一种等离子体塑料降解装置的制作方法

本实用新型涉及塑料降解，尤其是涉及一种不需要外界热源，仅在等离子体加热条件下，利用酸性或者碱性催化剂使得聚乙烯等塑料制品得到迅速有效降解，相比传统的热解方法，不仅能够提供迅速高效的加热过程，放电产生的自由基含量能够有效改善降解产物的品质、提高塑料降解率和缩短降解时间的等离子体塑料降解装置。

背景技术：

由于高分子合成技术的进步，以合成树脂为原料生产的各种塑料制品异军突起，因其优异的材料属性得到了广泛的应用。然而，材料革命在给人类带来巨大利益的同时，伴随而来的还有严峻的环境问题。由于塑料使用后的回收率很低，被弃置后难以降解，正在给环境带来越来越大的压力。

聚乙烯是年产量最大的塑料制品，由于其化学惰性，被弃置后很难降解，传统的高温裂解技术需要400℃以上的反应温度([1]Serrano D P,Aguado J,Escola J M.ACS Catal,2012,2:1924-1941)，且会生成的较为复杂的混合物([2]Onwudili J A,Insura N,Williams P T.J Anal Appl Pyrolysis,2009,86:293-303)，分子结构包括直链烷烃、支链烷烃、烯烃、芳香烃等([3]Uemichi Y,Takuma K,Ayame A.Chem Commun,1998,1975-1976)，产物利用价值较低。

后来，由Xiangqing Jia等人([4]Jia X,Qin C,Friedberger T,Guan Z,Huang Z.Sci Adv,2016,2:e1501591)利用双金属催化交叉烷烃复分解策略，使用价廉量大的低碳烷烃作为反应试剂和溶剂与聚乙烯发生重组反应，可有效降低聚乙烯的分子量。该方法在150～200℃反应，但存在反应时间较长、存在效率低、功耗大等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于为了克服上述缺点，提供不需要外界热源，仅在等离子体加热条件下，利用酸性或者碱性催化剂使得聚乙烯等塑料制品得到迅速有效降解，相比传统的热解方法，不仅能够提供迅速高效的加热过程，放电产生的自由基含量能够有效改善降解产物的品质、提高塑料降解率和缩短降解时间的一种等离子体塑料降解装置。

本实用新型设有反应腔体、绝缘盖、进料管、排气孔、高压电极、地电极、正弦波脉冲电源、送粉器和Ar气瓶；所述反应腔体用于盛放溶剂、催化剂和塑料，所述绝缘盖置于反应腔体上，排气孔设在绝缘盖上用于排气，进料管位于绝缘盖中心部位与送粉器相连，送粉器通过Ar气瓶输送的Ar将塑料颗粒送至反应腔体内，高压电极固定在绝缘盖上并与正弦波脉冲电源的高压电极相连；地电极固定在绝缘盖上，并与正弦波脉冲电源的地电极相连。

所述反应腔体可采用规则反应腔体，为长方体、球形或圆柱体，所述长方体的长度和宽度分别为30～500cm，高度为2～500cm；所述球形内径为30～500cm，厚度可为1～100mm；所述圆柱体的内径可为30～500cm，厚度可为1～100mm，高度可为2～500cm；所述反应腔体可采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等绝缘材料中的一种。

所述绝缘盖的厚度可为2～60mm，大小与反应腔体一致，绝缘盖分别与地电极、进料管、出气管、高压电极配合，绝缘盖的直径可为2～500cm，绝缘盖可采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等中的一种。

所述高压电极和地电极的直径可为2～40mm，长度可为5～350cm，材质为耐高温导电性能良好的钨、钼、金等惰性金属材料，高压电极与地电极分别固定在绝缘盖内，两电极与垂直方向夹角可为0～45°。

所述进料管的长度可为5～350cm，外径20～40mm，内径16～36mm，材质为陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等中的一种，进料管设置在高压电极和地电极中间，固定在绝缘盖中心。

所述排气孔的直径可为2～10cm，固定在绝缘盖上，将气体排出反应腔。

所述正弦波脉冲电源的电压可为300～10000V，频率为50Hz～50kHz，瞬间击穿电流0～500A，能够将溶液中液体瞬间气化，进而电离产生稳定等离子体。

所述送粉器分别与Ar气瓶及进料管相连，其气体流量为20～2000mL/min，再打开送粉器将送粉流量调节到1～200mg/min，该流量能够将直径为1～5μm聚乙烯小颗粒通过送料管投放到放电区域。

所述Ar气瓶为送粉器提供Ar气，此外氩气的通入能够有效增加高压电极与地电极之间的等离子体的放电面积。

本实用新型在无需外部加热装置和搅拌器的基础上，通过更改电源参数并调整溶液配方，提高了聚乙烯塑料降解率，使得在酸性或者碱性催化条件下都能实现高效降解，大大缩短了反应所需的时间。

本实用新型由两根电极插在溶剂(液体石蜡、十氢化萘、丙三醇、正辛醇等)和催化剂酸(浓硫酸)或碱(氢氧化钠)的混合液中。在高压电极与地电极之间的间距及角度，施加高压正弦波波脉冲，两极间产生辉光放电等离子体。随后，开启气瓶和送粉器，利用Ar气流将塑料颗粒(如高密度聚乙烯、低密度聚乙烯等)通过进料管送入放电区域，由于放电区域温度高达上千摄氏度，可以将塑料颗粒分解，分解后的产物溶解在溶剂中。

由于塑料需要在较高的温度下才能够裂解，与Dengke Xi等^[5,6]的专利相比，Ar的加入能够有效提高活性粒子的含量的同时，增加等离子体的放电体积，进而将溶液的温度提高到385℃，使塑料的分解产物充分的溶解在溶剂中，本实用新型能够有效提高降解产物的品质。由于高密度聚乙烯、低密度聚乙烯塑料中99.9％成分为C和H，在等离子体内自由基的作用下，分解为分子量低的碳烷烃类化合物，这些化合物在催化剂的作用下与溶剂发生反应生成稳定的化合物，溶解在石蜡中，使得塑料降解。

本实用新型在溶剂催化-液化的基础上提出一种等离子电解降解塑料的装置，利用高压正弦波脉冲溶液瞬间气化，气化的气体在电场的作用下会产生等离子体，然而在此方式下溶液温度不会超过300℃，为了进一步提高溶液温度，利用送粉器将Ar气和塑料颗粒通过进料孔同时送进放电区域，Ar的加入不仅能够有效增大放电区域，从而进一步提高溶液温度，而且能够将送入放电区域的塑料颗粒高效分解。放电产生的自由基能加速塑料的降解，提高产物的质量，具有效率高、耗能少等优点，属于能源转换中塑料降解的技术领域。

相比于此前普遍采用的高温热解法，本实用新型加快了反应速度，缩短了反应时间，而且结构简单，只需在常压环境中进行，有利于在塑料降解领域普及。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

以下实施例将从装置本身和溶液配方两方面分别对本实用新型作进一步的说明。

参见图1，本实用新型实施例设有反应腔体1、绝缘盖2、进料管3、排气孔4、高压电极5-1、地电极5-2、正弦波脉冲电源6、送粉器7和Ar气瓶8；所述反应腔体1用于盛放溶剂和催化剂，所述绝缘盖2置于反应腔体1上，排气孔4设在绝缘盖2上用于排气，进料管3位于绝缘盖中心部位与送粉器7相连，送粉器7通过Ar气瓶8输送的Ar将塑料颗粒送至反应腔体1内，高压电极5-1固定在绝缘盖2上并与正弦波脉冲电源6的高压电极相连；地电极5-2固定在绝缘盖2上，并与正弦波脉冲电源6的地电极相连。

具体实施过程如下：首先将4g塑料磨成1～5μm的球状颗粒，装入送粉器7中。配好溶液，装入反应腔体1，通过正弦波脉冲电源6给高压电极5-1施加电压，待电流稳定到0.1A后停止增加电压，此时为稳定辉光放电，随后先打开Ar气瓶将气流调节到20～2000mL/min，再打开送粉器将送粉流量调节到1～200mg/min，此时电流会增加到0.3A，反应10～12min后，先关闭送粉器的送粉开关，再关闭Ar气，最后关闭正弦波脉冲电源6，塑料完全降解，逐渐将电压调小，关掉电源，反应结束。

所述反应腔体1为规则反应腔体，为长方体、球形或圆柱体，所述长方体的长度和宽度分别为30～500cm，高度为2～500cm；所述球形内径为30～500cm，厚度为1～100mm，；所述圆柱体的内径为30～500cm，厚度为1～100mm，高度为2～500cm；所述反应腔体采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等绝缘材料中的一种。

所述绝缘盖2的厚度为2～60mm，大小与反应腔体一致，绝缘盖分别与地电极、进料管、出气管、高压电极配合，绝缘盖的直径为2～500cm，绝缘盖采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等中的一种。

所述高压电极5-1和地电极5-2直径为2～40mm，长度为5～350cm，材质为耐高温导电性能良好的钨、钼、金等惰性金属材料，高压电极与地电极分别固定在绝缘盖内，两电极与垂直方向夹角为0～45°。

所述进料管3长度为5～350cm，外径20～40mm，内径16～36mm，材质为陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等中的一种，设置在高压电极5-1和地电极5-2中间，固定在绝缘盖中心。

所述排气孔4为2～10cm，固定在绝缘盖上，将气体排出反应腔。

所述正弦波脉冲电源6的电压为300～10000V，频率为50Hz～50kHz，瞬间击穿电流为0～500A，能够将溶液中液体瞬间气化，进而电离产生稳定等离子体。

所述送粉器7分别与Ar气瓶8及进料管3相连，其气体流量为20～2000mL/min，再打开送粉器将送粉流量调节到1～200mg/min，该流量能够将直径为1～5μm聚乙烯球状颗粒通过送料管投放到放电区域。

所述气瓶8为送粉器7提供Ar气，此外氩气的通入能够有效增加高压电极5-1与地电极5-2之间的等离子体的放电面积。