[發明專利]一種基于催化劑反電暈沿面擊穿的等離子體發生裝置及方法和應用

有效

• 申請號: 201210475434.8
• 申請日: 2012-11-20
• 公開（公告）號: CN102958264A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: 閆克平;馮發達;葉菱玲;劉冀;劉振
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H05H1/24
• 分類號: H05H1/24;B01D53/76;B01D53/86;B01D53/44
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明屬于等離子體發生技術領域，具體涉及一種基于催化劑反電暈沿面擊穿的等離子體發生裝置及方法。

背景技術

等離子體是完全電離或部分電離、電荷數近于相等的正負帶電粒子和中性粒子的物質聚集態。等離子體能夠產生活性成分，引起常規化學反應中難于實現的物理變化和化學反應。等離子體和催化劑結合可產生協同作用，促進催化反應的進行。

低溫等離子體產生方法有很多種，如強電場、激光、微波、高能粒子轟擊、加熱等。電暈放電和介質阻擋放電是最常用的低溫等離子體產生方法。電暈放電的主要問題是該方法注入反應器的能量較低，產生的等離子體很微弱，且非常不均勻，其強電場、電離和發光僅存在于電極附近；而介質阻擋放電的主要問題是能效低。在電除塵領域，電除塵器運行過程中會出現一種降低電除塵效果的反電暈現象。該現象的產生機理為：電除塵器對氣流中的粉塵荷電，帶電荷的粉塵在電場作用下被收集到極板；當粉塵的比電阻較高時，粉塵上的電荷難于釋放到極板上，引起電荷累積，粉塵層和收塵極板之間場強達到約10kV/cm時，粉塵層局部被擊穿，發生點狀放電，由氣體放電產生電暈光，出現反電暈現象。由反電暈的產生機理可知，反電暈可以產生等離子體。反電暈發生時，電暈電流迅速增大，使得放電功率增大，由此，反電暈可用于產生高密度等離子體。若在催化劑上產生反電暈，可使等離子體和催化劑緊密結合，增強等離子體和催化劑的協同作用。

目前，低濃度、大風量的有機廢氣的凈化處理，傳統處理技術如吸附、吸收、熱催化和焚燒等技術不同程度地存在處理效率低、能耗高和運行費用高等問題。低溫等離子體處理有機廢氣效率高、成本低，被認為是一種非常有前途的凈化處理技術。等離子體催化技術用于有機廢氣凈化處理已有較多的研究，其等離子體發生方式主要采用介質阻擋放電、電暈放電和脈沖放電，反應器按結構分為一段式和兩段式。一段式的特點是催化劑置于等離子體區內，等離子體和催化劑的結合較好，但存在副產物排放問題。兩段式的特點是催化劑置于等離子體區后，只有長壽命的物種才能到達催化反應區，并且前段產生的氣溶膠會沉積在催化劑表面，覆蓋活性位，降低廢氣凈化效率。目前公開報道的等離子體催化技術，主要是基于先產生等離子體，再作用于催化劑這種模式。由于等離子體產生的活性粒子壽命極短，絕大部分活性粒子在到達催化劑表面前就已消亡，等離子體與催化劑的相互作用較弱。同時，等離子體區內活性粒子的產生與消亡需消耗能量，這也降低了反應器的能量效率。

發明內容

針對現有技術所存在的上述技術缺陷，本發明提供了一種基于催化劑反電暈沿面擊穿的等離子體發生裝置及方法，能夠直接在催化劑上產生大量等離子體，為兩者協同作用提供了有利的條件。

一種基于催化劑反電暈沿面擊穿的等離子體發生裝置，包括等離子體發生器和高壓電源；所述的等離子體發生器內設有由電暈電極與多孔電極組成的高低壓電極對，所述的高低壓電極對間設有高比電阻催化劑層，所述的高壓電源與高低壓電極對相連接。

所述的高比電阻催化劑層采用比電阻大于1×10⁷Ω·cm的固體催化劑，如氧化鋁等；此類催化劑主要特征在于材料的價電子不容易自由遷移，在高壓電場下也不容易導電。

所述的電暈電極為尖端電極或線電極，如形式為點、針、線或網的電極。

所述的高壓電源的供電方式采用直流供電、交流供電、脈沖供電、直流疊加交流供電、直流疊加脈沖供電或交流疊加脈沖供電。

高壓電源與高低壓電極對相連接，其連接方式可根據實際需要進行調整，既可以與電暈電極相連接，也可以與多孔電極相連接，也可同時與電暈電極和多孔電極相連接。高壓電源供電，既可在電暈電極處產生電暈放電，又可對電暈放電區域和催化劑層施加高壓電場，驅使電暈放電產生的電荷對高比電阻催化劑荷電。

優選地，所述的電暈電極與高比電阻催化劑層之間設有輔助電極，能夠使電場分布更為均勻，抑制電暈放電向火花放電發展；所述的輔助電極連接有輔助電源，能夠提供反電暈觸發電場，促進催化劑反電暈沿面擊穿。輔助電源與輔助電極相連接，與高低壓電極對上相連接的高壓電源共同對高比電阻催化劑層起作用，使反電暈發生；輔助電源采用交流或脈沖電源時，主要起觸發反電暈發生的作用；當高低壓電極對上施加的高壓電源產生的場強已足夠使催化劑反電暈沿面擊穿發生時，輔助電源可不接通；此時，輔助電極作為懸浮電極，起重新分布電場的作用。

優選地，所述的高比電阻催化劑層中的催化劑為蜂窩狀或泡沫狀結構；此類結構的催化劑能夠提供較多的孔道和表面積，從而提供更多的電荷附著表面，使催化劑更容易被荷電。