设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器的制造方法
【专利摘要】本发明属于低温等离子体应用领域，具体涉及一种设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器。其特征在于核壳结构多孔球设在等离子体放电电极之间，既作为过滤填料，又是放电中间电极。核壳结构的多孔球包括导体核、绝缘壳和催化剂涂层。绝缘壳是多孔结构，表面积大，咐附能力强，适合作过滤填料，而导体核易被电场极化，适合作为中间电极应用于气体放电隙中。本发明分利用了核壳结构多孔球对污染物有强吸附能力和光催化能力，以及等离子体对污染物的强分解能力，既可大幅提高单次净化效率，又能时刻保持多孔球表面的清洁度、强吸附能力和光催化能力，可广泛应用于污水处理、健康水生产和活化水生产，以及工业尾气、汽车尾气和室内空气净化。
【专利说明】设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器
【技术领域】
[0001]本发明属于低温等离子体应用领域，具体涉及一种设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器。
【背景技术】
[0002]陶瓷多孔球、麦饭石多孔球和石英多孔球等具有高孔隙率和高表面积的材料，对污染物有很强吸附能力，一直被广泛应用于水过滤系统中作为过滤填料。然而，目前采用多孔球作为过滤填料的水过滤系统中，过滤料均无有效的自清洁方法，需要定期更换新的多孔球过滤填料。定期的维护,不仅增加材料成本,也增加过滤系统的维护成本,并且,对用户使用造成不便。一旦维护不及时，不但不能净化水质，还可能导致水源的二次污染，安全性无保障，用户接受度不高，影响了此类水过滤系统的大规模推广应用。因此，多孔球过滤系统必须设置即时自清洁功能，不让污染物长时间滞留在多孔球表面，一方面确保过滤系统在长期使用中都能时刻保持多孔球表面的清洁度和强吸附能力，安全性有保障；另一方面节省了大量维护成本和更换多孔球过滤填料的费用，提高过滤系统的使用经济性。
[0003]然而，多孔球本身是无源过滤填料，本身不具备分解或者清理表面污染物的能力，即只收集不处理，需要考虑与其他有源净化系统的结合才能实现系统的即时自清洁功能。
[0004]近年来，低温等离子体技术作为一种新兴的污染物处理技术，具有流程短、效率高、适用范围广等特点，被广泛应用于工业废气处理、除尘、汽车尾气处理、废水处理、臭氧合成和活化水领域。低温等离子体体技术主要是基于大气压放电等离子体技术，利用大气压放电所产生的臭氧、氧原子、羟基等活性自由基团与大气或者水中污染源的深度氧化和分解反应，来达到脱除大气或者水中有害物质的目的，同时伴随紫外光解、冲击波作用，从而脱除大气或者水中的有机物、杀灭病菌。即利用等离子体中的各种活性自由基和紫外线的强氧化作用和灭菌效应，降解有机污染源、沉降金属离子、杀灭病菌，对生活和工业排放的污染源均有普遍适用性，体积紧凑，投资低，不受环境限制，受到广泛认可。
[0005]然而，目前公开的等离子体水处理装置和方法都存在能效偏低，单位能耗高等问题，单次净化效果远低于预期，原因是目前用于处理污水的等离子体装置都是基于介质阻挡放电、电晕放电、火花放电或热平衡等离子体。一方面由于气压高，放电只能在局部小区域内激发等离子体，并且，碰撞频率高、自由程短，等离子体中活性自由基扩散性差、寿命短，不易于充分与水中污染源接触反应，因此，活性自由基的利用率不高，导致处理效率低；另一方面水流快速通过放电隙，污染物与等离子体接触时间太短暂，或者有部分污染物没机会与等离子体接触，未被等离子体分解就离开放电区，因此，单次净化效果不佳。单纯增加放电强度对提高单次净化效果并无显著效果，反而会进一步增加能耗，如何使污染物较长时间滞留在放电区与等离子体充分接触，才是提高单次净化效果的有效途径。
[0006]多孔球对污染物有强吸附能力，而等离子体则具有强分解能力，二者结合具有互补性:多孔球优先吸附污染物，使污染物不会随水流或气流快速离开放电区，使污染物与等离子体有充分接触机会和分解时间，大幅提高单次净化效果；等离子体的强分解能力能即时清洁吸附于多孔球表面的污染物，使多孔球表面在长期应用中均无污染物堆积，时刻保持表面的清洁度和强吸附能力。
[0007]将多孔球作为过滤填料置于放电区中，会挤占放电空间和水流或者气流通道，为保证有足够的放电空间和水流或者气流通道，必须加大放电电极间距。然而，放电电压与两电极的间距成正比例关系，电极间距增大，放电电压也随之增加，并且，电极间加入介电常数较高的多孔球，如陶瓷球多孔球、麦饭石多孔球和石英多孔球等，强电场主要落在多孔球上，会进一步提高放电电压，过高的放电电压会增加等离子体发生器成本和能耗。需要采取措施，既增大了电极间的名义间距，获得足够的放电空间和水流或者气流通道，并在电极间放入了高介电常数的多孔球填料，又不增加实际放电电极间距，并且，落在多孔球上的电压占放电电压比例还不能高。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是通过将核壳结构多孔球过滤填料填充到放电电极之间的放电隙中，优化等离子体净化装置的放电效率和单次净化效率。核壳结构多孔球具有金属核、多孔介质壳和光催化剂表面的结构特征，多孔表面具有大表面积，并且，表面涂覆了纳米晶光催化剂层，进一步增大表面积，增强表面吸附能力，纳米晶光催化剂还能吸收来自等离子体的紫外光，辅助分解污染物；核壳结构多孔球的金属核则具有良好的导电率，在电场中被极化，在放电区中充当放电中间电极，使实际放电间距缩小为:
L=L0-N*D
其中，L为实际放电间距，L0为名义电极间距，N为放电电极连线上填入的多孔球个数，D为多孔球金属核的直径。
[0009]一方面核壳结构多孔球作为放电区的过滤填料，具有高孔隙率和大表面积，起到吸附污染物、净化水质或者气体的作用，提高单次净化效果；另一方面，多孔球又充当两组放电电极之间的中间电极，缩小实际放电电极间距，降低放电电压，提高放电效率。
[0010]所述的一种设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器，如图1所示，包括过滤填料101、地电极102、高压电极103、外介质管104、内介质管105、高压电源106、进水/气口 107、出水/气口 108 ;其特征在于同轴结构的外介质管104和内介质管105之间的放电隙中填充有过滤填料101 ;过滤填料101中设有核壳结构多孔球；核壳结构多孔球由金属核201、绝缘壳202和光催化剂涂层203组成，金属核201外表面紧密包裹了多孔结构的绝缘壳202，绝缘壳202表面设有纳米晶光催化剂涂层203 ;外介质管104外表面设有地电极102，地电极102与高压电源106共地，内介质管105内设有高压电极103，高压电极103接高压电源106的高压输出端，外介质管104 —端开口，设有进水/气口 107，另一端与内介质管105的管壁烧接在一起，靠近接口处设有出水/气口 108，内介质管105的另一端自封闭。核壳结构多孔球作为过滤填料设置于电极之间的放电隙中，核壳结构多孔球对污染物有强吸附能力和光催化能力，与具有强分解能力的等离子体结合，可大幅提高单次净化效果，并能时刻保持多孔球表面的清洁度、强吸附能力和光催化能力；核壳结构多孔球同时作为放电结构的中间电极，可增大放电间隙宽度，获得大体积等离子体，还不会显著增加放电电压，从而提高放电效率，因此，优化了等离子体净化装置的放电效率和单次净化效果。
[0011]所述的同轴结构的外介质管104和内介质管105之间的放电隙中设有多孔球过滤填料，多孔球直径范围在3-20_。放电隙宽度与工作气压和净化器用途(水净化或者气体净化)相关，按照放电宽度和净化器用途选择大小合适的过滤填料，多孔球直径的优先范围在3_20mm。
[0012]所述的过滤填料101是核壳结构多孔球，或者核壳结构多孔球与麦饭石多孔球、陶瓷多孔球和石英多孔球中的一种或者几种以任何比例混合的填料。过滤填料101兼作放电的中间电极，因此，必须包含核壳结构多孔球，根据净化器的用途以及多孔球的催化特性，还可掺入麦饭石多孔球、陶瓷多孔球和石英多孔球中的一种或者几种，以增强净化效率。
[0013]所述的核壳结构多孔球是由金属金属核201、多孔陶瓷绝缘壳202和T12纳米晶光催化剂涂层203组成，如图2所示。作为放电中间电极的金属核除了有导电性外，还可以具有磁性，用于水净化，还可能获得磁化健康水。
[0014]所述的外介质管104和内介质管105是同轴结构，其主要成份是S12或者A1203。介质管必须绝缘，同时又不容易被等离子体刻蚀出来对水造成二次污染，S12和Al2O3是常用的稳定性良好的廉价玻璃体或者陶瓷体材料。
[0015]所述的出水/气口 108有一个或者多个，设置在外介质管104与内介质管105烧接口处附近。进水/气口 107和出水/气口 108应该分设同轴放电管两端，让水/气在等离子体中的运动距离最大化，增强处理效率，由于出水/气口 108直径较进水/气口 107小，有必要多设置1-3个，增加水/气排出能力。
[0016]所述的同轴结构的外介质管104和内介质管105是垂直放置。净化器应用于水净化时，水需要借助重力自上而下流过放电隙，因此，净化器需要垂直放置。
[0017]所述的外介质管104和内介质管105之间的放电隙中的气压范围是大气压到13Pa0根据净化器用途对等离子体密度、温度和体积的要求，以及放电隙宽度，优选放电隙的工作气压，在等离子体净化器用于水活化处理时，放电隙工作气压可低至103Pa。
[0018]所述的外介质管(104)和内介质管(105)之间的放电隙宽度范围是5_50mm。在需要在放电隙中填入填塞料料，放电隙的宽度需要适当增加宽度，配合工作气压的选择，放电隙宽度范围可在5-50mm之间调节。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1、设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器纵切面示意图。
[0020]图2、核壳结构多孔球切面示意图。
[0021]图中101-过滤填料，102-地电极，103-高压电极，104-外介质管，105-内介质管，106-高压电源，107-进水/气口，108-出水/气口，201-金属核，202-绝缘壳，203-催化剂涂层。
【具体实施方式】
[0022]本发明的【具体实施方式】如图1所示:
将制成的过滤填料101应用于如图1所示等离子体水/气体净化装置中。放电装置主体结构是，同轴烧接在一起的两支石英管分别作为放电的外介质管104和内介质管105，外介质管104外设有地电极102，内介质管内设有高压电极103，核壳结构多孔球过滤填料101设在外介质管104和内介质管105之间的放电隙中，高压电源的高压输出端接高压电极103，高压电源与地电极102共地。外介质管104向上开口为进水/气口 107，底部侧开口为出水/气口 108。
【权利要求】
1.一种设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器，包括过滤填料(101)、地电极(102)、高压电极(103)、外介质管(104)、内介质管(105)、高压电源(106)、进水/气口(107)、出水/气口(108);其特征在于同轴结构的外介质管(104)和内介质管(105)之间的放电隙中填充有过滤填料(101);过滤填料(101)中设有核壳结构多孔球；核壳结构多孔球由金属核(201)、绝缘壳(202)和光催化剂涂层(203)组成，金属核(201)外表面紧密包裹了多孔结构的绝缘壳(202)，绝缘壳(202)表面设有纳米晶光催化剂涂层(203);外介质管(104)外表面设有地电极(102)，地电极(102)与高压电源(106)共地，内介质管(105)内设有高压电极(103)，高压电极(103)接高压电源(106)的高压输出端，外介质管(104)—端开口，设有进水/气口( 107)，另一端与内介质管(105)的管壁烧接在一起，靠近接口处设有出水/气口( 108)，内介质管(105)的另一端自封闭。
2.如权利要求1所述的设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器，其特征是所述的同轴结构的外介质管(104)和内介质管(105)之间的放电隙中设有多孔球过滤填料，多孔球直径范围在3-20mm。
3.如权利要求1所述的设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器，其特征是所述的过滤填料(101)是核壳结构多孔球，或者是核壳结构多孔球与麦饭石多孔球、陶瓷多孔球和石英多孔球中的一种或者几种以任何比例混合的填料。
4.如权利要求1所述的设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器，其特征是所述的核壳结构多孔球是由金属核(201)、多孔陶瓷绝缘壳(202)和Ti02纳米晶光催化剂涂层(203)组成。
5.如权利要求1所述的设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器，其特征是所述的外介质管(104)和内介质管(105)是同轴结构，其主要成份是S12或者Al2O315
6.如权利要求1所述的设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器，其特征是所述的出水/气口( 108)有一个或者多个，设置在外介质管(104)与内介质管(105)烧接口处附近。
7.如权利要求1所述的设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器，其特征是所述的同轴结构的外介质管(104)和内介质管(105)是垂直放置。
8.如权利要求1所述的设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器，其特征是所述的外介质管(104)和内介质管(105)之间的放电隙中的气压范围是大气压到103Pa。
9.如权利要求1所述的设有核壳结构多孔球过滤填料的等离子体净化器，其特征是所述的外介质管(104)和内介质管(105)之间的放电隙宽度范围是5-50_。
【文档编号】B01D53/32GK104162348SQ201310186966
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年5月20日 优先权日:2013年5月20日
【发明者】孙红梅, 区琼荣 申请人:孙红梅