一种基于光电协同制备六氟化钨的方法和装置

本发明属于六氟化硫资源化利用，具体涉及一种基于光电协同制备六氟化钨的方法和装置。

背景技术：

1、sf6是一种人工合成的氟化物，其分子结构极其稳定，具有优良的灭弧能力和绝缘性能，从上个世纪70年代开始，sf6便被广泛应用在各种电气设备中，主要用作电气设备的绝缘和灭弧介质，包括气体绝缘断路器、气体绝缘电流互感器等。sf6作为非二氧化碳温室气体中温室效应最强的气体，同时具有极长的大气寿命，大气含量也逐年提升。从上个世纪末开始，随着环保问题逐年加重，国际社会开始逐渐重视起sf6的排放管控。近年来，对sf6的降解已是大势所趋。

2、目前，为减少sf6对大气环境的损伤，主要采用sf6净化回收、使用sf6的环保绝缘替代气体、sf6废气降解与转化等技术。其中降解技术尤为可靠，可实现高降解率。介质阻挡放电低温等离子体法在sf6废气降解上，展现出了放电可控性强、能量效率高、降解率高、装置结构简单等优势，因此很具有工业应用潜力，并且在sf6废气处理方面已有相关案例，在介质阻挡反应器内填充催化剂可有效提高降解率、能量效率以及改善产物选择性。效果优异。

3、以六氟化钨(wf6)为代表的含氟电子特气是半导体器件加工的关键原料之一，被称为晶圆制造的“血液”。然而，目前wf6的生产多利用金属w和氟气(f2)加热制备，存在操作危险性大、能耗高等缺点。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于光电协同制备六氟化钨的方法和装置，本发明利用光催化和放电产生的等离子对sf6进行协同活化降解，使sf6解离为氟原子和低氟硫化物，氟原子和低氟硫化物与金属钨发生原位氟化反应，生成wf6气体，wf6气体经冷凝液化后对其进行收集，同时控制反应温度为120-160℃，使生成的硫单质成液态，方便对硫单质进行收集。本发明实现了sf6的硫氟资源利用，为sf6降解及资源化转化提供了新的方法和思路。

2、实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

3、一种基于光电协同制备六氟化钨的方法，其特征在于包括如下步骤：

4、s1、将光催化剂和金属钨沿着气体进入的方向依次填充在等离子体反应器放电区域内；

5、s2、向等离子体反应器放电区域内通入背景气体和六氟化硫气体，同时对等离子体反应器放电区域进行光照射，背景气体被电离成等离子体，六氟化硫气体在等离子体和光催化协同作用下被活化电离分解成氟原子和低氟硫化物；

6、s3、生成的氟原子和低氟硫化物与金属钨发生反应，生成六氟化钨气体。

7、进一步，所述的光催化剂为tio2或zno。

8、进一步，所述的背景气体为氩气。

9、进一步，所述步骤s2中，所述光照射采用的光为紫外光。

10、进一步，所述步骤s3中，生成六氟化钨气体同时生成硫单质，控制反应温度为120-160℃，使硫单质成液态，将等离子体反应器倾斜或者竖直放置，生成的液态硫单质从等离子体反应器底部流出进行收集。

11、进一步，所述步骤s2中，向等离子体反应器放电区域内通入背景气体和六氟化硫气体的同时通入还原性气体h2。

12、进一步，所述的金属钨通过金属-有机骨架负载后填充入等离子体反应器放电区域内。

13、进一步，所述步骤s3中，将生成的wf6气体冷凝成液态，随后进行收集。

14、进一步，步骤s3中，未反应的氟、低氟硫化物以及产生杂质气体被碱液吸收净化。

15、一种基于光电协同制备六氟化钨的装置，包括六氟化硫供气单元、背景气体供气单元、混配单元和光电联合反应器，六氟化硫供气单元和背景气体供气单元分别与混气单元连接，光电联合反应器包括等离子体反应器和封装壳，且封装壳包围离子体反应器的放电区域，等离子体反应器放电区域外壳呈透明状，封装壳两端分别与等离子体反应器两端固定连接，封装壳内壁为镜面，封装壳内设置至少两个均匀分布的光源组件，每个光源组件位于等离子体反应器外，混配单元与等离子体反应器入口连接。

16、所述的六氟化硫供气单元包括六氟化硫气瓶、第一供气支管和第一减压阀，第一供气支管的一端与六氟化硫气瓶连接，第一减压阀安装于第一供气支管上，惰性气体供气单元包括惰性气体气瓶、第二供气支管和第二减压阀，第二供气支管的一端与惰性气体气瓶连接，第二减压阀安装于第二供气支管上，混配单元包括配气仪、供气总管、流量计和控制阀，第一供气支管和第二供气支管的另一端分别与配气仪入口连接，供气总管的一端与配气仪出口连接，流量计和控制阀分别安装于供气总管上，供气总管的另一端与等离子体反应器气体入口连接。

17、还包括氢气供气单元包括氢气气瓶、第三供气支管和第三减压阀，第三供气支管的一端与氢气气瓶连接，第三减压阀安装于第三供气支管上，第三供气支管的另一端与配气仪入口连接。

18、所述的等离子体反应器竖直或倾斜放置，等离子体反应器底部设有硫单质收集器，硫单质收集器位于等离子体反应器的下方，等离子体反应器底部设有第一液体出口，硫单质收集器与第一液体出口连通，等离子体反应器上或硫单质收集器顶部设有气体出口。

19、还包括冷凝单元，冷凝单元包括冷凝器、导气管和六氟化钨收集器，导气管的一端与等离子体反应器气体出口连通，导气管的另一端与冷凝器入口连接，冷凝器上分别设有第二液体出口和第二气体出口，六氟化钨收集器与第二液体出口连通。

20、还包括尾气处理单元，尾气处理单元包括碱液处理池、尾气入管和尾气出管，尾气入管的一端与第二气体出口连接，尾气入管的另一端伸入碱液处理池碱液中，尾气出管与碱液处理池碱液上方连通。与现有技术相比，本发明的优点与有益效果在于：

21、1、本发明的背景气体在放电反应区域内容易激发电离生成高能电子，对sf6碰撞激发其活化，使其断键分解生成氟粒子和低氟硫化物(sfx)，如果不加背景气体，sf6气体很难被电离分解。

22、2、本发明的背景气体还起到了对sf6进行稀释的作用，能够实现精确的稀释比例，从而提高sf6的降解效果。

23、3、本发明在等离子体反应器放电区域内沿着气体进入的方向依次填充光催化剂和金属钨，并对等离子体反应器放电区域进行光照射，背景气体在放电反应区域内产生大量的等离子体(高能电子)，sf6在光催化和等离子体的协同作用下发生分解，sf6分解生成氟原子和sf5、sf4等低氟硫化物，产生的氟离子和sf5、sf4等低氟硫化物进一步与金属钨发生反应，生成wf6电子特气，不仅实现sf6的氟资源利用，而且以无毒的sf6废气代替剧毒氟气在等离体子反应器中进行反应，操作安全，能耗低。

24、4、本发明将等离子体反应器倾斜或竖直放置，氟原子和sf5、sf4等低氟硫化物与钨颗粒发生反应的同时会生成硫单质，同时控制反应区域内温度为120℃～160℃，生成的s单质为液态，液态硫单质可沿着等离子体反应器管壁向下流，在等离子体反应器底部设置硫单质收集区，对生成的s单质进行收集。

25、5、本发明在反应体系中外加气体h2，h2作为还原性气体，可促进s单质的生成，且在光催化和电催化反应区域可极大的促进sf6的分解。

26、6、本发明的冷凝器温度根据产物进行调控温度，控制温度在5℃～15℃之间，可对生成的wf6气体进行降温，使wf6气体变为液态，并对wf6液体进行收集，便于后期长期储存、运输以及提纯。

27、7、本发明在装置末端设置碱液处理池对未反应的sf6分解产物以及so2、sof2、sof4等杂质气体进行处理，防止排入大气中，对大气和环境造成损伤。

28、8、本发明首次提出以无毒的sf6废气代替剧毒氟气在等离子体和光催化协同条件下与w进行反应生成wf6，与传统以金属w和氟气(f2)在高温下制备wf6的方法相比，大幅度降低了反应的温度，从而大幅度降低了能耗，而且操作安全，实现了sf6的硫氟资源利用，解决了sf6转化率低的问题。