利用等离子体放电制备过氧化氢的装置和方法
【专利摘要】本发明属于化学品制备技术领域，具体涉及利用等离子体放电制备过氧化氢的装置和方法。本发明装置由脉冲功率电源、蓄水池、可拆卸式外壁结构、超声波雾化器、阵列式放电电极、出气导流风扇和水雾凝结结构构成。本发明利用超声波雾化器产生水雾；利用入气孔、出气导流风扇和装置整体封闭的结构，形成一个从下向上的气流，在通入氧气的同时，携带雾状水滴向上通过放电区域；在等离子体的作用下，发生双介质阻挡放电，产生过氧化氢。本发明以水为原料，制备过程简单、安全，并且在制备过氧化氢的生产过程中不产生任何污染物，真正做到了绿色氧化剂在大宗化学品生产技术清洁化。本发明也适用于过氧化氢在日常、工业和医用领域的灵活制备。
【专利说明】
利用等离子体放电制备过氧化氢的装置和方法
技术领域
[0001]本发明属于化学品制备技术领域，具体涉及利用等离子体放电制备过氧化氢的装置和方法。
【背景技术】
[0002]过氧化氢俗称双氧水，是一种无色透明的液体，对有机物有很强的氧化作用，一般作为氧化剂使用。由于发生氧化还原反应后不产生任何污染产物，过氧化氢又被誉为绿色氧化剂和最清洁的化工产品。过氧化氢主要应用于化学合成、环境、医疗和半导体材料等领域，可起到杀菌消毒和去除表面杂质的作用。此外，高浓度的过氧化氢也可以用作火箭动力燃料。
[0003]目前，工业规模化生产过氧化氢的主流方法是2-乙基蒽醌法(EAQ)。蒽醌法虽然技术成熟，但是制备过程复杂，涉及加氢、氧化、萃取、浓缩净化和工作液及2-乙基蒽醌的循环利用等过程，存在设备投资大、生产成本过高等问题。此外，在蒽醌法制备过氧化氢的过程中会产生大量化学污染，有违绿色氧化剂在大宗化学品生产技术清洁化方面的应用前景。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种成本低，绿色、安全地制备过氧化氢的装置和方法。
[0005]本发明以水为原料，利用等离子体放电技术，并结合超声波雾化技术，制备得到过氧化氢。本发明可应用于日常、工业和医用过氧化氢的灵活制备，具有“随开随用”的特点。将制备的过氧化氢与水进行任意比例混合，可得到任意浓度的双氧水，满足杀菌消毒的需求。本发明能够简化双氧水的配置过程，避免在双氧水储存和运输过程中遇到的问题，降低额外成本。
[0006]本发明提出的利用等离子体放电制备过氧化氢的装置，采用等离子体双介质阻挡放电技术。该装置由脉冲功率电源、蓄水池、外壁、超声波雾化器、阵列式放电电极、出气导流风扇和水雾凝结结构构成。其中:
所述外壁围成一长方体空间，构成装置的反应腔;外壁的中部连接处为可拆卸式结构，该可拆卸式部分把反应腔分为下层的蓄水池和上层的放电区域两部分；
所述脉冲功率电源用于对装置提供放电条件；
所述阵列式放电电极由金属细棒制成，其外层以尺寸合适的石英玻璃管紧密包裹;阵列式放电电极位于装置的反应腔内部，形成放电区域；
阵列式放电电极分为高压电极和地电极两部分，高压电极连接脉冲功率电源，地电极接地，两种电极均匀交错排列，分别从反应腔相对的两个外壁交错接入；
阵列式放电电极的具体数量可根据产量需求和脉冲功率电源的电参数进行调节；
所述外壁的中部连接处为可拆卸式结构，该可拆卸式部分把反应腔分为下层的蓄水池和上层的放电区域两部分。上下两部分连接处为阶梯状结构，使上层放电区域能够稳固地套在下层蓄水池上，并且可拆卸； 所述蓄水池底部中间挖有凹槽，所述超声波雾化器固定在该凹槽中；
蓄水池相对的两个外壁顶部附近各设置有一个入气孔;用于向反应腔内通入氧气；在阵列式放电电极上方相对的两个外壁上各设置一个所述的出气导流风扇，出气导流风扇外套一个水雾凝结结构，用于收集装置制备出的过氧化氢水溶液；
所述水雾凝结结构的底面采用两边高中间低的斜坡结构。
[0007]本发明提出的基于所述装置的利用等离子体放电制备过氧化氢的方法，其具体步骤为:
(1)将超声波雾化器放入蓄水池底部的凹槽中固定，并在蓄水池中倒入适量清水；
(2)利用可拆卸式外壁结构，将上层放电区域套在蓄水池上；
(3 )将阵列式放电电极的高压电极接到脉冲功率电源上，地电极接地；
(4)打开出气导流风扇，并从入气孔通入氧气，在反应腔内形成一个富氧环境；
(5)打开脉冲功率电源和超声波雾化器，开始反应，其中脉冲功率电源的具体电参数和超声波雾化器产生水雾的速度可根据过氧化氢的实际生产需求进行调节；
(6)利用入气孔、出气导流风扇和装置整体封闭的结构，形成一个从下向上的气流，在通入氧气的同时，携带微米量级的雾状水滴向上通过放电区域；
(7)在等离子体的放电作用下，水分子中的氢氧键断裂，分解为羟基自由基和活性氢原子;在富氧环境下，被等离子体激发的活性氧原子抢先和还原性更高的活性氢原子结合，生成水、羟基自由基或超氧化氢，而水分子中剩余的羟基自由基则两两组合生成过氧化氢;在正常环境下，羟基自由基和超氧化氢化学性质相当不稳定，会在极短的时间内，自发分解为水、氧气和过氧化氢；
(8)利用水雾凝结结构，将被出气导流风扇从装置中吹出的过氧化氢雾滴迅速聚合，方便收集过氧化氢溶液。
[0008]本发明中使用超声波雾化器对水进行了雾化处理。接通电源后，超声波雾化器以水的固有频率进行振动，引起水分子共振，从而将其抛出水面，形成可悬浮于空气的雾状小水滴，极大地提升了水分子与氧气的接触面积，加快过氧化氢制备速率的同时，有效提升了装置对电能的利用效率。与加热雾化法相比，超声波雾化法利用物理共振的原理对水进行雾化，避免了将水加热沸腾的过程，能够节省90%的能源。这种雾化方式既能避免氯离子等水中杂质在加热过程中逸出水面，对过氧化氢的生成过程起到抑制作用，又能避免了过氧化氢在高温条件下易分解的问题，能够有效提高过氧化氢的产率。
[0009]本发明的优势在于以水为原料，通过等离子体的双介质阻挡放电来制备过氧化氢。相比于目前工业规模化生产过氧化氢的主流方法2-乙基蒽醌法(EAQ)，本发明具有制备过程简单、安全的特点，能够灵活制备过氧化氢的特点，真正做到随开随用，避免双氧水在储存、运输过程中遇到的问题。本发明在制备过氧化氢的生产过程中不产生任何污染物，真正做到了绿色氧化剂在大宗化学品生产技术清洁化。
【附图说明】
[0010]图1为本发明整体结构示意图的径向侧视图。
[0011]图2为本发明整体结构示意图的横向侧视图。
[0012]图3为本发明阵列式放电电极顶层的俯视图。
[0013]图4为本发明可拆卸式外壁结构的三维斜视图。
[0014]图中标号:I为蓄水池底部凹槽，2为超声波雾化器，3为可拆卸式外壁结构，4为阵列式放电电极的地电极部分，5为水雾凝结结构，6为蓄水池，7为阵列式放电电极的高压电极部分，8为导流水管，9为出气导流风扇，10为入气孔，11为阵列式放电电极外层包裹的石英玻璃管。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0016]实施例:
本实施例中，装置外壳由有机玻璃制成，由可拆卸式外壁结构分为下层蓄水池和上层放电区域两部分。其具体加工参数为:
1)上下两部分反应腔的横截面积都为100mmX 100mm；
2)蓄水池前后两个相对外壁的顶端各有一个入气圆孔；
3)蓄水池侧壁顶端均做成内侧长外侧短的阶梯状结构，与上层放电区域对应，使上层放电区域能够稳固地套在下层蓄水池上；
4)蓄水池底部中央挖出圆柱形凹槽，固定超声波雾化器的位置；
5)阵列式放电电极每层6根高压电极、7根地电极，共8层;高压电极和地电极均匀交错排列，分别从左右两壁插入并固定;放电电极由细铜棒制成，外层以石英玻璃管紧密包裹，构成双介质阻挡放电；
7)高压电极和地电极末端分别以预先打孔的铜片和螺母加以固定，形成分别并联的结构;将高压电极连接到脉冲功率电源;地电极接地；
8)在放电区域上方前后两个相对的外壁上，各安装一个出气导流风扇；
9)水雾凝结结构整体封闭，挡板正对风扇，底部为两边高中间低的斜坡结构，液体只能从导流水管流出，方便收集。
[0017]本实例装置的具体操作步骤如下:
1)将超声波雾化器放入蓄水池底部的凹槽中固定，并在蓄水池中倒入适量清水；
2)将上层放电区域套在蓄水池上，并正确连结电路；
3)打开出气导流风扇，并从入气孔通入氧气，形成一个从下向上的定向气流；
4)等候5分钟，在反应腔内形成一个富氧环境；
5)打开脉冲功率电源，将电压调至适当电压(15kV?35kV)，形成稳定、均匀的双介质阻挡放电；
6)打开超声波雾化器，生产微米量级的水雾;弥散在蓄水池顶部的水雾被入气孔中通入的氧气流携带，向上通过阵列式放电电极构成的放电区域；
7)在等离子体的放电作用下，水分子中的氢氧键断裂，分解为羟基自由基和活性氢原子;在富氧环境下，被等离子体激发的活性氧原子抢先和还原性更高的活性氢原子结合，生成水、羟基自由基或超氧化氢，而水分子中剩余的羟基自由基则两两组合生成过氧化氢;在正常环境下，羟基自由基和超氧化氢化学性质相当不稳定，会在极短的时间内，又自发分解为水、氧气和过氧化氢；
8)经过反应生成的过氧化氢水雾继续被从下向上的气流携带，离开反应区域； 9)被出气导流风扇抽出反应腔的过氧化氢水雾，在水雾凝结结构的挡板上凝结成大液滴的过氧化氢水溶液，顺着底面斜坡流入导流水管，流出装置。
【主权项】
1.一种利用等离子体放电制备过氧化氢的装置，其特征在于由脉冲功率电源、蓄水池、外壁、超声波雾化器、阵列式放电电极、出气导流风扇和水雾凝结结构构成;其中: 所述外壁围成一长方体空间，构成装置的反应腔;外壁的中部连接处为可拆卸式结构，该可拆卸式部分把反应腔分为下层的蓄水池和上层的放电区域两部分； 所述脉冲功率电源用于对装置提供放电条件； 所述阵列式放电电极由金属细棒制成，其外层以石英玻璃管紧密包裹；阵列式放电电极位于装置的反应腔内部，形成放电区域； 阵列式放电电极分为高压电极和地电极两部分，高压电极连接脉冲功率电源，地电极接地，两种电极均匀交错排列，分别从反应腔相对的两个外壁交错接入； 所述蓄水池底部中间挖有凹槽，所述超声波雾化器固定在该凹槽中； 蓄水池相对的两个外壁顶部附近各设置有一个入气孔;用于向反应腔内通入氧气； 在阵列式放电电极上方相对的两个外壁上各设置一个所述的出气导流风扇，出气导流风扇外套一个水雾凝结结构，用于收集装置制备出的过氧化氢水溶液。2.根据权利要求1所述的利用等离子体放电制备过氧化氢的装置，其特征在于所述阵列式放电电极的具体数量根据产量需求和脉冲功率电源的电参数进行调节。3.根据权利要求1所述的利用等离子体放电制备过氧化氢的装置，其特征在于所述水雾凝结结构的底面采用两边高中间低的斜坡结构。4.一种基于权利要求1所述装置的利用等离子体放电制备过氧化氢的方法，其特征在于:具体步骤为: (1)在蓄水池中倒入适量清水； (2)利用可拆卸式外壁结构，将上层放电区域套在蓄水池上； (3 )将阵列式放电电极的高压电极接到脉冲功率电源上，地电极接地； (4)打开出气导流风扇，并从入气孔通入氧气，在反应腔内形成一个富氧环境； (5)打开脉冲功率电源和超声波雾化器，开始反应，其中脉冲功率电源的具体电参数和超声波雾化器产生水雾的速度可根据过氧化氢的实际生产需求进行调节； (6)利用入气孔、出气导流风扇和装置整体封闭的结构，形成一个从下向上的气流，在通入氧气的同时，携带微米量级的雾状水滴向上通过放电区域； (7)在等离子体的放电作用下，水分子中的氢氧键断裂，分解为羟基自由基和活性氢原子;在富氧环境下，被等离子体激发的活性氧原子抢先和还原性更高的活性氢原子结合，生成水、羟基自由基或超氧化氢，而水分子中剩余的羟基自由基则两两组合生成过氧化氢； (8)利用水雾凝结结构，将被出气导流风扇从装置中吹出的过氧化氢雾滴迅速聚合，收集过氧化氢溶液。
【文档编号】C01B15/027GK105858617SQ201610213776
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】刘克富, 徐迪, 邱剑, 郝春静
【申请人】复旦大学