专利名称：低温等离子体偶合光催化净化毒性物质的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低温等离子体偶合光催化净化毒性物质的方法和装置，更具体地说，涉及一种净化挥发性有机物、卤化有机化合物、痕量有机物，如PAHs、PCBs、PCDDs/PCDFs的方法和装置。
背景技术：
随着公众对于那些的毒性物质如挥发性有机物、卤化有机化合物、痕量有机物，如PAHs、PCBs、PCDDs/PCDFs等对环境和健康危害的逐步认识，需要经济而有效方法处理这些毒性物质显的更加迫切。
处理毒性物质的通常方法是高温焚烧和化学处理，高温焚烧是利用高温把毒性化合物破坏变成气体产物。但若炉温控制不好，因为原物质的不完全焚烧、或因为焚烧过程产生新的物质，毒性物质有可能排入环境。另外焚烧系统造价昂贵同时须要大量动力电能或油来维持设备的运行。化学处理是在合适化学试剂作用下使毒性物质分解，其主要缺点是废化学试剂易造成二次污染。
近年来，低温等离子体技术在净化有机毒物领域大放异彩，如Nichipor和Paur等人分别利用电子束降解解烟气中的PAHs和PCDDs/PCDFs(Nichipor H.et al.Radiat.Phys.Chem.65(2002)423-427；Paur H.R.et al.Radiat.Phys.Chem.52(1998)355-359)，杜长明等人利用滑动弧放电等离子体脱除烟气中的PAHs(杜长明等.中国电机工程学报26(2006)77-81)，Hong等人对大气压微波等离子体炬降解光气进行了研究(Hong Y.C.et al.IEEE Trans.Plasma Sci.33(2005)958-963)，Moeller等人还利用非平衡电晕放电净化技术进行了研究，他们对沙林毒剂的模拟剂甲基膦酸二甲酯(DMMP)进行了净化实验(Moeller T.M.et al.IEEETrans.Plasma Sci.28(2000)1454-1459)，Richards等人利用光催化降解工业废气中的PCDDs/PCDFs(美国专利US6541677)，张海云等利用二氧化钛光催化对有机膦农药与芥子气的降解作用进行了研究(张海云.第二军医大学硕士学位论文2004)。迄今为止，国内外尚无滑动弧放电等离子体整合二氧化钛光催化净化技术及应用其净化毒性物质如挥发性有机物、卤化有机化合物、痕量有机物，如PAHs、PCBs、PCDDs/PCDFs的研究或报道。
发明内容
本发明的目的就是提供一种将滑动弧放电等离子体和二氧化钛光催化技术有机结合起来的低温等离子体偶合光催化净化毒性物质的方法和装置。
本发明的原理是利用滑动弧放电等离子体产生的大量高能电子、O、·OH、NO·、HO2·、O2-·、O3等氧化性粒子及偶合二氧化钛TiO2在滑动弧放电等离子体产生的晕光和紫外线诱导下产生大量的羟基·OH能诱导化学反应，氧化分解气流中的毒性物质挥发性有机物、卤化有机化合物、痕量有机物，如PAHs、PCBs、PCDDs/PCDFs等生成CO2、H2O和HCl等无机物，反应产物用Ca(OH)2溶液进行洗涤吸收。低温等离子体偶合光催化净化单元由滑动弧放电等离子体反应区和蜂窝状载体二氧化钛光催化区构成，滑动弧放电发生器安装在进气端，在滑动弧放电等离子体反应区滑动弧放电能激发、电离、离解任何来源气流中的O2、H2O和N2，生成大量的O、·OH、NO·、HO2·、O2-·、O3等氧化性粒子和紫外线，氧化降解气流中的毒性物质，或杀死细菌病毒，同时激发下游附着在蜂窝载体上的二氧化钛TiO2的电子从价带跃迁至导带，形成具有很强化学活性的电子-空穴对，并进一步诱导一系列氧化还原反应的进行其中产生的空穴具有很强的得电子能力，可与TiO2表面的H2O发生反应生成羟基自由基·OH；离开滑动弧放电等离子体反应区的含有未被氧化分解的毒性物质气流进入二氧化钛光催化区继续氧化分解。
本发明的技术解决方案是含有毒物物质的气流通过动力风机加速引人管路中，并与含有自由基源物资(O2和H2O)的湿空气流混合，之后进入低温等离子体偶合光催化净化反应器，混合气流推动滑动弧发生器内三个电极之间的击穿电弧滑动形成滑动弧放电等离子体，同时等离子体激发催化区的二氧化钛，气流中的毒性物质在低温等离子体偶合光催化净化装置产生的大量高能电子O、·OH、NO·、HO2·、O2-·、O3等氧化性粒子作用下氧化分解生成CO2、H2O和HCl等无机物。反应产物最后进入吸收塔被Ca(OH)2吸收，从吸收塔处理的无毒气流从排气筒排入大气。
所述的动力风机的功率根据待处理的毒气流流量来确定。
所述的湿空气流由空压机产生的气流经过加湿器加湿来形成。
所述的低温等离子体偶合光催化净化反应器根据待处理的气流毒性物质浓度可由一级或多级滑动弧放电等离子体偶合光催化净化单元串联构成，每级配以一台三相高压等离子体电源，待处理的气流将一次或多次通过连续的滑动弧放电区域及二氧化钛光催化区。如待处理的气流流量过大，可通过分流的方式把气流均匀引人多个并联排布的低温等离子体偶合光催化净化反应器。
所述的滑动弧放电等离子体偶合光催化净化单元的体积及电极的尺寸根据待处理的气流流量和浓度来确定。
所述的电极可由钨、不锈钢、铝等材料制作。
所述的附着了二氧化钛的蜂窝载体，可以为金属、陶瓷等材料制作。
所述的吸收塔的体积及吸收液的流量根据待处理的气流流量来确定。
本发明的净化毒性物质的方法和装置，集滑动弧放电等离子体和二氧化钛光催化技术为一体，能有效的净化毒性物质挥发性有机物、卤化有机化合物、痕量有机物，如PAHs、PCBs、PCDDs/PCDFs等，并适合对各种风量、浓度毒性物质气流的治理。根据实际情况，可把动力风机、滑动弧放电等离子体偶合净化反应器、吸收塔等所有设备安装到一部卡车上，组装成移动式低温等离子体偶合光催化净化毒性物质设备。
图1是本发明的工艺流程示意图。
图2是本发明一级滑动弧放电等离子体偶合光催化净化单元结构示意图。
图3是本发明四级低温等离子体偶合光催化净化反应器结构示意中，1.动力风机，2.空压机，3.加湿器，4.低温等离子体偶合光催化净化反应器，5.高压等离子体电源，6.喷淋吸收塔，7.浆液槽，8.循环泵，9.排气筒，10.法兰，11.反应器外罩内壁，12.反应器外罩外壁，13.电弧，14.电极，15.接线端，16.多孔隔板，17.蜂窝载体。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的技术内容及实施例作一详细说明。
如图1所示，含有毒物物质的气流通过动力风机1加速引人管路中，并与了来自空压机2、加湿器3的湿空气流混合，之后进入低温等离子体偶合光催化净化反应器4，反应器通过高压等离子体电源5供电，混合气流中的毒性物质在低温等离子体偶合光催化净化反应器内氧化分解。反应产物最后进入喷淋吸收塔6被Ca(OH)2吸收，从吸收塔处理的无毒气流从排气筒排9入大气。
如图2所示，滑动弧放电等离子体偶合光催化净化单元具有圆柱型外罩内壁11和外壁12，外罩内壁11由不锈钢管制成，外壁12由石棉保温材料构成。净化单元内部由滑动弧放电等离子体反应区和蜂窝状载体二氧化钛光催化区构成，滑动弧放电等离子体反应区位于进气端，包括三个电极14和接线端15，蜂窝状载体二氧化钛光催化区由多孔隔板16和附着有二氧化钛的蜂窝载体17组成。混合气流推动滑动弧发生器内三个电极14之间的击穿电弧滑动形成滑动弧放电，电极可由钨、不锈钢、铝等材料制作。滑动弧放电能激发、电离、离解进入气流中的O2、H2O和N2，形成大量的O、·OH、NO·、HO2·、O2-·、O3等氧化性粒子等离子体区和紫外线，氧化降解气流中的毒性物质，或杀死细菌病毒，同时激发下游附着在蜂窝载体17上的二氧化钛TiO2的电子从价带跃迁至导带，形成具有很强化学活性的电子-空穴对，并进一步诱导一系列氧化还原反应的进行其中产生的空穴具有很强的得电子能力，可与TiO2表面的H2O发生反应生成羟基自由基·OH；离开滑动弧放电等离子体反应区的含有未被氧化分解的毒性物质气流进入二氧化钛光催化区继续氧化分解。
低温等离子体偶合光催化净化反应器根据待处理的气流毒性物质浓度可由一级如图2，或多级串联构成，图3所示为由四级滑动弧放电等离子体偶合光催化净化单元串联构成的低温等离子体偶合光催化净化反应器，每级配以一台三相高压等离子体电源。待处理的气流将一次或多次通过连续的滑动弧放电区域及二氧化钛光催化区。如待处理的气流流量过大，可通过分流的方式把气流均匀引人多个并联排布的低温等离子体偶合光催化净化反应器。
实施例一净化废气中PAHs本实施例中选用含有PAHs的废气作为净化对象，PAHs初始含量1372.9μg/m3，气流水汽含量加湿到450ppm，气流量3m3/h。将二级相同的滑动弧放电等离子体偶合光催化净化单元串联作为低温等离子体偶合光催化反应器，每级净化单元反应器外罩内壁由Ф55mm不锈钢管制成，长400mm，施加10kV电压，不锈钢电极长100mm，厚2mm，选用蜂窝状陶瓷作为二氧化钛载体。实验结果如表1，试验工况#2中，已把低温等离子体偶合光催化反应器中的附着了二氧化钛的蜂窝状陶瓷用不附着二氧化钛的蜂窝状陶瓷替换。可见滑动弧放电等离子体偶合光催化净化反应器的性能要比单一滑动弧放电等离子体反应器好，主要是因为二氧化钛TiO2的加入使反应器内增加了光催化作用，产生更多的羟基自由基·OH。
表1
实施例二净化甲苯模拟废气本实施例中选用甲苯模拟废气作为净化对象，废气初始浓度12320mg/m3，气流水汽含量加湿到1500ppm，气流量68m3/h。将三级相同的滑动弧放电等离子体偶合光催化净化单元串联作为低温等离子体偶合光催化反应器，每级净化单元反应器外罩内壁由Ф108mm不锈钢管制成，长600mm，施加10kV电压，不锈钢电极长165mm，厚2mm，选用蜂窝状陶瓷作为二氧化钛载体。实验结果如表2，试验工况#2中，已把低温等离子体偶合光催化反应器中的附着了二氧化钛的蜂窝状陶瓷用不附着二氧化钛的蜂窝状陶瓷替换。可见滑动弧放电等离子体偶合光催化净化反应器的性能要比单一滑动弧放电等离子体反应器好，滑动弧放电与光催化技术相结合提高了反应器的选择性。
表2
实施例三净化四氯化碳废气本实施例中选用四氯化碳废气作为净化对象，废气初始浓度10050mg/m3，气流水汽含量加湿到1800ppm，气流量150m3/h。将三级相同的滑动弧放电等离子体偶合光催化净化单元串联作为低温等离子体偶合光催化反应器，每级净化单元反应器外罩内壁由Φ108mm不锈钢管制成，长600mm，施加10kV电压，不锈钢电极长165mm，厚2mm，选用蜂窝状陶瓷作为二氧化钛载体。实验结果如表3，净化率高达99.3％。
表3
权利要求
1.一种低温等离子体偶合光催化净化毒性物质的方法，其特征在于含有毒物物质的气流通过动力风机1加速引入管路中，并与含有自由基源物资(O2和H2O)的湿空气流混合，之后进入低温等离子体偶合光催化净化反应器4，反应器通过高压等离子体电源5供电，混合气流中的毒性物质在低温等离子体偶合光催化净化反应器内氧化分解。反应产物最后进入喷淋吸收塔6被Ca(OH)2吸收，从吸收塔处理的无毒气流从排气筒排9入大气
2.根据专利要求1的方法，其中的毒性物质可以是挥发性有机物、卤化有机化合物、痕量有机物，如PAHs、PCBs、PCDDs/PCDFs等。
3.根据专利要求1的方法，动力风机的功率根据待处理的毒气流流量来确定。
4.根据专利要求1的方法，湿空气流由来自空压机2的空气通过加湿器3加湿形成。
5.根据专利要求1的方法，低温等离子体偶合光催化净化反应器根据待处理的气流毒性物质浓度可由一级或多级滑动弧放电等离子体偶合光催化净化单元串联构成，每级配以一台三相高压等离子体电源。待处理的气流将一次或多次通过连续的滑动弧放电区域及二氧化钛光催化区。如待处理的含有毒物物质的气流流量过大，可通过分流的方式把气流均匀引入多个并联排布的低温等离子体偶合光催化净化反应器。
6.根据专利要求1和5的方法，滑动弧放电等离子体偶合光催化净化单元由滑动弧放电等离子体反应区和蜂窝状载体二氧化钛光催化区构成，滑动弧放电发生器安装在进气端，配备三个电极。在滑动弧放电等离子体反应区滑动弧放电能激发、电离、离解任何来源气流中的O2、H2O和N2，生成大量的O、·OH、NO·、HO2·、O2-·、O3等氧化性粒子和紫外线，同时放电产生的晕光和紫外线诱导二氧化钛TiO2产生大量的羟基·OH，这些氧化性粒子能氧化分解气流中的毒性物质生成HCl、CO2和H2O等无机物，或使细菌病毒失去活性。
7.根据专利要求1、5和6的方法，滑动弧放电等离子体偶合光催化净化单元的体积及电极的尺寸根据待处理的气流流量和浓度来确定。
8.根据专利要求1、5和6的方法，附着了二氧化钛的蜂窝载体，可以为金属、陶瓷等材料制作。
9.根据专利要求1的方法，喷淋吸收塔的体积及吸收液的流量根据待处理的含有毒物物质气流的流量来确定。
全文摘要
本发明涉及一种净化含毒性物质气流的方法和装置，毒性物质例如挥发性有机物、卤化有机化合物、痕量有机物，如PAHs、PCBs、PCDDs/PCDFs等。含有毒物物质的气流通过动力风机1加速引人管路中，并与含有自由基源物资(O
文档编号B01J21/06GK101069811SQ20071002836
公开日2007年11月14日 申请日期2007年6月1日 优先权日2007年6月1日
发明者杜长明 申请人:中山大学