自由基电离器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种自由基电离器，其包含壳体，壳体一端设置一个或多个O2进气口，另一端设置电离后含自由基的气体出气口；壳体内具有一对正、负极板，或者一对以上平行、交替设置的正、负极板，所述正、负极板具有冷却腔，正、负极板之间具有允许O2流通的间隙，冷却腔内具有冷却剂进口和出口，正极板、负极板和冷却剂之间绝缘。在正、负极板的工作表面涂一层固体自由基稳定剂，和/或，向充入的氧气气流中加入一些气体氧自由基稳定剂，使得该装置产生氧自由基的反应加强，产物固定在氧自由基(O?O·－)或高氧化性物质的状态，大大减少副反应的发生，降低了能耗。
【专利说明】
自由基电离器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种将气体分子离解成自由基的电离装置。
【背景技术】
[0002] 传统的臭氧发生器是一种将氧气先电离成氧自由基，然后形成的氧自由基立即结 合形成臭氧的装置。
[0003] 该臭氧发生器电耗高，效率低的原因如下：
[0004] 氧气在两互不导电的极板之间，当两极板之间充上高频高压电压时，极板间的氧 气分子在负极板上获得一个电子变成带负电的氧自由基（用〇-〇' _表不），其反应如下：
[0005] 02+4e - 0-0 ? _ (1)
[0006] 在两极板之间，在负极板上形成的氧自由基（0-0~)，向正极板方向运动，这一过 程中将会发生如下一些作用的可能性：
[0007] 1、当氧自由基（0-0…）到达了正极板时，氧自由基（0-0…）在正极板上释放电 子，氧自由基（〇_〇' _)仍然转变成氧气（〇2)，并放出热量，其反应如下：
[0008] 〇-〇 - 4e - 02 ⑵
[0009] 2、当氧自由基（0-0 + )向正极板运动时，和氧气分子发生碰撞形成臭氧，其反应 如下：
[0010] 202+0-0'_- 203 ⑶
[0011] 3、当氧自由基（0-0 - )向正极板运动时，和03臭氧分子发生碰撞，仍然形成氧气， 并释放大量热量，其反应如下：
[0012] 203+0-0'_- 402 ⑷
[0013] 4、当氧自由基（0-0…）向正极板运动，且极板间温度过高（大于30°C )时，如果 〇；?臭氧分子和〇 3臭氧分子发生碰撞，仍然形成氧气，并释放大量热量，其反应如下：
[0014] 03+03- 30 2 (5)
[0015] 所以，传统的臭氧发生器电耗极高，通常要获得lKg臭氧需要消耗7度以上的电 能；但理论上，生产lKg臭氧需要消耗约1. 115度电能即可。所以，大部分电能是消耗在反 应(2)、⑷和(5)中，有效反应(3)所获得的能量较少。
【发明内容】
[0016] 本发明的目的在于提供一种能高效率地产生自由基物质的电离装置，使该装置产 生氧自由基的反应⑴加强，使产物固定在氧自由基（〇-〇' _)或高氧化性物质的状态，大大 减少反应⑵、⑷和⑶的发生。
[0017] 该电离装置的实现方式有如下三种：
[0018] 1、电离与气体自由基稳定剂组合电离器：正极板和负极板除和接电点处是导通之 外，其它地方全部绝缘，用冷却剂对正极板和负极板进行冷却，正极板和负极板与冷却剂之 间绝缘，不导电；向正极板和负极板之间施加电压，并向充入正极板和负极板之间的氧气气 流（也可以充入其它任何可以离解的气体）中加入一些气体氧自由基稳定剂，如N02、S03、 〇)2等，使氧自由基与这些气体氧化物反应生产高氧化态形式的自由基物质。其反应如下：
[0019] 02+4e -0-0 -
[0020] 0-0' ' +2N02^ 2N0 3' ~
[0021] 0-0._+2S03-2S04. _
[0022] 0-0. _ +2C02- 2C0 3. _
[0023] 当含N03 ? _自由基的氧气可以充入含NO废气中，N03 ? _自由基会将NO氧化N02， N03 ' _ +N0 - 2N02，利用该反应可以用于气体脱硝；
[0024] 当含S04…自由基的氧气可以充入含502废气中，S0 4'_自由基会将S02氧化S03， S04' _+S02- 2S03，利用该反应可以用于气体脱硫；
[0025] 当含C03…自由基的氧气可以充入含C0废气中，C03…自由基会将C0氧化C0 2; C03'_+C0 - 2C02，利用该反应可以用于C0变换。
[0026] 2、电离与固体自由基稳定剂组合电离器：正极板和负极板除和接电点处是导通之 外，其它地方全部绝缘，用冷却剂对正极板和负极板进行冷却，正极板和负极板与冷却剂之 间绝缘，不导电，并在正极板和负极板的工作表面涂一层固体自由基稳定剂（该固体自由 基稳定剂是无放射性的过渡金属高氧化态，该"高氧化态"是指比最低价态高的氧化价态 或在大气中能长期稳定存在的氧化态）的氧化物的一种或一种以上物质的混合物，然后向 正极板和负极板之间施加电压，此时充入正极板和负极板之间的氧气会发生电离作用，电 离以后获得的氧自由基（〇_〇' _)立即和负极板上的固体自由基稳定剂结合，使氧自由基 (0-0~)不向正极板运动，而就停留在负极板上滚动，并随主体气流带出电离器，在电离器 中不发生或减少发生⑵、⑶、⑷和⑶反应过程；含氧自由基（0-0 + )的氧气可以作为强氧化 剂，用于氧化各种物质。电离过程中会发生如下反应：
[0027] 02+4e - 0-0. _
[0028] 〇-〇 +Mx0y-M x0(y+2)
[0029] Mx0(y+2). +M x0y- M x0y+Mx0(y+2).
[0030] …
[0031] Mx0(y+2). - Mx0y+0_0'
[0032] 3、电离与气体自由基稳定剂和固体自由基稳定剂组合电离器：正极板和负极板除 和接电点处是导通之外，其它地方全部绝缘，用冷却剂对正极板和负极板进行冷却，正极板 和负极板与冷却剂之间绝缘，不导电，并在正极板和负极板的工作表面涂一层固体自由基 稳定剂（该固体自由基稳定剂是无放射性的过渡金属高氧化态的氧化物的一种或一种以 上物质的混合物），然后向正极板和负极板之间施加电压，此时充入正极板和负极板之间的 氧气会发生电离作用，电离以后获得的氧自由基（〇-〇 + )立即和负极板上的固体自由基稳 定剂结合，使氧自由基（〇_〇'_)不向正极板运动，而就在负极板上滚动，并随主体气流带出 电离器；同时还向充入正极板和负极板之间的氧气气流中加入一些气体氧自由基稳定剂， 如N0 2、S03、C02等气体，使氧自由基与这些气体氧化物反应生产高氧化态形式的自由基物 质。也就是说这种电离方式是前面两种电离方式的复合形式。因此，以上两种方式中所发 生的各种反应在本方式中都会发生。
[0033] 本发明涉及一种自由基电离器，其包含：壳体，壳体一端设置一个或多个〇2进气 口，另一端设置电离后含自由基的气体出气口；壳体内具有一对或一对以上平行、交替设置 的、具有冷却腔的正/负电极板，正/负电极板之间具有允许(V流通的间隙，冷却腔内具有 冷却剂进口和出口，正极板、负极板和冷却剂之间绝缘。
[0034] 作为优选方案，在正/负极板的外表面以及和冷却剂接触的内表面附有绝缘层。
[0035] 作为优选方案，正极板与负极板之间的间隙宽度（即间隙处正极板和负极板表面 的距离）为〇? 01~ICtam，优选〇? 05~5謹，最优选0? 1~3謹。
[0036] 作为优选方案，冷却腔内注入的冷却剂选自水、乙二醇、聚乙二醇、变压器冷却油。
[0037] 作为优选方案，冷却腔内注入的冷却剂使正/负电极板的工作温度小于30°C，优 选小于20°C，最优选为4°C左右。
[0038] 作为优选方案，02进气口同侧设置有气体氧自由基稳定剂进气口、或气体氧自由 基稳定剂与〇 2共用同一管道，所述气体氧自由基稳定剂选自N0 2、S03、C02。
[0039] 作为优选方案，相对的正/负电极板表面的绝缘层上具有固体自由基稳定剂层， 所述固体自由基稳定剂为无放射性的过渡金属高氧化态的氧化物的一种或一种以上物质 的混合物。
[0040] 本发明还涉及一种上述自由基电离器在氧化NO、SOjP /或C0气体中的应用。
[0041] 本发明还涉及一种上述自由基电离器在处理含NO、SOjP /或C0废气中的应用。
[0042] 作为优选方案，上述自由基电离器产生氧自由基或其他高氧化态形式的自由基物 质，将NO、S0# /或C0氧化为N0 2、SO# /或C0 2，然后再用吸收剂相应地将生成的N02、 S0#P/或C02吸收除去。
[0043] 作为优选方案，上述高氧化态形式的自由基物质为N03'_g由基、S0 4'_g由基和/ 或0)3'_自由基。
[0044] 本发明还涉及一种除去气体中N0、SOjP /或C0的装置，其包括上述自由基电离 器。
[0045] 本发明的有益效果：
[0046] 传统的臭氧发生器电耗极高，通常要获得lKg臭氧需要消耗7度以上的电能；但理 论上，生产lKg臭氧需要消耗约1. 115度电能即可。同时，实际试验结果表明，如果用臭氧 直接将lmol的N0氧化成勵2时，需要消耗1. 5mol以上的臭氧，这样能耗非常高。而用本 发明的氧自由基将lmol的N0氧化成繼2时，只需要消耗0. 5mol的氧自由基，利用本发明 的自由基电离器生产氧自由基时，生产lmol氧自由基消耗2度以下的电。所以本发明的自 由基电离器比传统的臭氧发生器具有极大的成本优势。
【附图说明】
[0047] 图1是电离与气体自由基稳定剂组合电离器的示意图。其中：1是氧气（也可以是 其它任何可以离解的气体），2是气体氧自由基稳定剂（如N0 2、S03、0)2等），3是电离后含 自由基的气体，4是有正极板，5是负极板，6是绝缘层，7是金属电极，8是电极冷却腔，9是 冷却剂进或出口。
[0048] 图2是电离与固体自由基稳定剂组合电离器的示意图。其中：1是氧气（也可以 是其它任何可以离解的气体），3是电离后含自由基的气体，4是有正极板，5是负极板，6是 绝缘层，7是金属电极，8是电极冷却腔，9是冷却剂进或出口，10是固体自由基稳定剂层。
[0049] 图3是电离与气体自由基稳定剂和固体自由基稳定剂组合电离器的示意图。其 中是氧气（也可以是其它任何可以离解的气体），2是气体氧自由基稳定剂（如N0 2、S03、 C〇2等），3是电尚后含自由基的气体，4是有正极板，5是负极板，6是绝缘层，7是金属电极， 8是电极冷却腔，9是冷却剂进或出口，10是固体自由基稳定剂层。
[0050] 图4是含N0的气体的氧化和吸收工艺的示意图。其中：3是电离后含自由基的气 体（从自由基电离器来），11是含N0的气体（由队和N0混合组成），12是气体混合氧化 器，13是被氧化后的气体（其中N0绝大部分氧化成了 N02)，14是吸收瓶，15是NaOH水溶 液，16是碱液吸收后的气体，17在线烟道气分析仪。
【具体实施方式】
[0051] 下面结合具体的实施方案来描述本发明所述的自由基电离器。所述的实施方案是 为了更好地说明本发明，而不能理解为是对本发明的权利要求的限制。
[0052] 其操作和实施方法如下：
[0053] 实施方法一，电离与气体自由基稳定剂组合电离器如图1所示，其操作方法是：为 了保证正极板4和负极板5绝对绝缘的，首先要在它们的金属电极7的外表面和冷却剂接 触的表面上附上一层绝缘层6,要求绝缘层6能保证在任何间隙下和在正极板4和负极板5 之间加上了 1000~15000V高频电压时，正极板4和负极板5不会被击穿，正极板4和负极 板5与冷却剂之间不会导电；在一台自由基电离器中，分别可以安装一块或一块以上正极 板4和负极板5,但保证正极板4和负极板5的数量相等，且交错定位，正极板4和负极板5 之间的最佳间隙为0. 1~3_。通常情况下正极板4和负极板5之间的间隙越小越好，但太 小气流阻力大，生产能力小，太大时电耗高，效率低，发热量大；开启自由基电离器前，先通 过冷却剂进或出口 9向电极冷却腔8中注入冷却剂（冷却剂可以是任何无毒、无害、流动性 能好的液体，如水、乙二醇、聚乙二醇、变压器冷却油等），使其循环，保证正极板4和负极板 5上的温度都小于30°C，最佳温度为4°C左右；接着向正极板4和负极板5之间的空隙充入 氧气1 (也可以是其它任何可以离解的气体）气流，在正极板4和负极板5上加上一定的电 压（实验室中试验用电源的输出电压是可调的），同时向氧气1气流中补加一定量的气体氧 自由基稳定剂（如N0 2、S03、0)2等）3,产生的电离后含自由基的气体3离开自由基电离器， 输送给需要的场合使用。
[0054] 实施方法二，电离与固体自由基稳定剂组合电离器如图2所示，其操作方法是：为 了保证正极板4和负极板5绝对绝缘的，首先要在它们的金属电极7的外表面和冷却剂接 触的表面上附上一层绝缘层6,要求绝缘层6能保证在任何间隙下和在正极板4和负极板5 之间加上了 1000~15000V高频电压时，正极板4和负极板5不会被击穿，正极板4和负极 板5与冷却剂之间不会导电；同时为了提高自由基的产量和含量，在正极板4和负极板5所 对应的面上的绝缘层6上面再覆盖一层固体自由基稳定剂层10 (该固体自由基稳定剂是无 放射性的过渡金属高氧化态的氧化物的一种或一种以上物质的混合物）；在一台自由基电 离器中，分别可以安装一块或一块以上正极板4和负极板5,但保证正极板4和负极板5的 数量相等，且交错定位，正极板4和负极板5之间的最佳间隙为0. 1~3mm，通常情况下正极 板4和负极板5之间的间隙越小越好，但太小气流阻力大，生产能力小，太大时电耗高，效率 低，发热量大；开启自由基电离器前，先通过冷却剂进或出口 9向电极冷却腔8中注入冷却 剂（冷却剂可以是任何无毒、无害、流动性能好的液体，如水、乙二醇、聚乙二醇、变压器冷 却油等），使其循环，保证正极板4和负极板5上的温度都小于30°C，最佳温度为4°C左右； 接着向正极板4和负极板5之间的空隙中充入氧气1(也可以是其它任何可以离解的气体） 气流，在正极板4和负极板5上加上一定的电压（实验室中试验用电源的输出电压是可调 的），产生的电离后含自由基的气体3离开自由基电离器，输送给需要的场合使用。
[0055] 实施方法三，电离与气体自由基稳定剂和固体自由基稳定剂组合电离器如图3所 示，其操作方法是：为了保证正极板4和负极板5绝对绝缘的，首先要在它们的金属电极7 的外表面和冷却剂接触的表面上附上一层绝缘层6,要求绝缘层6能保证在任何间隙下和 在正极板4和负极板5之间加上了 1000~15000V高频电压时，正极板4和负极板5不会被 击穿，正极板4和负极板5与冷却剂之间不会导电；同时为了提高自由基的产量和含量，在 正极板4和负极板5所对应的面上的绝缘层6上面再覆盖一层固体自由基稳定剂层10 (该 固体自由基稳定剂是无放射性的过渡金属高氧化态的氧化物的一种或一种以上物质的混 合物）；在一台自由基电离器中，分别可以安装一块或一块以上正极板4和负极板5,但保 证正极板4和负极板5的数量相等，且交错定位，正极板4和负极板5之间的最佳间隙为 0. 1~3mm，通常情况下正极板4和负极板5之间的间隙越小越好，但太小气流阻力大，生 产能力小，太大时电耗高，效率低，发热量大；开启自由基电离器前，先通过冷却剂进或出口 9向电极冷却腔8中注入冷却剂（冷却剂可以是任何无毒、无害、流动性能好的液体，如水、 乙二醇、聚乙二醇、变压器冷却油等），使其循环，保证正极板4和负极板5上的温度都小于 30°C，最佳温度为4°C左右；接着向正极板4和负极板5之间的空隙中充入氧气1 (也可以 是其它任何可以离解的气体）气流，在正极板4和负极板5上加上一定的电压（实验室中 试验用电源的输出电压是可调的），同时向氧气1气流中补加一定量的气体氧自由基稳定 剂（如N0 2、S03、0)2等）3,产生的电离后含自由基的气体3离开自由基电离器，输送给需要 的场合使用。
[0056] 参比试验，参比试验和电离与气体自由基稳定剂组合电离器相同，操作方法也相 同，只是取消气体氧自由基稳定剂3,结果实际上产生电离后含自由基的气体3就是臭氧， 离开自由基电离器，输送给需要的场合使用。
[0057] 为了简便、有效地验证以上实施方法的实际效果，我们安装了图4所示的含N0气 体的氧化和吸收工艺。
[0058] 图4是含N0的气体的氧化和吸收工艺的示意图。其操作方式是：流量为1. 2L/mim 的含NO的气体11 (由队和NO混合组成，NO含量为lOOOppm)和流量为0. 3L/min的从自由 基电离器输送过来的电离后含自由基的气体3在气体混合氧化器12中混合并发生氧化反 应，将N0氧化成N0 2，并转变成被氧化后的气体13 (该气体流量为1. 5L/min)，被氧化后的气 体13进入吸收瓶14,在吸收瓶14中，被氧化后的气体13中的勵2被NaOH水溶液15吸收， 然后转变成碱液吸收后的气体16,碱液吸收后的气体16送入在线烟道气分析仪17进行N0 和勵 2含量的在线分析。在正极板4和负极板5间的间隙为0. 15mm，其电压为2800V，频率 为5. 4万MHv时，用实施方法一、实施方法二、实施方法三和参比试验所获得的电离后含自 由基的气体3对含N0的气体11进行氧化和吸收试验。试验结果如表1所示。
[0059] 表1实施方法一、实施方法二和实施方法三进行氧化吸收效果对比表
[0060]
[0061] 从实验结果可以看出，实施方法一脱硝效果比实施方法二的脱硝效果差，这三种 实施方法中，实施方法三的脱硝效果明显比实施方法一和实施方法二的脱硝效果好许多。 而实施方法一、实施方法二和实施方法三都要比参比试验的结果好。
【主权项】
1. 一种自由基电离器，其包含：壳体，壳体一端设置一个或多个0 2进气口，另一端设置 电离后含自由基的气体出气口；壳体内具有一对正极板和负极板，或者一对以上平行、交替 设置的正极板和负极板，所述正极板和负极板具有冷却腔，正极板和负极板之间具有允许 (V流通的间隙，冷却腔内具有冷却剂进口和出口，正极板、负极板和冷却剂之间绝缘。2. 如权利要求1所述的自由基电离器，其特征在于，在壳体的0 2进气口同侧设置有气 体氧自由基稳定剂进气口，或者气体氧自由基稳定剂与〇2共用同一管道，所述气体氧自由 基稳定剂选自N0 2、SOjP CO 2。3. 如权利要求1或2所述的自由基电离器，其特征在于，在正极板和负极板的外表面以 及和冷却剂接触的内表面附有绝缘层。4. 如权利要求3所述的自由基电离器，其特征在于，在正极板和负极板相对表面的绝 缘层上具有固体自由基稳定剂层，所述固体自由基稳定剂为无放射性的过渡金属高氧化态 的氧化物的一种或一种以上物质的混合物。5. 如权利要求1~4任一项所述的自由基电离器，其特征在于，正极板与负极板之间的 间隙宽度为〇. 01~1〇臟，优选〇. 05~5mm，最优选0. 1~3mm。6. 如权利要求1~5任一项所述的自由基电离器，其特征在于，冷却腔内注入的冷却剂 选自水、乙二醇、聚乙二醇和/或变压器冷却油。7. 如权利要求1~6任一项所述的自由基电离器，其特征在于，冷却腔内注入的冷却剂 使正极板和负极板的工作温度小于30°C，优选小于20°C，最优选为4°C左右。8. 权利要求1~7任一项所述的自由基电离器在氧化NO、SO 2和/或C0气体中的应 用。9. 权利要求1~7任一项所述的自由基电离器在处理含NO、SO 2和/或C0废气中的应 用。10. 如权利要求8或9所述的应用，其特征在于，自由基电离器产生氧自由基或其他高 氧化态形式的自由基物质，将NO、SOjP /或C0氧化为NO 2、S0#P /或C0 2，然后再用吸收剂 相应地将生成的N02、SOjP /或C0 2吸收除去。11. 如权利要求10所述的应用，其特征在于，所述高氧化态形式的自由基物质为NO 3 自由基、S04'_g由基和/或0)3'_自由基。12. -种除去气体中NO、SO 2和/或C0的装置，其包括权利要求1~7任一项所述的自 由基电离器。
【文档编号】C01B13/11GK105984850SQ201510069414
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月10日
【发明人】魏雄辉
【申请人】江西永丰博源实业有限公司