈钢管与壳体所形成的介质阻挡放电间隙，在介质阻挡放电过程中，放电间隙内会产生大量的高能电子和活性自由基，这些活性物质和有机物发生电子碰撞和自由基反应，实现有机物的初步降解。

2、之后经过初步降解的部分颗粒态有机物随气流进入第一段不锈钢粉末烧结管层，气体进入不锈钢粉末烧结管内(即，进入内电极内通道内)；颗粒物在不锈钢粉末烧结管的过滤作用下被拦截在不锈钢粉末烧结管的外表面，能和介质阻挡放电间隙内的等离子体充分接触发生氧化反应，同时在烧结管外表面上贵金属的催化作用下，这些颗粒物将最终转化成无害的CO₂和H₂O。

3、部分未完全降解的颗粒态有机物继续往前流动，经过后续的不锈钢管和不锈钢粉末烧结管，不断的被氧化分解，实现深度氧化。随着不锈钢管和不锈钢粉末烧结管的多次交替使用，放电、过滤截留和催化氧化作用能够得到最大程度的发挥，产生的活性氧化物质(氧原子、臭氧)更多，有机废气特别是颗粒态的有机物的降解更加彻底。

本实用新型是用于处理颗粒态有机物介质阻挡放电反应器的内电极，将采用一段不锈钢管、一段不锈钢粉末烧结管交替的形式组成多段复合式内电极。其中，不锈钢管参与放电，不锈钢粉末烧结管不参与放电，但不锈钢粉末管可以负载贵金属催化剂。不锈钢粉末烧结管具有孔径小、孔径规格多、孔隙率高及比表面积大的特点，对不同粒径的颗粒态有机污染物具有良好的过滤能力。对于一些颗粒态的有机物来说，当其经过不锈钢粉末烧结管时，会被截留在烧结管表面，大大延长其在反应器中的停留时间，同时与不锈钢烧结管表面的活性物质和以及贵金属催化剂充分接触，最终在催化氧化作用下转化成无害的CO₂和H₂O。另外，对于降解过程中由于反应不彻底所产生的其它气态有机物来说，首先在不锈钢管的放电间隙内与放电产生的活性氧化自由基完成初步氧化，接下来进入不锈钢粉末烧结管过滤层与贵金属催化剂充分接触，进一步完成催化氧化，反应副产物问题得到有效的解决。

本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：

不锈钢管和不锈钢粉末烧结管的多级交替布置，能使过滤、氧化作用更加充分，有助于颗粒态有机物的逐级深度氧化。同时不锈钢管的精度较高，放电时比较均匀，注入能量大，可以产生更多的氧化性自由基，生成的臭氧浓度高；不锈钢粉末烧结管能够负载贵金属等催化剂，低温催化性能好，处理气体经过不锈钢管后，再通过整个烧结管的催化层，与催化剂充分接触，有助于污染物的深度催化氧化，最终转化成无害的CO₂和H₂O。

综上所述，本实用新型公开了一种用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电反应器内电极。该内电极由不锈钢管和不锈钢粉末烧结管交替组成，形成一种具有过滤催化和等离子体放电共同作用的多段式复合内电极。其靠近进气口的一端封闭，靠近出气口的一端开口并与出气口连通；所述的不锈钢粉末烧结管是一种多孔的金属反应体，可负载贵金属催化剂。本实用新型的内电极与外部壳体组合后能够实现对颗粒态有机物的高效降解。与原有的整段过滤管(201110218959.9)相比，放电更加均匀稳定，注入能量更高，臭氧浓度高；多段过滤效果更加理想，氧化更加彻底。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本实用新型多段复合式内电极结构示意图；

图2是图1的A-A剖视放大示意图；

图3为整个反应器的结构示意图。

具体实施方式

实施例1、一种如图1和图2所示的用于处理颗粒态有机物的介质阻挡放电反应器的内电极，由不锈钢管1和不锈钢粉末烧结管2交替组成；所述不锈钢管1和不锈钢粉末烧结管2密封相连，从而形成多段复合式的内电极(为具有过滤、化学催化和等离子体氧化共同作用的多段复合式内电极)。其中不锈钢粉末烧结管2是由球状或不规则形状的不锈钢粉末通过压制成型和高温烧结而制得具有刚性结构的多孔材料，并负载贵金属催化剂。负载的催化剂优选为Au或Pt，负载量一般0.5～1ug/cm²(不锈钢粉末烧结管2外表面积)。即，每cm²的不锈钢粉末烧结管外表面积负载0.5～1ug的Au或Pt。贵金属催化剂采用反复涂层方法负载，首先用配制好的Au或Pt的盐溶液(氯金酸或氯铂酸溶液)对不锈钢粉末烧结管2进行均匀涂层，之后在空气中干燥一定时间，然后在400～500℃的温度下进行5～6h的煅烧，然后冷却称重。不锈钢粉末烧结管2的外径为20mm，孔隙率40～60％，孔径不大于0.1mm，即，有3μm、10μm、30μm、50μm等规格。不锈钢管1的外径略大于粉末烧结管2(大2～3mm)；不锈钢管1靠近进气口的该端面封闭，靠近出气口的该端面中间开孔并与出气口连通(如图3所示)。不锈钢粉末烧结管2的厚度在3～10mm。每段不锈钢管1与不锈钢粉末烧结管2长度之比为1:2～3。不锈钢管1的通道和不锈钢粉末烧结管2的通道形成了内电极内通道3。

该内电极的两端设置有用于支撑内电极的支撑部件，例如为支撑轴等。

实施例2、一种使用实施例1所述的内电极而设计加工而得的反应器，如图3所述，包括壳体4，壳体的一端为进气口，另一端为出气口；壳体4的外壁面包裹金属导电物，金属导电物接地作为介质阻挡放电的外电极；在壳体4内中间设置上述多段复合式电极，其外接交流电源或脉冲电源成为介质阻挡放电反应器内电极；内电极靠近进气口的一端封闭，内电极靠近出气口的一端开口且与出气口相连通；壳体的内壁与不锈钢管1的外壁之间的间隙为1～5mm；所述间隙形成介质阻挡放电间隙，该介质阻挡放电间隙与进气口相连通；所述介质阻挡放电间隙与出气口不连通，气体流经内电极内通道3再通过开孔流向反应器出气口。

应用实例1、

内电极的起始端(即，靠近进气口)为不锈钢管1，内电极的终止端(即，靠近出气口)为不锈钢粉末烧结管2。

共设置了3段不锈钢管1，每段不锈钢管1的长度3cm；3段不锈钢粉末烧结管2，每段不锈钢粉末烧结管2的长度6cm；每段不锈钢管与不锈钢粉末烧结管长度之比为1:2，内电极总有效长度L＝27cm。

每段不锈钢管1的直径(外径)为20mm(壁厚为6mm)，每段不锈钢粉末烧结管2的直径(外径)为17mm(壁厚为3mm)；即，不锈钢管1的直径比不锈钢粉末烧结管2的直径大3mm。

不锈钢粉末烧结管2的贵金属氧化物催化剂负载量为0.8ug/cm²(不锈钢粉末管外表面积)。贵金属选用金，为氯金酸溶液涂层。

不锈钢粉末烧结管2的孔径为：3μm，孔隙率为50％。

壳体4的内壁与不锈钢管1的外壁之间的间隙为1.9mm；壳体4的涂层为铝箔。

应用实例2、将应用实例2的贵金属由金改成银，为硝酸银溶液涂层，其余同应用实例1。

应用实例3、将应用实例2的贵金属由金改成铂，为氯铂酸溶液涂层，其余同应用实例1。

实验，将上述应用实例1～应用实例3所述的反应器进行萘废气的处理，废气流量为0.2L/min，萘浓度为50ppm，在输入峰值电压为9kV的脉冲高压(频率为400Hz)。

应用实例1，萘的降解效率为95％以上，CO₂选择率高达90％以上。

应用实例2，萘的降解效率为86％左右，CO₂选择率为80％左右。

应用实例3，萘的降解效率为89％左右，CO₂选择率为84％左右。

对比实例1-1，将不锈钢粉末烧结管2的直径改成20mm(即，同不锈钢管1的直径)；贵金属氧化物催化剂负载量为0.8ug/cm²(不锈钢粉末烧结管2的外表面积)，其余同应用实例1。

对比实例1-2，将内电极改成全部为不锈钢粉末烧结管2，不锈钢粉末烧结管2总长度为27cm，并在其上涂贵金属催化剂，贵金属氧化物催化剂负载量为0.8ug/cm²(不锈钢粉末烧结管2外表面积)，壳体4的内壁与不锈钢粉末烧结管2的外壁之间的间隙约为1.9mm；其余同应用实例1。

对比实例2-1、将应用实例1中的催化剂由“金”改成“钛”，含量不变，其余同应用实例1。

对比实例2-2、将应用实例1中的催化剂由“金”改成“钴”，含量不变，其余同应用实例1。

对比实例2-3、将应用实例1中的催化剂由“金”改成“锰”，含量不变，其余同应用实例1。

对比实验、将上述所有的对比实例按照上述方法进行检测，所得结果如下表1所述：

表1

	萘的降解效率(％)	CO₂选择率(％)
			对比实例1-1	85	78
对比实例1-2	81	65
			对比实例2-1	45	43
对比实例2-2	64	40
			对比实例2-3	78	36

应用实例4、将应用实例1中的“3段不锈钢粉末烧结管的孔径均为3μm，孔隙率均为50％”改成如下内容：

第一段不锈钢粉末烧结管的孔径为30μm，孔隙率均为50％；

第二段不锈钢粉末烧结管的孔径为10μm，孔隙率均为50％；

第三段不锈钢粉末烧结管的孔径为3μm，孔隙率均为50％；

备注说明：上述第一段不锈钢粉末烧结管～第三段不锈钢粉末烧结管，为沿着气流方向依次排列。

其余内容等同于应用实例1。

将上述应用实例4按照上述实验所述方法进行检测，所得结果如下：

萘的降解效率为98％以上，CO₂选择率高达90％以上。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的若干个具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims

1.用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电反应器内电极，其特征是：该内电极由依次交替排列的不锈钢管(1)和不锈钢粉末烧结管(2)组成，所述不锈钢管(1)和不锈钢粉末烧结管(2)密封相连，从而形成多段复合式的内电极；

不锈钢管(1)的通道和不锈钢粉末烧结管(2)的通道形成了内电极内通道(3)；

所述不锈钢粉末烧结管(2)为多孔的金属反应体；在不锈钢粉末烧结管(2)的外表面负载贵金属催化剂；

2.根据权利要求1所述的用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电反应器内电极，其特征是：所述不锈钢管(1)的外径比不锈钢粉末烧结管(2)的外径大2～3mm；每段不锈钢管(1)与不锈钢粉末烧结管(2)长度之比为1:2～3。

3.根据权利要求2所述的用于颗粒态有机物处理的介质阻挡放电反应器内电极；其特征是：所述不锈钢粉末烧结管(2)的孔径为3μm、10μm、30μm、50μm，孔隙率40％～60％；不锈钢粉末烧结管(2)的厚度在3～10mm。

4.利用权利要求1～3任一所述的内电极制备而得的反应器，包括壳体(4)，壳体(4)的一端为进气口，另一端为出气口；壳体(4)的外壁面包裹金属导电物，金属导电物接地作为介质阻挡放电的外电极；其特征是：在壳体(4)内设置外接交流高压或脉冲高压的内电极；内电极靠近进气口的一端封闭，内电极靠近出气口的一端开口且与出气口相连通；壳体(4)的内壁与不锈钢管(1)的外壁之间的间隙为1～5mm；所述间隙形成介质阻挡放电间隙，该介质阻挡放电间隙与进气口相连通；

所述介质阻挡放电间隙与出气口不连通，处理后的气体从内电极内通道(3)流出进入出气口。