一种等离子体催化净化气体处理装置的制作方法

本发明涉及气体净化领域，具体的说是一种等离子体催化净化气体处理装置。

背景技术：

大气污染主要包括燃煤、燃油所排放的氧化硫、氧化氮等及可挥发性有机化合物vocs等。其中氧化硫、氧化氮可通过催化氧化等技术可将其转换为硫酸盐和硝酸盐而去除。vocs处理目前主要的处理方法有燃烧、吸附、吸收和冷凝等技术,此类技术存在运行费用高、处理效果不理想、易造成二次污染以及安全隐患等问题。如燃烧法适合高浓度的vocs气体处理，易造成二次污染；活性炭吸附法主要是利用碳材料的大比表面的微孔对有机分子进行吸附，特点是吸附设备简单，但活性炭吸附饱和后需要更换，易造成二次污染，使用成本较高，一般适合浓度较低、流量较小的气体净化。

目前新发展的去除vocs的技术主要包括等光催化氧化和离子体氧化等技术。光催化法一般采用纳米结构二氧化钛作为催化剂，在紫外光照射下可氧化分解气体中的有机物，是一种新的有机物去除技术，适合浓度较低、流量较小的气体净化，特别是气体除臭。但对于较高浓废气，此法能耗较大、效率低、处理效果较差。而采用等离子体处理气体污染物是一种清洁、高效的工艺技术。低温等离子体处理vocs是目前研究的一个热点，具有设备紧凑、处理效率高、应用范围广等许多潜在优势，但因等离子体产生的方法不同，其处理效果差异较大，发展实用化的等离子体净化处理vocs的技术显得十分重要。

物质有四种形态组成,即固、液、气和等离子态组成，其中宇宙间等离子态占整个物质形态的99.9%以上。等离子体按所产生的方式可分为高温和低温等离子体两类，等离子体中含有大量的活性电子、离子、激发态粒子和光子等。其中高温等离子体中电子和离子的能量相近，温度一般在上千度，人造高温等离子体技术有许多应用包括等离子体切割、喷涂等。而低温等离子体是在室温条件下通过施加交变电场在电容式阴阳电极间产生气体的离化而产生等离子体。在大气压下，空气中所产生的等离子体因高能粒子和电子与气体分子碰撞，会产生大量的oh、o、ho2等自由基和氧化性强的o3等；有机物分子则被激发形成具反应活性的小基团或原子；o、oh、ho2、o3等与激发原子有机物分子、基团、自由基等反应,最终使有机物分子氧化降解为co、co2和h2o等产物。故低温等离子体技术可用于净化各类有机废气如挥发性有机气体vocs等的处理，具有速度快及适应性强等特点。

根据等离子体产生的方式，人造低温等离子体主要可分为脉冲电晕放电pgd、介质阻挡放电dbd、电弧放电等。对于较低浓有机气体处理，可采用pgd或dbd等离子体氧化处理。等离子体氧化处理较高浓度有机气体的技术目前并不成熟，还处于研究阶段，因能耗、成本等因素还不易实际应用。

为降低等离子体处理的能耗，新近发展了等离子体催化氧化技术用于废气的处理。一般采用pt、au、pd等贵金属作为催化材料，等离子体产生后在催化材料作用下可高效氧化分解有机物，但由于贵金属催化材料高昂的成本而限制了其在废气处理领域的应用。故需要发展一类成本较低且高效的催化材料，并能应用于各类有机废气的处理。如何采用低成本的催化材料与低温等离子体技术相结合，实现有机废气的低成本处理，是目前产业界迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术的不足，一种采用具有等离子体催化效应的复合催化材料，其中催化材料采用了碳或金属氧化物薄膜，以电容式器件结构作为基本反应装置系统，可兼容等离子体离化与催化氧化的协同效应高效去除气体中的有机物的等离子体催化净化气体处理装置。

为实现上述目的，设计一种等离子体催化净化气体处理装置，包括等离子体催化反应室，其特征在于：所述等离子体催化反应室内的左侧均布有若干催化电极，位于催化电极右侧的等离子体催化反应室内设有催化材料室，所述催化材料室内填充有颗粒型催化材料；所述等离子体催化反应室的左侧开设有进气口，等离子体催化反应室的右侧开设有排气口，所述进气口和排气口分别设有一个传感检测模块。

所述等离子体催化反应室由绝缘介质基片、催化薄膜、等离子体正极产生电极、等离子体负极产生电极和高频电源组成，所述绝缘介质基片呈平行板形状，绝缘介质基片的上下表面分别设有一层催化薄膜，位于绝缘介质基片上方的催化薄膜的上表面设有等离子体正极产生电极，位于绝缘介质基片下方的催化薄膜的下表面设有等离子体负极产生电极，所述等离子体正极产生电极和等离子体负极产生电极之间通过高频电源相连。

所述等离子体催化反应室由绝缘介质基片、催化薄膜、等离子体正极产生电极、等离子体负极产生电极和高频电源组成，所述绝缘介质基片呈空心圆筒形管状，绝缘介质基片空心管状的内外侧面分别设有一层催化薄膜，位于绝缘介质基片内的催化薄膜内侧设有等离子体负极产生电极，位于绝缘介质基片外的催化薄膜外侧设有等离子体正极产生电极，所述等离子体正极产生电极和等离子体负极产生电极之间通过高频电源相连。

所述等离子体正极产生电极和等离子体负极产生电极均为网状金属电极。

所述绝缘介质基片由石英和氧化铝陶瓷中的一种制成；所述等离子体正极产生电极和等离子体负极产生电极由不锈钢、钛、铝和铝合金制成，可以制成为薄膜形状、薄片形状或网形状；所述催化薄膜由碳和金属氧化物催化材料制成。

所述碳包括石墨、碳纤维、纳米管、石墨烯和金刚石中的一种或多种，所述金属氧化物催化材料包括wo3、cuo、moo、sno2、tio2、zno、mgo、cao、fe2o3、nio、v2o5、mno2、mn2o3、mn3o4中的一种或多种，所述催化薄膜掺杂有pt、pd、au、ag、cu、n、f的至少一种元素，所述碳或金属氧化物催化材料由颗粒尺寸在10～100nm范围内的纳米结构的晶体组成。

所述绝缘介质基片的厚度为0.1-2mm。

所述高频电源的频率为10-500khz，电压范围为0.1-10kv，高频电源的正极与负极之间的电流密度范围为0.01-10ma/cm²。

所述气体处理装置可以对有机废气进行处理，包括制药、化工、皮革、养殖、油漆、涂料、印刷、食品、餐饮、医院、污水处理等所产生的废气，气体处理装置适用于tvoc浓度范围在10-50000ppm范围内的有机废气净化，所述有机废气包括碳氢、氮氢、硫氢类气体等。

本发明同现有技术相比，将等离子体技术与催化材料相结合，使催化薄膜材料镀制在等离子体发生电极表面，可有效地降低运行时的能耗，提高反应效率，使得整体气体净化的成本大幅降低，使得气体净化，特别是vocs的净化处理可实现实用化和工程化应用；将等离子体催化电极阵列以模块化的形式，与高效低成本的光电催化材料紧密结合，将材料、装备、工艺等一体化集成，可在大气压下进行高效率、低能耗的气体等离子体催化反应，为工业、农业、生活等的废气，特别是有机废气vocs的处理净化提供了一种低成本的成套解决方案。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中实施例一的正视图。

图3为本发明中实施例一的俯视图。

图4为本发明中实施例二的正视图。

图5为本发明中实施例二的俯视图。

参见图1～图5，其中，1是催化电极，2是等离子体催化反应室，3是催化材料室，4是进气口，5是排气口，10是绝缘介质基片，11是催化薄膜，12是等离子体正极产生电极，13是等离子体负极产生电极，14是电源电器控制单元。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，所述等离子体催化反应室2内的左侧均布有若干催化电极1，位于催化电极1右侧的等离子体催化反应室2内设有催化材料室3，所述催化材料室3内填充有颗粒型催化材料；所述等离子体催化反应室2的左侧开设有进气口4，等离子体催化反应室2的右侧开设有排气口5，所述进气口4和排气口5分别设有一个传感检测模块。

所述等离子体催化反应室1由绝缘介质基片10、催化薄膜11、等离子体正极产生电极12、等离子体负极产生电极13和高频电源14组成，所述绝缘介质基片10呈平行板形状，绝缘介质基片10的上下表面分别设有一层催化薄膜11，位于绝缘介质基片10上方的催化薄膜11的上表面设有等离子体正极产生电极12，位于绝缘介质基片10下方的催化薄膜11的下表面设有等离子体负极产生电极13，所述等离子体正极产生电极12和等离子体负极产生电极13之间通过高频电源14相连。

所述等离子体催化反应室1由绝缘介质基片10、催化薄膜11、等离子体正极产生电极12、等离子体负极产生电极13和高频电源14组成，所述绝缘介质基片10呈空心圆筒形管状，绝缘介质基片10空心管状的内外侧面分别设有一层催化薄膜11，位于绝缘介质基片10内的催化薄膜11内侧设有等离子体负极产生电极13，位于绝缘介质基片10外的催化薄膜11外侧设有等离子体正极产生电极12，所述等离子体正极产生电极12和等离子体负极产生电极13之间通过高频电源14相连。

所述等离子体正极产生电极12和等离子体负极产生电极13均为网状金属电极。

所述绝缘介质基片10由石英和氧化铝陶瓷中的一种制成，并且石英和氧化铝陶瓷均以片状或管状存在；所述等离子体正极产生电极12和等离子体负极产生电极13由不锈钢、钛、铝和石墨制成，可以制成为薄膜形状、薄片形状或网形状；所述催化薄膜11由碳和金属氧化物催化材料制成。

所述碳包括石墨、碳纤维、纳米管、石墨烯和金刚石中的一种或多种，所述金属氧化物催化材料包括wo3、cuo、moo、sno2、tio2、zno、mgo、cao、fe2o3、nio、v2o5、mno2、mn2o3、mn3o4中的一种或多种，所述催化薄膜11掺杂有pt、pd、au、ag、cu、n、f的至少一种元素，所述碳或金属氧化物催化材料由颗粒尺寸在10～100nm范围内的纳米结构的晶体组成。

所述绝缘介质基片的厚度为0.1-2mm。

所述高频电源的频率为10-500khz，电压范围为0.1-10kv，高频电源的正极与负极之间的电流密度范围为0.01-10ma/cm²。

所述气体处理装置可以对有机废气进行处理，包括制药、化工、皮革、养殖、油漆、涂料、食品、餐饮、医院、污水处理等所产生的废气，气体处理装置适用于tvoc浓度范围在10-50000ppm范围内的有机废气净化，所述有机废气包括碳氢、氮氢、硫氢类气体等。

本发明的突出技术特色表现为快速、高效、低能耗和适应范围广。本发明的等离子体催化净化pcc装置在运行时，除使用电能外，因不消耗其他材料，使得整体运行费用低。pcc装置适合有机物浓度在10-50000ppm范围的废气净化处理。设备模组化，应用灵活，可适用于各类风量的气体净化处理。

本发明的等离子体催化pcc装置和方法可处理净化废气如voc类气体，包括碳氢类气体如烃、芳烃、脂、酯、醇、醛、酮、醚等；苯类气体如苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯等；卤烃类气体如cf2clbr、cf3br、cf3cl、氯丁二烯等；氮化物气体如氨、甲胺、二甲胺、dmf等；硫化物气体如h2s、cs2、二甲二硫、硫醇、硫醚等；以及其它恶臭性气体，均可有效地去除或净化。

本发明是将等离子体技术与催化材料相结合，使催化薄膜材料镀制在等离子体发生电极表面，可有效地降低运行时的能耗，提高反应效率，使得整体气体净化的成本大幅降低，使得气体净化，特别是vocs的净化处理可实现实用化和工程化应用。将等离子体催化电极阵列以模块化的形式，与高效低成本的光电催化材料紧密结合，将材料、装备、工艺等一体化集成，可在大气压下进行高效率、低能耗的气体等离子体催化反应，为工业、农业、生活等的废气，特别是有机废气vocs的处理净化提供了一种低成本的成套解决方案。

实施例一：

如图2和图3所示，本实施例采用平行板电容式等离子体催化电极结构，所述等离子体催化反应室1由绝缘介质基片10、催化薄膜11、等离子体正极产生电极12、等离子体负极产生电极13和电源电器控制单元14组成，所述绝缘介质基片10呈平行板形状，绝缘介质基片10的上下表面分别设有一层催化薄膜11，位于绝缘介质基片10上方的催化薄膜11的上表面设有等离子体正极产生电极12，位于绝缘介质基片10下方的催化薄膜11的下表面设有等离子体负极产生电极13，所述等离子体正极产生电极12和等离子体负极产生电极13之间通过电源电器控制单元14相连。所述等离子体正极产生电极12和等离子体负极产生电极13均为网状金属电极。

实施例二：

如图4和图5所示，本实施例采用圆筒形电容式等离子体催化电极结构，所述等离子体催化反应室1由绝缘介质基片10、催化薄膜11、等离子体正极产生电极12、等离子体负极产生电极13和电源电器控制单元14组成，所述绝缘介质基片10呈空心圆筒形管状，绝缘介质基片10空心管状的内外侧面分别设有一层催化薄膜11，位于绝缘介质基片10内的催化薄膜11内侧设有等离子体负极产生电极13，位于绝缘介质基片10外的催化薄膜11外侧设有等离子体正极产生电极12，所述等离子体正极产生电极12和等离子体负极产生电极13之间通过电源电器控制单元14相连。所述等离子体正极产生电极12和等离子体负极产生电极13均为网状金属电极。

本发明在制备过程中，首先采用喷涂、辊涂、印刷、浸涂、化学气相沉积、物理气相沉积等工艺绝缘介质基片的表面制备催化薄膜，薄膜的厚度在10nm-1mm范围；随后将等离子体正极产生电极和等离子体负极产生电极分别连接电源电气控制单元，高频电源的正极连接等离子体正极产生电极，高频电源的负极连接等离子体负极产生电极；最后根据需要，可以将多片绝缘介质基片和基片表面的等离子体正极产生电极、等离子体负极产生电极组成催化阵列模组。

本发明使用时，在等离子体和催化材料的协同作用下，可高效率去除气体中的有机物(vocs)、氨氮等污染物。等离子体催化反应速率在0.1-10秒范围内，有机物去除效率在95%以上，单位能耗tvoc质量去除率在1kg/kwh以上。传感器安装等离子体催化反应室的进气端和出气端，主要用于检测气体的流量、流速、温度、气压、气体浓度等指标，其中气体浓度包括总有机物浓度tvoc。电源电气控制单元采用计算机对电源的电流、电压、功率、处理装置总的功耗、气体流量、浓度等传感器所测得的各类指标参数进行汇总和分析后，进行优化控制，使得本发明在使用过程中的运行效率达到最优化。